3D打印技术在放疗中的应用与研究进展▲

张才勋 付敬国 阮长利 杨 露 王陆州 李祥攀

(武汉大学人民医院肿瘤诊疗中心，湖北省武汉市 430060，电子邮箱：zhangcx09@126.com)

【提要】 3D打印技术是一种新兴的工业制造技术，其在医药卫生、生物医学工程等领域发挥着越来越重要的作用。目前3D打印技术在放疗中已经得到了初步的应用和发展，主要应用于制作个性化口腔支架、个体化补偿模、电子线挡铅及保证放疗设备治疗效果等。本文就3D打印技术在放疗中的应用现状和研究进展做一综述。

肿瘤已成为21世纪人类健康的重要威胁，且肿瘤发病率有逐年上升的趋势[1]。目前，临床上治疗肿瘤主要有手术治疗、放射治疗(简称放疗)和化学治疗(简称化疗)3大手段，其中需要接受放疗(包括单纯性放疗和辅助性放疗)患者约占所有治疗患者的2/3[2]。如何提高放疗精度与质量一直是医生关注的重点。3D打印是一种基于计算机三维数字成像技术和多层次连续打印技术的新兴技术，可以制作出各种复杂、精细的实体，极大地降低了复杂结构产品的制造难度。3D打印技术，不仅能有效地提高放疗的治疗精度，减少正常器官不必要的受照射量，还能提高放疗的舒适度和治疗效率。本文就3D打印技术在放疗中的应用与进展做一综述。

1 3D打印技术在制作电子线挡铅中的应用

随着我国放疗技术的快速发展，调强放疗技术(intensity-modulated radiation therapy，IMRT)和容积旋转调强技术已成为主流放疗技术，适形放疗已逐渐成为辅助放疗手段，但对于一些特定疾病，如皮肤表浅部肿瘤和术后电子线照射，适形放疗及低熔点铅块依旧必不可少，如何控制和提高铅块的制作精度对于精确放疗非常重要。传统铅块制作流程复杂，模型制作精度难以保证，制作工艺涉及热丝切割机的质量控制和切割过程中热丝温度的掌控[3]。虽然可以通过控制金属丝的温度、泡沫的切割速度、浇灌铅水的温度(75℃左右)和控制灌注方式来减少电子线挡铅制作中的误差[4-5]，但是热丝切割后不可避免的会导致阴模泡沫表面粗糙，待热铅水冷却后，容易在与阴模的接触面上形成小气泡甚至空腔，从而影响电子线挡铅的精度和质量。阮长利等[6]利用3D打印技术精度高的特点，研发出一套基于患者体表标记线打印电子线挡铅阴模的方法，相比于传统的电子线挡铅制作方法，新方法不仅使电子线挡铅的形状更加规整，而且提高了电子线挡铅的整体制作精度。Michiels等[7]结合患者CT影像，在计划系统上根据大体肿瘤靶区形状直接生成电子线挡铅阴模外轮廓，然后采用3D打印机制作电子线挡铅阴模实体，该方法制作的电子线挡铅gamma通过率(γ1% 1 mm)达到99.9%，为当前电子线挡铅制作的最高精度。因此，采用3D打印技术制作电子线挡铅能有效避免铅块制作过程中的误差，提高铅块的制作精度。

2 3D打印技术在制作个体化口腔支架中的应用

口腔癌在放疗后发生口腔黏膜炎和口干症的风险较高[8-9]，而口腔支架作为一种预防手段受到了国内外学者的青睐[10-11]。口腔支架的作用是将口腔上颚和舌头分开，从而降低口腔黏膜和舌头的受照射剂量，起到预防口腔黏膜炎和口干的作用。传统的个性化口腔支架存在制作过程繁琐、位置重复性差、易碎、密度高、电子散射大等缺点[12-15]。丁继平等[16-17]采用3D打印技术制作个体化口腔支架，与传统的口腔支架相比，能减少患者上唇、上颊、硬腭及软腭的受照剂量(P<0.05)。高媛等[18]研究结果表明，佩戴3D打印口含器后，头颈部肿瘤患者放疗后Ⅰ～Ⅳ级黏膜反应发生率显著降低(P<0.05)；同时也能改善由口腔黏膜炎引起的体重降低，有助于患者预后。郝芳时等[19]研究结果表明，3D 打印个体化开口器能降低鼻咽癌患者放疗张口困难的发生率，增大张口间距，提高患者的生活质量。综上所述，采用3D打印个体化的口含器能有效地降低放疗过程中口腔的副反应，提高放疗质量。

