3D打印等效组织固定面罩在放疗中的应用

胡海芹 熊文敏 谢 琛 张怀文

临床放射治疗中，高能X线和电子线照射在人体表面时，由于散射线等存在剂量建成区域，在表浅肿瘤治疗时出现表面低剂量，因此临床一般使用组织等效物放置于治疗区域表面以提高表面剂量。胡逸民[1]总结临床常用的组织补偿材料有石蜡、聚苯乙烯、有机玻璃等，如使用物理密度为1.02 g/cm3湿纱布[2]、铝皮[3]、猪皮、商用补偿膜等。但大多数组织等效补偿材料与人体之间存在空气间隙。Sharma SC[4]、Kong M[5]研究了电子线照射时组织等效材料与人体之间空气间隙对剂量的影响。本课题探讨3D打印技术打印出的组织补偿应用于放疗对表面剂量的影响。

1 资料与方法

1.1 材料

选取江西省肿瘤医院放疗科近年来收治的肿瘤位置表浅、需要提高表面剂量的患者20例。对患者分别使用Klarity商用固定面罩和3D打印固定面罩。

1.2 方法

CT定位后，将图像导入系统，常规勾画计划靶区(PTV)，皮肤勾画时注意将3D打印固定面罩完全画入[6]。使用飞利浦计划系统(Pinnacle)分别设计在3D打印固定面罩和Klarity固定面罩情况下的治疗计划，计划采用Elekta 6MV光子照射方式进行设计[7]。

3D等效组织固定面罩及其制作方法：通过三维CT扫描采集个体化病例的表浅肿瘤数据，生成病例的三维数学模型导入软件，得到组织补偿区域的数学模型；基于病例肿瘤区的数学模型，通过软件模型设计得到所需补偿区域的数学模型；通过3D打印得到等效组织固定面罩；将等效组织固定面罩放入70 ℃恒温水箱，待面罩受热变软后固定在患者身上，将补偿区域完好覆盖在表浅肿瘤上，选取患者最为舒适的体位做放疗固定体位，待面罩冷置成型后通过CT扫描患者断层影像并传输至计划系统，实施患者放疗计划。等效组织固定面罩制作时需要患者现场模拟机确定靶区位置大小和空间分布。3D打印等效组织固定面罩技术很好解决了皮肤贴合性差、患者放疗固定差、患者舒适感差、个体放疗的需求、放疗安全性和组织补偿效果差等的问题。同时可根据临床需求制作任意位置和厚度的固定补偿膜。其流程见图1。

图1 3D等效组织固定面罩制作流程

2 结果

2.1 2种面罩在放疗中的应用效果比较

根据ICRU83报告定义均匀性指数(homogeneity index)：HI=(D2%-D98%)/D50%，HI越接近0表示靶区剂量越均匀；适形度指数(conformal index)：CI=(VPTV95%/VPTV)×(VPTV95%/VBody95%)，公式中VPTV95%是PTV中小于95%的剂量所包含的体积，VPTV是PTV的体积，VBody95%是身体中95%剂量所包含的体积，即治疗区。CI的取值在0～1，等于1时表示95%等剂量线体积与PTV 完全一致；等于0时表示95%等剂量线体积与PTV 完全没有重叠[8]。3D打印面罩计划与商用面罩计划比较：靶区D95PTV、HI、CI差异均有统计学意义(P<0.05)，见表1。3D打印面罩计划5000 cGy所包绕的PTV体积为95%，商用面罩计划5000 cGy所包绕的PTV体积为84%，见图2。

2.2 3D打印面罩提升皮肤表浅剂量的原理

根据TPS(治疗计划系统)计算结果和测量结果表明，放置3D打印等效组织固定面罩后，患者表浅的放疗剂量随着PDD(剂量深度曲线图)的增加而增加。见图3。

表1 靶区PTV比较

a：3D打印固定面罩对靶区剂量的影响

b：Karity商用面罩对靶区剂量的影响

图3 不同能量光子线在水中PDD随深度变化

3 讨论

对于表浅部肿瘤一直延用传统的治疗模式，组织补偿的厚度是固定的，没有考虑到人体表面的曲线结构和个体差异，等效补偿材料与固定面罩存在缝隙，常用的组织补偿物有猪皮、浸水纱布、石蜡等材料。同时由于传统组织补偿膜不能剪切，放置时容易脱落、与患者不能完全接触，导致一部分皮肤侵犯的患者放射治疗失败[9-11]。3D打印等效组织固定面罩按实际每个患者的位置要求来制作，保证每个患者专用。从制作面罩开始到患者接受治疗，3D等效组织固定面罩全程与患者贴合。在乳腺癌、隆突性皮肤纤维瘤和眼睑部皮肤细胞瘤等6MV的X射线和人体曲面有缝隙接触时，3D打印等效组织固定面罩技术能减少空气间隙，很好解决了皮肤贴合性差、患者放疗固定差、患者舒适感差、放疗安全性和组织补偿效果差的问题，表浅剂量上升显著，对于目前主要的调强和容积调强技术实现了放疗个体化的需求。但是3D打印等效组织固定面罩也存在着一些问题，首要问题是寻找一种能百分百替代人体组织的材料。3D补偿膜制作时间比较长、价格昂贵，尤其在制作批量等效组织固定面罩时，对3D设备的数量和质量要求较高。