基于3D打印的组织补偿模在放疗领域的应用与研究进展

孙海涛，王宁

中山市中医院 放疗室，广东 中山 528400

引言

目前，放射治疗已经成为治疗肿瘤的三大手段之一，其地位尤其重要。据文献统计，70%的恶性肿瘤患者需要不同程度地接受放射治疗[1]。放射治疗利用放射线对肿瘤靶区进行照射，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。放射治疗技术经历了传统3D适形放疗、调强放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT），以及目前常用的旋转容积调强（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT），实现了将高剂量范围限制在靶区体积区域内，能够同时满足靶区适形与剂量适形的要求，提高治疗增益比[2-3]。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，不能体现每位患者解剖结构的不同，测量不准确。因此设计能够个体化体现患者特征的组织补偿模进行更准确的剂量验证，对提高放射治疗精度也比较有益。随着3D打印技术的出现与快速发展，个体化打印出人体器官模型已经不是难题，而其在精准放疗背景下的剂量学研究中的应用有着重要的价值。本文就3D打印组织补偿模在个性化放疗剂量验证中的应用现状和研究进展进行了综述。

1 当前放疗发展现状

放射治疗的每一步都要求做到精准化，其步骤包括体模阶段以及治疗计划的设计、确认和执行阶段[4]。体模阶段要求放疗技师对患者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图像传到治疗计划系统（Treatment Plan System，TPS）上，并由肿瘤科医生对图像中的肿瘤靶区进行勾画。治疗计划的设计阶段要求物理师根据医生开的患者的处方剂量做计划，该步骤是重中之重，因为如果剂量不足会引起肿瘤复发，而剂量过高则会使患者发生不良反应，且对正常组织的损伤也会很大。因此，做好计划之后一定要跟医生确认，也就是治疗计划的确认阶段，要给医生看相应靶区的剂量能不能达到治疗要求，并且需要做好剂量验证的步骤。只有剂量验证的结果偏差在可接受的范围内，才可以真正执行接下来的治疗计划。否则，需要重新拟定治疗计划。

目前，获取患者辐射剂量的方法是通过TPS计算靶区剂量和处方剂量。这种方法的结果只是理论值，而不是实际的辐射剂量。只有多注意患者的实际剂量，才能更多地了解实际放射剂量，避免肿瘤复发。放射治疗过程的复杂性会导致整个过程的许多因素都可产生剂量误差。对于辐射剂量的测量，常用的方法是使用统一的体模或测量设备来测量辐射剂量[5-6]。Delta4和Archeck 4D测量方法可以有效测量IMRT和VMAT计划剂量的分布情况。但由于其应用的均为商用标准测量组件，不是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的，所以测量结果必然与实际人体组织解剖结构不完全相同，也就无法获取肿瘤靶区实际受照射剂量和剂量分布情况。

患者从治疗计划的设计到治疗实施的每一个环节都会产生相应的随机误差，其误差来源主要包括三个部分：① 放射治疗计划原始参数数据的误差来源：放射治疗计划系统参数是根据有限的实际测量数据拟合而来的，本身就存在系统误差，同时实际测量的数据在获取时也包含有测量误差；② 算法误差：目前的剂量算法主要包括Philips Pinnacle的Colapsed Cone算法，Cmsxio的超级迭代算法和快速傅立叶变换卷积算法，以及最精确的蒙特卡罗算法，根据不同的算法计算得到的计划剂量分布与实际剂量分布之间都会存在误差[7-9]；③ 治疗实施时的直线加速器机械误差，机械误差包括加速器是否按照预先设定的放疗计划实施照射，加速器输出剂量是否准确以及治疗机的激光灯、光距尺、等中心等外围设备是否精确等产生的误差。根据ICRU第24号报告，原发性肿瘤根治术处方剂量的准确性不应超过5%。如果靶剂量偏离最佳剂量，原发肿瘤将失去控制或增加并发症，可能会导致治疗失败，甚至造成严重的后果。由于在IMRT的整个过程中存在许多不确定因素，在实施IMRT之前，必须对IMRT计划的剂量进行验证。