3 3D打印技术在制作个体化补偿模中的应用

鉴于高能X射线和电子线的剂量建成效应，临床上针对表浅部肿瘤会采用组织补偿物来提高皮肤表面射线的剂量。目前临床上一般使用20 cm×20 cm大小，具有一定厚度和软度的方形补偿模。但是，对于如乳腺癌术后患者以及一些面部表浅肿瘤患者，体表往往不平坦，补偿模和人体皮肤之间存在空隙，这会明显降低表面剂量，从而影响治疗效果[20]。有学者曾经采用石蜡、凡士林等体表组织补偿物，但是存在制作工艺粗糙、重复性和组织均匀性差、实际放疗剂量不确定性大等缺点。张敏等[21]采用3D打印技术制作个性化组织补偿物用于头面部、外阴部等表浅肿瘤患者的治疗，结果表明3D打印制作的组织补偿物不仅能对体表肿瘤起到支撑固定作用，也能使患者靶区的H1[H1=(D2%-D98%)/D50%]控制在0.03～0.15(中位数为0.06)，靶区剂量均匀性好。Park等[22]采用3D打印技术制作针对嗜酸性粒细胞性淋巴肉芽瘤的个性化补偿模，其能很好地贴合外耳轮廓和外耳道不规则的形状，既能满足靶区的剂量要求，也能降低靶区外热点的形成。Burleson等[23]采用3D打印技术制作人体面部补偿模，与传统补偿模相比，3D打印技术制作的补偿模与皮肤表面贴合的更好，皮肤表面剂量更高，重复性更好。Park等[24]采用高分子聚乳酸作为3D打印材料，研究3D打印补偿模在乳腺癌放疗中的应用效果，结果显示，与传统Super-Flex补偿模相比，采用3D打印补偿模患者皮肤表面剂量更加接近于使用TPS虚拟补偿模的剂量。除了应用于高能X射线和电子线的照射外，Zou等[25]拓展了3D打印制作的补偿模在质子放疗中的应用，有效提高质子双散射治疗时的效率。综上所述，采用3D打印技术制作的个体化补偿模不仅能有效地提高靶区受照剂量的准确性，减少危及器官不必要受量，还能提高放疗的治疗效率。

4 3D打印技术在放疗质量保证中的应用

放疗计划质量保证一般采用平板探测器阵列如Matrixx(IBA)或MapCHECK采集归一角度后的质量保证计划数据，或者采用三维计划验证系统如ArcCHECK或OCTAVIUS系统采集验证计划的数据，以得到验证计划的测量数据；然后将测量数据与验证计划进行对比，用以判断放疗计划的准确性。现有剂量对比的主要方法有等值间距法[26]，γ值比较法[27]，规则化比较法[28]等，其中以γ值比较法在临床上应用的最为广泛[29]。但是以上评估方法是在开展IMRT质量控制的早期阶段创立的，均存在着一些不足；虽然在不断地改进，但是始终无法验证患者体重作用于病床后对剂量的影响以及图像引导放疗移位后对IMRT质控的影响。Ehler等[30]采用3D打印技术结合RANDO模体的CT影像，制作出仿真的RANDO模体，并在仿真模体内部放置胶片和热释光探测器并进行放疗绝对剂量的测量，结果表明，3D打印的仿真模体能很好地模拟RANDO模体的等效电子密度，绝对剂量的测量结果存在1.1%的偏差；同时，3D打印模体的剂量测量解析结果表明，3D打印模体能很好地反映模体表面的剂量偏差，而传统的IMRT质控方法无法反映出这方面的差距，进一步显示了3D打印在质控方面的优势；此外，内置探测器的3D打印模体也能很好地模拟人体重量和图像引导放疗移位后对人体剂量变化的影响。

5 小结与展望

3D打印技术以其个体化和精确化的特点，为放疗质控和研究提供了一种新的技术手段。3D打印技术不仅能精确地制作各种实体模型，还能制作出最适合患者的个性化模体，可最大限度地提高放疗精度。虽然3D打印技术具有高精确、可重复性等优点，但其也存在不足之处，比如3D打印耗时长、制作模体尺寸有限等。但相信随着科技的进步，这些缺点定会得到解决，3D打印技术也会造福更多的肿瘤患者。