3D打印技术在放疗中的应用进展

湖南省肿瘤医院/中南大学湘雅医学院附属肿瘤医院 放射物理技术部，湖南 长沙 410013

引言

目前，肿瘤治疗的三大手段是手术、放疗与化疗。放疗是治疗肿瘤有效且必不可少的方法，根据世界卫生组织统计表明，约50%～70%的肿瘤患者需要接受放射治疗[1]，如何提高放疗质量和实现精确放疗一直是放疗界关注的重点。近年来，3D打印技术由于其具有数字化、网络化、个体化、定制化、打印精度高、操作简单等特点，能够方便快捷地制作出各种精细、结构复杂的产品，从而实现尽可能提高放疗靶区的剂量，降低周围正常组织的损伤，有效地提高放疗的治疗精度和安全性，已成为放疗界关注和研究的焦点。本文就3D打印技术的原理、实现方式以及其在放疗各个方面的应用进展做一综述。

1 3D打印技术及其实现方式

3D打印与普通打印的工作原理类似，但在成型方法和打印材料上存在着不同。3D打印技术是一种利用热熔喷嘴、激光束等方式，将塑料、金属、高分子材料、陶瓷粉末、组织细胞等材料按照电脑创建的三维设计图，以“分层制造、叠加成型”的方式来制造三维物体的技术[2]。该技术由于可以制作任意复杂几何形状的实体，极大地降低了结构复杂产品的制造难度，并且在很大程度上提升了生产效率，具有成型精度高、重复性好、可实现产业化生产等优点。这些优点是传统工艺无法比拟的，因此又被称为“具有工业革命意义”的制造技术[3]。

目前，3D打印技术的实现方式主要有以下三类：选择性激光烧结（Selective Laser Sinering，SLS），立体光固化成型（Stereo Lithograpy Apparatus，SLA），熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）等[4-6]。几种实现方式的优缺点如表1所示。

表1 3D打印技术的几种实现方式对比

2 3D打印技术在制作放疗组织补偿膜方面的应用

放疗的宗旨是尽可能地提高靶区的剂量，同时让正常组织受到的剂量尽可能少[7]。在放疗领域中，有一些很难提高靶区剂量的肿瘤，比如鼻腔NKT淋巴瘤、晚期鼻咽癌、根治术后需放疗的乳腺癌等等，这些肿瘤患者的放疗靶区大部分在浅表部位，由于高能射线建成效应的影响，肿瘤靶区的剂量很难提高[8]。因此需要为放疗患者制作组织补偿膜来获取满意的放疗剂量分布。

组织补偿膜的常规制造方式是利用石蜡等组织等效材料，根据所需的大小制作后直接覆盖在患者肿瘤部位的皮肤表面。该种方法制作出来的补偿膜与患者贴合性较差，而且容易松动，放疗过程中容易造成剂量偏差。3D打印技术可快速精确复制放疗患者的外轮廓信息，并制作个体化的放疗组织补偿膜[9]。与常规的补偿膜制造技术相比，3D打印技术具有以下优势：① 可为患者“量身定制”复杂精密的组织补偿膜，提高放疗患者剂量的精确性，从而减少放射性并发症发生的概率；② 计算机控制的3D打印系统易于实现标准化操作和评价；③ 3D打印的精度可达100 μm，可满足放疗补偿膜高精度的要求[10]。用于制备个性化补偿膜的3D打印材料主要为一种新型的具有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解材料——聚乳酸（Polylactic Acid，PLA），其主要由可再生植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。前人研究应用3D熔融沉积技术以及高分子材料PLA制备了电子线组织补偿膜，在3D打印完成后，利用CT扫描验证了3D打印组织补偿膜和普通补偿膜与实际人体嵌合和校准的精度差异，结果显示利用3D打印技术制备的组织补偿膜与人体贴合能力更强，更精确；且在剂量分布对比上，3D打印的补偿膜减少了电子束对周围正常组织的放疗散射剂量[11-13]。此外，Su等[14]以仿真人体模型为基础，比较了蜡模、热塑成型补偿膜以及使用3D打印技术的PLA补偿膜在靶区均匀性和适形度上造成的影响差异，研究显示使用3D打印技术的PLA补偿膜，靶区的适形度和均匀性最好。侯彦杰等[15]利用3D打印硅胶补偿膜，制作了个性化、材质舒适、摆位重复性和贴合性好的3D打印硅胶补偿膜，相比PLA补偿膜，能完全消除补偿膜与胸壁之间的空气间隙问题，放疗剂量更为精确。

