基于3D打印的个性化体模在放疗剂量验证的研究

孙海涛，李吉友，王宁

中山市中医院 放疗室，中山市，528400

0 引言

目前，放射治疗已经成为肿瘤的三大治疗手段之一，其地位尤其重要。据文献统计，70%的恶性肿瘤治疗的某一阶段需要放射治疗的帮助[1]。放射治疗是利用放射线对肿瘤靶区进行照射，利用对肿瘤的辐射损伤从而达到杀死肿瘤细胞的目的。现代放疗技术正朝着“精准定位、精准设计、精准治疗”的方向发展。

放疗从三维适形发展到调强放射治疗、旋转调强等技术，能够将高剂量区域限制在靶区体积范围内，同时满足靶区适形与剂量适形，提高治疗增益比。随着照射方式的发展，治疗前的剂量验证也至关重要，而目前临床上使用的剂量验证体模大都为均匀体模，不能体现每个病人不同的解剖结构，测量不准确。因此设计能够个体化体现病人特征的三维剂量验证体模，对进行更准确的剂量验证有很大的帮助，对提高放射治疗精度也比较有益。随着三维（3 Dimensional,3D）打印技术的出现与快速发展，根据不同人打印出个体化人体器官已经不是难题，将其应用于精准放疗背景下的剂量学研究有着重要的价值。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。

下面对一种个体化的3D打印三维体模进行剂量验证做一综述，3D打印技术可极大限度地模拟人体的解剖结构、轮廓外形、肿瘤解剖结构及其他危险器官等组织的解剖结构，制作出合理有效的剂量验证模体[2-5]。从而为治疗计划的改进、增加肿瘤的受照剂量及减少危及器官的受照剂量提供更有力的依据，增加肿瘤的治愈率，降低肿瘤的复发率，在肿瘤治疗的临床应用上有着重大意义。

1 当前放疗发展现状

放射治疗的每一步要求做到精准化，其步骤包括：体模阶段、治疗计划的设计、治疗计划的确认和治疗计划的执行。体模阶段要求放疗技师对病人进行临床要求的摆位，并用螺旋CT进行扫描，并将含有定位信息的CT图像传到计划系统（treatment planning system，TPS）中，并由肿瘤科医生对图像中的肿瘤靶区进行勾画。治疗计划的设计要求物理师根据医生开的病人的剂量处方做计划，该步骤至关重要，若剂量给得不足会导致肿瘤较易复发，剂量给得过高则会引起病人的不良反应，正常组织的损伤也会很大。因此，做好计划之后要经医生确认，确保剂量的准确和可靠。否则，需要重新拟定治疗计划。

目前，TPS计划系统获取患者的受照射剂量分布一般是通过对勾画出的靶区进行合理的布野、条件限制以及设置计划参数后进行计算所得，但这种方式获取的是理论值，并非实际受照射剂量。而在通过放疗对患者进行治疗时，只有知道患者的实际受照射剂量，才能够更好地把握放疗时的剂量，以避免剂量过多导致额外剂量辐射和剂量过少导致肿瘤高复发。放疗流程较为复杂，整个过程有诸多因素会导致放疗出现剂量误差。因此对放射剂量质量控制在整个放疗过程中属于重中之重。测量放疗剂量，目前常用的方法是用一个统一的体模或测量设备（如Delta4和ArcCHECK4D等基于中心探头矩阵的三维测量工具）来模拟人体，以进行放疗剂量的测量。这种方式能够有效地测量调强和三维适形的放疗剂量，但由于他们均为标准测量组件，不能根据患者实际解剖结构、轮廓外形和肿瘤解剖结构来自由定义测量条件，因而必然导致测量结果不完全准确，即无法获取肿瘤靶区实际受照射剂量和剂量分布情况。

从患者治疗计划的设计到治疗实施过程的各个环节都会产生一定的误差，这其中的误差大致包含了三个部分：①来源于治疗计划原始数据的误差，计算机调用的治疗机机器参数是在实际测量的有限数据中拟合出来的，本身存在一定的误差，而且作为其数据来源的实际测量的数据在获取时也包含了测量误差；②算法误差，当前的剂量算法，不管是Philips pinnacle的串筒卷积（collapsed cone，CC）算法，还是CMS XIO的超级迭代算法和快速傅立叶卷积（fast Fourier transform convolution，FFTC）算法，以及目前计算最为精确的蒙卡（Monte Carlo，MC）算法都存在一定范围的计算误差，BRAGG等研究了超级迭代算法、快速傅立叶卷积算法、笔形束算法以及蒙卡算法[6-9]，发现这些算法计算的剂量都与实际剂量值存在一定的误差；③治疗实施时的机器误差，这部分的误差包括：机器是否按照预设的计划实施了照射，剂量的传递是否准确以及治疗机本身的误差等。ICRU24号报告指出，原发灶根治剂量的准确性应好于5%，靶区剂量偏离最佳剂量时，就有可能使原发灶肿瘤失控或并发症增加，从而可能导致治疗失败。正因为调强放疗过程存在诸多不确定性，因此我们必须在治疗实施前对调强放疗计划进行剂量学验证。