2 3D打印技术在放疗中的应用与发展

2.1 3D打印技术在制作电子线挡铅模中的应用

针对某些特定疾病部位的放射治疗，如手术后电子线照射、皮肤表浅部肿瘤照射以及其他部位电子线3D适形放射治疗，用低熔点的铅来制作适形挡铅模不可或缺，其对于控制和提高电子线挡铅模的制作精度有重要的意义。但传统挡铅模制作流程繁琐复杂，挡铅模制作精度很难保证，而且制作工艺涉及热丝切割机的质量控制以及切割过程中热丝温度的掌控。在制作挡铅模的过程中，虽然可以通过控制加热丝的温度、泡沫的切割速度、铅水的浇注温度（约75 ℃）以及控制铅水浇铸的方式来控制电子挡丝铅模的随机误差，但热丝切割机不可避免的误差将导致模具泡沫表面出现不平整和粗糙。铅块在与阴模的接触面上容易形成小气泡，甚至造成表面不平整，对电子线挡铅模的精度和质量有很大的影响。阮长利等[10]开发了一套基于患者体表标志线的电子线挡铅模3D打印方法，这套打印方法与传统的电子线挡铅模制作方法相比，不仅能使电子线挡铅模的形状更加规则，而且还提高了电子线挡铅模的制作精度。

2.2 3D打印技术在制作个体化补偿模型中的应用

由于高能X射线和电子线的吸收剂量具有累积效应，可采用组织补偿的方法来增加浅表肿瘤的皮肤表面辐射剂量。目前在临床上普遍采用的是尺寸为20 cm×20 cm的Bolus补偿膜，它是具有一定厚度（0.5、1、1.5、2 cm）和柔韧性的方形补偿膜。但以乳腺癌患者和部分面部浅表肿瘤患者为例，治疗部位的体表往往不平整，补偿膜与人体皮肤贴合不紧密，凹凸不平的部分与补偿膜间会存在一定距离，而大大降低表面剂量，从而影响治疗效果。张敏等[11]利用3D打印技术制作出了光子线治疗中适用于外阴部、头面部等表浅肿瘤患者的个性化组织补偿物，结果表明采用3D打印技术得到的组织补偿材料不但能支撑和固定肿瘤表面，而且能将靶区适形指数控制在0.15～3（中位值0.06），靶区剂量分布均匀性好。有研究根据3D打印技术的特点提出了一种针对嗜酸性淋巴肉芽肿的个性化补偿模型[12-14]，它能更好地拟合外耳的轮廓和外耳道不规则的外轮廓形状，既能满足靶区的剂量要求也能降低靶区外热点的形成。Zou等[15]研究的是基于3D打印的补偿模在质子放疗中的应用，研究成果显示3D打印的补偿模型在质子放疗中可有效提高质子双散射治疗的效率。综上所述，3D打印技术在个体化补偿模型制作中的应用，对于提高目标辐射剂量的准确性、降低危及器官的吸收剂量具有重要意义。

2.3 3D打印技术在放疗质量保证中的应用

放疗计划质量保证通常使用MatriXX（IBA）或Mapcheck等平板探测器阵列，采集归一化角度后的计划数据，或使用Arccheck或Octavius等的3D计划验证系统进行质量保证（Quality Assurance，QA）验证，然后将测量数据与验证计划进行对比以判断放疗计划的准确性。目前剂量比较的主要方法有等效间隔法、伽马值比较法、正则化比较法等，其中伽马值比较法是临床应用最广泛的方法[16-19]。然而，上述评价方法都是在IMRT质量控制的早期阶段产生的，存在一些不足。虽然评价方法不断改进，但仍无法验证患者体重对剂量的影响以及放疗图像引导移位对IMRT质量控制的影响。Ehler等[20]利用3D打印技术结合Rando体模的CT图像制作了一个模拟Rando体模，同时在仿真体模内放置了胶片和热释光探测器来测量放疗的绝对剂量，结果表明3D打印出来的仿真模型能很好地模拟Rando体模的等效电子密度，绝对剂量测量结果的偏差为1.1%；另外，3D打印体模的剂量测量和分析结果表明，3D打印模具能很好地反映模体的剂量偏差，但传统的IMRT质量控制方法不能反映这方面的差距，这进一步显示了3D打印在质量控制方面具有较好的优势。