由此可以看出3D打印技术可以更好地帮助放疗患者制作个体化的组织补偿膜，确保放射治疗过程中的精确性和舒适性。

3 3D打印技术在制作射程补偿器方面的应用

射程补偿器能确保质子治疗的Bragg峰后沿恰好落在放疗靶区的边界上，是质子治疗的重要使用部件。目前，3D打印技术已在质子射程补偿器制作方面得到了广泛的发展。Ju等[16]比较了3D打印机制造的补偿器（RC_3DP）和传统数控铣床制造的补偿器（RC_CMM）在质子治疗中的各种性能，发现这两种补偿器几何精度测试合格率分别为99.5%和92.5%，差异不大，且在剂量特征和内部密度的均一性上两者亦没有显著性差异。因此，他们认为RC_3DP的物理精确性和剂量特征与传统的RC_CMM相当，但前者具有操作系统小型化的显著优势。

Michiels等[17]在口咽癌患者的质子治疗中使用了3D打印技术制作了浅表性病灶的皮肤补偿膜和质子射程调节器。与传统的解决方案相比，使用3D打印技术的方案可以减少3%的平均口干概率，降低2.7%的吞咽困难症状。

Wochnik等[18]在儿童脑部肿瘤的质子治疗中，使用3D打印技术制作个体化的射程补偿器和射野补偿器，结果显示可以进一步减小空气间隙，从而减小质子散射。对离射野等中心较近的器官比如甲状腺，散射剂量很低，不会导致二次辐射的增加。

图1显示了质子射程补偿器的制作工艺流程图[16]。利用3D技术制作射程补偿器，首先以放疗患者的CT图为基础，利用放疗计划系统确定射程补偿器的尺寸以及位置；然后提取补偿器的三维立体数据资料，并进行体积重建；利用Virtual RC软件将其转化为3D打印机通用的STL数据格式；然后传输数据至3D打印机；最终实现射程补偿器的3D打印[16-17]。

图1 质子射程补偿器的制作工艺流程图

4 3D技术在后装放疗方面的应用

后装放疗又称为近距离放疗。近年来，后装放疗由于其能够保证肿瘤靶区高剂量的同时，最大程度地减少毗邻正常器官的剂量，已成为了多数肿瘤体外放疗的一个重要补充。在后装放疗中，后装施源器作为主要载体，其性能和质量密切影响着后装治疗的效果。目前，在后装放疗中，施源器主要来源于荷兰产的Flecher施源器或环形施源器，但该施源器基于欧美人的生理条件设计，并不适合大多数中国患者；且该类施源器由于大小和体积是固定的，很难适应个体化差异[19-20]。目前，利用3D打印技术制作个体化后装施源器在后装放疗中得到了一定的应用。Cunha等[21]利用PC-ISO材料制作了个体化后装施源器，研究通过三维扫描，将患者病灶结构轮廓实体模型转成数字化模型，制作了与患者阴道、穹窿等解剖轮廓高度契合的个体化多通道施源管与插值模板一体化成型施源器。研究得出，结合3D打印技术制作出来的PC-ISO材料的施源器与常规的施源器相比，形状和大小更贴合人体实际，能够对肿瘤实现精准剂量覆盖，且大幅降低正常器官的受照剂量，提高局部肿瘤控制率及生存率，降低正常组织的损伤。王彬冰等[22]制作了一种经阴道3D打印后装腔内联合组织间插植治疗个体化模板，比较该采用3D打印个体化模板方法和徒手插植方法的剂量学和操作安全性差异。结果显示3D打印个体化模板方法对比徒手插植方法有剂量学优势，并且操作更安全，实际治疗可达到预计划剂量设计要求。赵志鹏等[23]利用3D打印技术制作的辅助插植模板可以有效弥补现有标准化施源器在ⅢB期宫颈癌临床后装治疗时大体积靶区剂量的不足,为晚期宫颈癌后装治疗提供了较为有效的方法。张永侠等[24]将3 D打印组织间插值模板应用于局部晚期宫颈癌的后装治疗，结果显示插植针调整时间更短，治疗针数更少，患者痛苦小。