2 剂量验证在放疗中的应用与发展

2.1 剂量验证方法简介

目前，剂量验证的方法分为绝对剂量验证和相对剂量验证。绝对剂量验证的方法有指形电离室、水箱等，而相对剂量验证有胶片剂量计、二维电离室矩阵Matrixx、热释光剂量计、Delta4三维电离室体模、ArcCheck4D四维电离室体模等[10-14]。这些方法均使用广泛且方便可行，比如二维电离室矩阵Matrixx就能够很方便地对病人的治疗计划进行剂量验证，为各大医院广泛采用。Matrixx是二维电离室矩阵，中间有一层探测剂量的空腔，由许许多多的小电离室紧密排列而成，并且上下各放一块固体水，能较精确地测量二维剂量分布。Matrixx仅仅需要测量照射的某一面的剂量分布即可，在照射之后可用软件进行剂量的验证，用Gamma算法对实际测量结果和TPS系统计算的结果进行分析，结果方便直观。

前人的研究结果证明，实际机架角剂量验证的γ通过率更接近真实情况，建议用实际机架角进行剂量验证。Delta4三维剂量验证系统是由两个正交的二维半导体探测器矩阵嵌在圆柱体模体中，共有1 069个P型圆柱形半导体探测器，具有各向同性的特性，没有角度依赖性，可完成任意角度的测量。ArcCHECK验证模体作为一个四维的探测器阵列，特别应用于旋转调强验证计划，模体是一个直径21 cm，长度21 cm的圆柱形，通身1 386 个二极管探测器，都能与所测射野垂直[15]。这两种方法都能够有效地测量靶区剂量及剂量分布，为临床所应用。虽然这两种方法均能排除角度响应的干扰误差，但是它们都是圆柱体体模，无法模拟人体的解剖结构轮廓。人体内部的各种器官、组织的衰减系数都不一样，而且内部会有组织空腔差异。而圆柱体体模得出的剂量测量结果与实际受照剂量结果还是有差异。

2.2 仿真模体在剂量验证的应用

早在上世纪80年代，已经开始进行人体仿真辐照体模的研制，例如成都剂量体模（Chengdu dosimetric phantom，CDP），它用于放射诊断、治疗、防护、教学及研究中作为人体替身，外部形态和内部结构与人体相似，用与人体组织辐射效果相近的材料制成[16-18]。在体模内设置有测试射线的传感器，在脏器的多发病部位设置有安放病灶模拟体的孔穴，用于测量剂量，替代活体进行试验。辐射组织等效材料的设计和制造是仿真辐照体模的关键技术，辐射组织等效材料通常是指元素组成、分子结构、对射线的辐射和散射吸收等特性与真实人体相似或相当的材料。用仿真辐照体模替代活体进行试验，对各种放射治疗诊断设备和安全防护仪进行定期或使用前的标定，保证了病人和操作人员在放射治疗和诊断过程中的安全。但这些仿真辐照体模一般需要通过相应的研究公司进行购买，而且价格昂贵，更重要的是这种体模是一种标准型体模，不代表某一病人个体，不具有特异性的特点。随着3D打印技术的出现与快速发展，很多人开始利用3D打印的器官或体模，填充等效人体组织材料以后模拟辐射剂量在真实人体中吸收情况[3,11]。

3 基于3D打印技术的体模制作方法

一般的流程方法是先获取病人的医学影像CT图像，由物理师做好相应的治疗计划，得到医生的确认，做好定位验证工作；将CT图像导入到Mimics软件当中，选择需要打印的部位进行三维重建，根据勾画出的肿瘤靶区图像和CT图像进行三维建模，将CT图像的各个部分绘制成与实际形状一致的三维薄层空壳组件，使用3D打印机打印出各个三维薄层空壳组件；使用组织辐射等效材料填充靶区对应的空壳组件；将各个填充好的空壳组件组装成人体模拟体模；插上指形电离室，用CT扫描体模并重建图像，将其导入TPS系统中，将之前做好的治疗计划移植到体模上，做好质量保证（quality assurance，QA）并将验证计划导入直线加速器系统；根据实际摆位方式和放疗计划，对人体模拟体模进行照射；用指形电离室测量待测区域的剂量，并与计划系统上其对应位置的剂量值进行对比和评估。

3.1 基于3D打印技术的体模制作流程

基于放疗病人定位时的CT图像重建出病人各个器官三维空壳结构，并将其利用3D打印机打印，找到合适的辐射等效材料进行人体等效材料填充，得到与人体结构相似且CT值也相似的剂量验证体模。定位时获取的CT图像都是灰度图像，准确地分割出每个器官及肿瘤也是问题的重中之重。参考临床医生勾画的各个器官与肿瘤靶区，并利用阈值分割等方法对基础图像分割，并利用相关的处理医学图像的软件进行三维重建，得到可以打印的三维结构。该体模设计制作完成之后可以应用的情况有：测量目标包括靶区和组织器官。同时实现对靶区和组织器官进行受照射剂量的测量，能够检测靶区的受照射剂量和组织器官的受照射剂量，保证合理地实施放疗，降低对组织器官的辐射污染，并保证对靶区的合理照射量，从而尽可能增大对肿瘤的控制率和降低放疗辐射。