3 3D打印组织补偿模的体模制作方法

一般的流程是先获取患者的医学影像CT图像，由物理师做好相应的治疗计划，得到医生的确认后做好定位验证工作；然后将CT图像导入到Mimics软件中，选择感兴趣的区域进行3D重建，根据在CT图像上勾画出的肿瘤靶区图像和正常组织器官，将CT图像的各个部分绘制成与实际形状一致的3D薄层空壳组件；用3D打印机打印出各个3D薄层空壳组件后，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中，将之前做好的治疗计划移植到体模上，做好QA验证计划并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

基于放疗患者定位时的CT图像重建出患者各个器官的3D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，进而得到与人体结构相似且CT值也相似的剂量验证体模[21-22]。定位时获取的CT图像都是灰度图像，如何准确地分割出每个器官及肿瘤也是非常重要的问题。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进行分割，并利用相关的医学图像处理软件进行3D重建，就可以得到能打印的3D结构。经过体模的设计和制作，成形的3D模体可测量靶区和组织器官的受照射体积以及靶区和组织器官的辐射剂量，模拟真实人体的辐射剂量分布，保证放疗的合理实施，减少对组织器官的辐射损伤，提高肿瘤的控制率。

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，而且人体组织器官间会有交互作用，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3D模型进行适当调整，使其变成当前技术可以实现又不影响各个器官打印精度的模型。最后将模型以STL格式导出，将其复制到RUIDA400感光树脂等3D打印机上，选择要打印的模型。模型采用光敏树脂材料制成，其密度约为1.1 g/cm3，略高于水。它可以模拟人体皮肤组织的薄层。骨骼的打印材料为石膏粉，采用3DP技术，即3D打印与粘接（喷墨沉积）技术的联合。为了测试石膏打印材料是否满足研究的要求，将石膏打印出的骨骼用CT进行扫描，即可得出这种材料的CT值为600～700 HU，而在软件上得到的骨骼模型的平均CT值为400 HU，二者间有一定的偏差。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，让模型能够适用于3D打印机。如果没有这步操作，模型将打印失败。用光敏树脂打印需要5～6 h。打印完成后取出模型，取下支架，用90%酒精清洗模型，利用相似相溶原理[23]对模型表面的树脂进行清洗，再将模型放入紫外线机进行照射，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CT值相近原理，从Mimics软件中[24]查看模型的特性，即可得到模型组织结构的平均CT值，其中肺、骨骼（含骨松质）、肌肉的平均CT值分别约为760、400、30 HU。

对3D打印空壳组件进行组装，需按照其真实的CT值进行等效材料的配比。实验用到的材料为PVC和增塑剂，借鉴Sandborg等[25]的方法可将配比计算出来，其函数公式为y=6.9083x-65.5645，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中冷却固化即可。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和阴模，阳模即用随便一种材料3D打印出骨骼模型，然后将该骨骼模型置于一个容器中，再将一种材料加热注入容器中，待其冷却凝固后将里面的骨骼阳模取出即为阴模。再往阴模里灌注骨骼的等效材料，这种材料为白水泥与增塑剂按一定比例进行配制得到的，其CT值为所需值，待材料冷却凝固成型，从阴模中取出即为具有所需CT值的骨骼模型。

4 剂量验证的实施

将用等效组织材料填充好的体模放在CT模拟定位机下，插好指形电离室后进行扫描，将CT图像导入到TPS中，在CT图像上逐层勾画出电离室的有效测量体积，将患者的IMRT计划移植于体模中进行剂量计算，并记录该过程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，按照患者的治疗定位信息进行定位，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上所计算的剂量进行对比、评估。

5 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[26]将3D打印应用于肺癌的治疗；高莹等[27]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；戎帅等[28]报道了基于3D打印技术的腰椎多节段峡部裂个性化手术治疗的成功。这些研究为将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，其可利用的材料不断丰富，对个体化剂量验证体模的设计将有更大帮助，在应用方面也会更加方便实用，价格更经济。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的剂量验证，在很大程度上模拟了人体、肿瘤及其他危及器官等的解剖结构和轮廓外形，有利于制作出合理有效的剂量验证模体。因为它可以获得人体肿瘤的受照剂量及剂量分布的实际情况，可为放射治疗的实施提供更加准确的测量数据，从而为治疗计划的改进、肿瘤受照剂量的增加及减少危及器官的受照剂量提供更有力的依据，进而增加肿瘤的治愈率，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。