在后装治疗中结合3D打印技术，不仅能够满足患者的个体化需求，提高后装放疗质量，而且能够解决传统施源器装置分部件加工成型问题，有效避免患者在使用过程中出现划伤、减少患者疼痛，减少医疗风险。

5 3D打印技术在放疗剂量验证方面的应用

放射治疗是利用电离辐射杀死肿瘤的一种治疗手段。由于放射治疗具有不可逆性，放疗剂量验证模体成为了放射治疗中一个必不可少的重要工具。剂量验证模体可以用来模拟射线与人体组织器官相互作用，对新放疗技术进行临床前的验证，对放疗计划做个体化剂量验证。目前，剂量验证模体可以分为标准模体、均匀模体和仿真模体。其中，仿真模体以人体的各组织的等效替代材料加工制成，是目前最贴合实际人体的剂量模型。

3D打印在制作个体化验证模体上已逐步展现出优点[25-26]。Jung等[27]曾基于放疗患者的CT图像，通过设置特定的CT值，利用3D打印技术分别为6位接受赛博刀SBRT治疗的肺癌患者制作了肺模型，并基于该模体通过使用EBT3胶片剂量仪研究了赛博刀的基于个体化肺模型的肺跟踪系统（Fiducial-Based Target Tracking System，FTTS）与X线实时肺部跟踪系统（Xsight Lung Tracking System，XLTS）投照的精确性。作者通过分析，得出FTTS的头-脚、左-右、垂直方向的平均误差均比XLTS小。此外，3D打印在微型立体定向放疗（Micro Stereotactic Radiotherapy，Mirco-SBRT）的质量保证方面上也得到了一定的应用。近年来，Micro-SBRT在临床应用上发挥着越来越重要的作用，但随着放疗技术的精度提高，Mircro-SBRT输出剂量的验证已成为一大难题，其原因在于缺少验证三维剂量分布的有效方法。Bache等[28]利用3D打印技术为其定制了个体化的微型剂量验证模型，定制的模型分辨率可达0.5 mm3，能够满足Mirco-SBRT技术高分辨率的剂量验证要求。杨元佳等[29]通过3D打印了放疗患者真实的胸部外轮廓，内部用等效组织材料填充得到剂量验证仿真体模。该3D打印体模与真实人体相比较，具有外形相似性、内部结构仿真性、组织辐射等效性等特点，可以精确仿真人体结构实际情况，帮助临床更精确地完成剂量验证，为病人治疗提供更加安全的保障。但是这些内部等效组织材料的CT值测量结果并不理想，与真实人体相比，骨骼的误差为22%，肺组织误差为1.2%，软组织误差8%，肿瘤靶区误差5.8%。

6 总结与展望

近年来，放射治疗正朝着精确治疗的方向发展[30-32]。精确放疗，顾名思义，即要求在患者治疗的每个环节都做到精确——“精确定位、精确计划、精确治疗”。而精确放疗最关键的即实现放疗各个环节的个体化。随着3D打印技术的优势不断的体现，该技术正以其独特的技术特征优化和改良了放疗的各个流程环节。利用3D打印技术可以为每位患者定制个性化的放疗必需品，保证患者在治疗过程中受到精确的照射，从而减少放疗后并发症的发生，提高患者的生存率。但是，目前我国3D打印技术目前并没有普及到放射治疗的各个方面，主要原因有以下方面：① 高精度的3D打印机和国外的三维重建软件都比较昂贵，普通放疗单位难以出资采购，而国产三维重建软件应用效果不佳；② 3D打印放疗用品的平均耗费时间较长，以打印组织补偿膜为例，从患者CT图像采集、补偿膜设计到打印完成，平均耗时在4 h以上[33]；③ 尚未研发出足够多的3D打印材料。不同放疗患者所需3D打印材料的特性不同，需要考虑材料的柔软度、贴合性、电子密度、刚性强度等[33]。随着我国在3D打印材料的研发、加工工序及专业人才的培训等方面投入力度不断加大，3D打印将会在放疗领域得到更广泛的应用。