基于3D打印制作放疗个性化头枕的剂量学测量研究

林发生，陈景强，陈榕钦，柏朋刚（通信作者），李一，全科润，戴艺涛，钱杰伟

1 福建省肿瘤医院·福建省医科大学附属医院放疗中心 （福建福州 350014）；2 福建省卫生职业技术学院医学技术系 （福建福州 350101）；3 南华大学核科学技术学院 （湖南衡阳421001）

放射治疗是治疗恶性肿瘤的3种主要手段之一，60%～70%的肿瘤患者需要接受放射治疗[1]。各种放射治疗技术的目的在于提高放射治疗的增益比，即最大限度地将射线剂量集中至肿瘤内，并使周围正常组织少受或免受不必要的照射[2-3]。头颈部肿瘤，特别是鼻咽癌是中国南方高发肿瘤[4]，放射治疗是当前鼻咽癌患者的主要手段[5]。鼻咽部周围紧邻重要的正常组织多，器官运动少，体位固定和重复性较好，因此鼻咽癌是最适合进行调强放射治疗（intensity modulated radiation therapy, IMRT）的肿瘤之一。目前，临床放射治疗实现了三精治疗，即精确勾画、精确设计、精确摆位。精确勾画与精确设计在计算机辅助设计充分引入放射治疗后有了飞速的发展[6]，其精度可以达到毫米级；但是精确摆位与技师、患者及多种因素相关，还无法跟上精确勾画和精确设计的脚步[7]。本研究针对鼻咽癌患者治疗中的标准化头枕在治疗摆位时的缺陷[8]，提出使用CT图像外轮廓的数据，经过图像处理，生成立体光刻（S Tereo Lithography，STL）文件格式的模型，设计出个性化敷贴的头枕，并利用3D打印技术制成3D头枕，对头枕的剂量衰减进行测试研究。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2019月1—5月在福建省肿瘤医院进行放射治疗的15例头颈部肿瘤患者，其中男9例，女6例；年龄38～81岁，平均（56.7±11.8）岁；6例头颈部肿瘤，3例脑部肿瘤，2例上颌骨部肿瘤，2例口咽部肿瘤，1例耳部肿瘤，1例腮腺部肿瘤。根据放疗医师处方设计IMRT计划，均设计为5～7个治疗野，其中至少1个射野的方向为头枕底部至头枕表面，该射野射线束能穿过整个自制头枕。这些治疗计划被作为后续测量验证使用。

1.2 3D打印模型制作

选取2018年10月在我院初诊治疗的鼻咽癌患者1例，患者采用仰卧位，平躺，再用头枕加热塑模固定，行Philips大孔径螺旋定位CT扫描，扫描范围从头顶至锁骨头上沿；扫描层厚为3 mm，将扫描图像传输至Pinnacle3计划系统，使用自动勾画功能提取患者头部外轮廓；然后在计划系统中逐层用长方形勾画出所有可见的标准化头枕的外轮廓，其中包括模型底部的固定圆柱；利用初步的头枕外轮廓，减去患者的头颈部外轮廓，生成头枕的初步外轮廓；再用此个性化头枕的外轮廓在计划系统中收缩3 mm生成个性化头枕的内轮廓；输出这2个头枕的轮廓和头部轮廓数据，使用自编软件实现轮廓数据至STL模型的成型；自编软件采用Python 3.5版，主要结合pydicom和VTK转换模块，然后在Autodesk的123D DESIGN（版本2.10.16）软件读取头枕和头部轮廓数据。

头枕模型的生成：利用头枕的外轮廓模型减去内轮廓模型生成初步3 mm厚的空心头枕，必要时在123D DESIGN软件中对头枕模型的局部锋利突出处进行修整；修整后，在123D DESIGN 软件中生成3 mm 厚15 cm×30 cm 的长方体；根据我院固定底板的尺寸，在长方体上合适的位置增加2个直径5 cm、高度0.4 cm的圆柱，并固定在标准固定底板上。

头部模型的生成：将头颈部的外轮廓收缩3 mm生成头颈部的内轮廓，使用其外轮廓减去内轮廓生成头颈部的3 mm厚的壳模型，根据德国PTW公司的UNIDOS剂量仪所配0.6 cc指型电离室（PTW30013）自带平衡帽尺寸，从头颈部模型顶部垂直设计一个空腔，为验证测量使用。

采 用 美 国 MakerBot 公 司 的 Replicator Z18打 印 机 进行3D打印，打印填充设置均选用聚乳酸（polylactic acid，PLA）40%；头枕模型为一次成型；头部模型分为上下2个部分（图1），打印完成后，分别对上下部分填充溶化后的石蜡，用来模拟头部内的肌肉。