3.2 基于3D打印技术的模型打印

对于目前的3D打印技术来说，有一些结构是不能直接进行打印的，还需要进一步的处理，而且人体组织器官有一些之间会有交互关系，打印得到的结构可能无法进行组装，综合这些问题，打印之前需对重建的三维模型进行适当调整，使其变成当前技术可以实现的模型，又不影响各个器官的打印精度。最后将模型以标准库模板（standard template library，STL）格式导出，拷贝到如锐打400光敏树脂3D打印机器上，选择需要打印的模型进行打印。模型用光敏树脂材料进行打印，其密度约为1.1 g/cm3，只比水的密度稍大一点，可以模拟人的薄层皮肤组织。打印技术为光固化成型技术，骨骼的打印材料用石膏粉末进行打印，用的是三维打印粘结成型（喷墨沉积）技术。为了测试石膏打印材料是否满足本研究，将石膏打印出的骨骼用CT进行扫描，得出这种材料的CT值大概在600～700 Hu之间，而在软件上得到的骨骼模型的平均CT值为400 Hu，有一定的偏差，打印3D模型前，需要将模型导入到Magics软件中，进行加支撑操作，让模型能够满足3D打印机。如果没有这步操作，模型将打印失败。用光敏树脂打印，平均每块需要打印五六个小时。打印结束后，将模型取出，进行去支撑处理，并用90%酒精将模型进行洗涤，利用相似相溶原理将模型表面的树脂洗干净，最后将模型放置于紫外光机器中进行照射，即完成打印操作。

3.3 3D体模组织等效材料填充

辐射等效材料的依据是C T 值相近，从Mimics软件中，查看模型的特性，即可得到模型的组织结构的平均CT值，数据如表1所示。

表1 模型区域的平均CT值Tab.1 The average CT value of the model region

对3D打印空壳组件进行组装，按照其真实的CT值进行等效材料的配比。实验用到的材料为聚氯乙烯（polyvinyl chloride,PVC）和增塑剂，借鉴HASEGAWA等[18]的方法，将配比计算出来，其函数公式为y=6.908 3x－65.564 5，x为PVC和增塑剂的比值，y为CT值。根据这个关系，即可计算出材料的配方。将所需材料倒入烧杯中加热至一定温度，不断搅拌材料，直至材料变透明并静置至气泡消失。趁热将材料倒入模型当中，待冷却固化即可。由于骨骼对剂量衰减较大，为尽量模拟真实人体骨骼情况，一般需要做出骨骼的阳模阴模，阳模即用随便一种材料3D打印出骨骼模型，然后将骨骼模型置于一个容器当中，将一种加热材料注入到容器当中，待这种材料冷却凝固，将里面的骨骼阳模取出，即做成阴模。再往阴模里面灌注骨骼的等效材料，这种材料为白水泥与增塑剂进行一定的配比，其CT值取为所需值，待材料冷却凝固成型，从阴模中取出，即可做出具有所需CT值的骨骼模型出来。

3.4 计量验证的实施

将用等效组织材料填充好的体模放在CT模拟定位机下，插好指形电离室，进行扫描，将CT图像导入到TPS系统当中，在CT图像中逐层勾画出电离室的有效测量体积，将病人的IMRT计划移植于体模中进行剂量计算，并记录有效测量体积的平均剂量。将体模放置在真空垫上置于直线加速器下，按照病人治疗的定位信息进行定位，将移植后的治疗计划导入到直线加速器中，在相同的条件下插好指形电离室，打开治疗计划对体模进行照射。并记录指形电离室的剂量测量读数，与在TPS系统上所计算的剂量进行对比、评估。

4 小结

近年来3D打印技术发展迅速，在很多领域中都取得了成功应用。目前，梁岩等[3]将3D打印应用于肺癌肿瘤中；高莹等[5]获得了肿瘤放射治疗剂量个体化验证仿真体模及建立方法的专利授权；戎帅等[19]研究了基于3D打印技术的腰椎多节段峡部裂个性化手术治疗。这些为此技术应用于体模设计奠定了基础，随着3D打印技术的进一步发展，可利用的材料不断丰富，个体化剂量验证体模的设计将更便利，价格更经济。使用基于3D打印和组织等效技术所设计的个体化放疗体模进行剂量验证，很大限度地模拟了人体的解剖结构、轮廓外形、肿瘤解剖结构及其他危险器官等组织的解剖结构，制作出合理有效的剂量验证模体。它可以获得人体肿瘤实际的受照剂量及剂量分布情况，为放射治疗的实施提供更加真实的测量数据，从而为改进治疗计划、增加肿瘤的受照剂量及减少危及器官的受照剂量提供更有力的依据，提升肿瘤治愈率，降低肿瘤复发率，在肿瘤治疗的临床应用上有着重大意义。