1.3 验证计划设计及测量

在CT模拟机下，分别对头模型在标准头枕和3D打印的头枕上进行模拟患者定位扫描；扫描时均把指形电离室插入在头模型中，测量剂量仪为PTW UNIDOS；定位中心选择在电离室的中心位置，扫描层厚2 mm；然后利用Pinnacle计划系统的验证模块，将标准头枕扫描的一组图像作为验证体模；根据标中心点定好治疗中心，以治疗中心为中心层面勾画上中下3层电离室的空腔，设定感兴趣区域名为chamber；分别将15例IMRT计划中导入这一模体，计算出chamber平均剂量，然后根据治疗次数计算出单次剂量；在加速器（AxesseTM，Elekta公司）下使用图2中的3D打印头枕加头模型进行剂量测量。

图1 头枕上侧位（左）和底部（右）图像

图2 3D打印的头模型和头枕

1.4 数据处理

误差计算采用公式：误差（%）=（测量值-计算值）/测量值×100%。计算绝对剂量误差和相对剂量误差。

2 结果

2.1 计划系统计算结果与电离室加速器下测量结果

图3 为电离室的chamber计划系统计算值和加速器机下测量值。计划系统计算值平均为（197.8±37.9）cGy, 加速器机下测量值平均为（197.6±39.5）cGy。

图3 电离室中心点计划系统计算值和测量值

2.2 误差统计结果

图4 为测量中心点的根据误差公式计算出的误差百分数，平均误差（1.63±1.43）%，误差的绝对值平均为（2.84±1.80）cGy；最大误差为第5例病例，电离室测量值为101.1 cGy，计划系统计算值为95.18 cGy，误差为5.86%。

图4 测量与计划系统计算误差

3 讨论

对于剂量验证准确性的测量在最近的研究中主要是使用面验证的工具或三维验证的工具[9-10]。如使用MapCheck对于治疗时的验证，其缺点是把所有的治疗机架角度都归于0°来进行验证，这样实际上仅仅是验证单角度的多叶光栅的准确性和平面的剂量的准确性。而使用ARCCheck的剂量验证中，虽然不用把机架角度归于0°，但是其主要验证的也是一个曲面的剂量，对于实际剂量点缺乏三维空间上的准确充分验证。本研究采用最初始的验证方法，即电离室点剂量验证方法，该方法虽缺乏对剂量点空间分布性的准确验证，因仅测量空间中的一点的剂量，但还是一种实际可行的方案。

本研究中，15例IMRT计划基本都是误差小于3%左右，仅1例误差较大，为5.86%（图4）。仔细检查治疗计划设计过程，发现这例患者较为特殊，其靶区主要在两侧的腮腺位置，为了计划设计方便，计划设计者将2个靶区中间作为治疗中心，而该位置并不在肿瘤的靶区内部，因此治疗中心的点剂量仅为肿瘤靶剂量的50%，且此中心是在剂量跌落比较陡峭的区域。本研究使用的点剂量是勾画出小感兴趣区chamber的平均剂量，在剂量跌落比较陡峭区域计算的剂量会有较大误差，在研究团队以往的文章中也有具体的阐述[11]。因此需要避免采用此类中心位置进行验证测量。

本研究的另一个目的是为制作个性化头枕所进行的前期研究，根据扫描的2组CT图像（图5），其中a、c为使用标准头枕和3D打印头枕模型的横断面，因选取的均是中心层面，因此a图的后脑勺部位明显有宽大的空隙，而c图相应部位与头模型完全适形；从矢状图b、d的比较中也能够看到相同的结果。这可能主要是因为本研究使用的头模型是刚性的，造成患者头部与标准头枕之间的间距较大。而临床实践中，患者颈部柔性较好，与标准头枕适形度较好，因而会减少后脑勺与标准头枕底部的空隙，造成治疗实践中摆位误差变化方向的不可控性，特别是在患者后脑部与标准头枕有较大可移动空间的情况下，摆位误差的变化更加明显。此外，随着临床治疗的进行，由于患者消瘦等原因造成的误差也会增加。在未来的研究中，本研究小组还需进一步深入研究如何使用3D打印头枕来减少误差。综上所述，使用3D打印头枕代替患者的标准头枕，在40% PLA填充设置时可以得到与标准头枕相近似的结果，符合临床治疗的精度要求。

图5 标准头枕（a，b）和3D打印头枕（c，d）摆位图