3D打印技術(shù)在放療鉛擋塊制作中的應(yīng)用研究

阮長利 宋啟斌 張軍 吳冰 付敬國 周丁屹 鄭永法

[摘要] 目的 探討3D打印技術(shù)在放療鉛擋塊制作中的應(yīng)用效果。 方法 患者在模擬機(jī)上進(jìn)行擺位和體位固定，并拍攝定位片，根據(jù)醫(yī)生所勾畫靶區(qū)進(jìn)行研發(fā)的3D打印技術(shù)制作模型用于鉛擋塊的制作，制作好的鉛擋塊在驗(yàn)證柜上進(jìn)行固定，跟定位室拍攝的腫瘤靶區(qū)形狀比對，檢查燈光野及遮擋范圍與定位室拍攝腫瘤靶區(qū)形狀是否一致。 結(jié)果 3D打印射野鉛擋塊的制作，使照射野的形狀與靶區(qū)形狀吻合一致，并且使鉛擋塊的制作成本更加低廉、更加方便、更加準(zhǔn)確。 結(jié)論 3D打印技術(shù)制作射野鉛擋塊在放射治療中被證實(shí)為行之有效的、可以推廣的、成本更加低廉的鉛擋塊制作方法。

[關(guān)鍵詞] 3D打印技術(shù);射野鉛擋塊;精確放療;質(zhì)量保證

[中圖分類號] R815.2 ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-7210（2018）12（c）-0052-03

[Abstract] Objective To study the application effect of 3D printing technology in the manufacture of lead block for radiotherapy. Methods Patients in the simulator for placement and fixed position， and orientation films， according to the doctors by target areas for research and development of 3D printing to lead block is making model of production， making good lead block in the validation on fixed， with positioning chamber of tumor target shape， check wild and keep out of the light shooting with positioning room tumor target shapes are consistent. Results 3D printing of the production of the shooting field lead block makes the shape of the irradiation field coincide with the shape of the target area， and makes the production of the lead block cheaper， more convenient and more accurate. Conclusion 3D printing technology for the production of lead block has been proved to be an effective， popularizing and cheaper method for the production of lead block in radiotherapy.

[Key words] 3D printing technology; Field lead block; Precision radiotherapy; Quality assurance

3D打印技術(shù)是一種基于使用塑料等粘接材料的數(shù)字模型文件或粉末金屬，通過一層層打印形式實(shí)現(xiàn)物體模型的技術(shù)[1]。主要包括噴涂、鋪設(shè)和去除粘合劑[2]。即通過逐漸增加材料來實(shí)現(xiàn)制造，現(xiàn)在研究上都在思考如何利用3D打印技術(shù)來提高效率和降低成本。3D打印技術(shù)自誕生以來已經(jīng)有了很大的發(fā)展，隨著各種材料的應(yīng)用，它涉及到越來越多的領(lǐng)域。

在制造業(yè)中，3D打印技術(shù)主要用于模具制造等方面。可以在原始技術(shù)條件下生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)的高復(fù)雜度產(chǎn)品。在醫(yī)療設(shè)備中，3D打印技術(shù)主要是生產(chǎn)一些可以植入人體的設(shè)備和精細(xì)零件，如有些個人需要個性化的假牙和假眼等，也可以利用生物醫(yī)學(xué)高分子材料，智能打印出微觀結(jié)構(gòu)，主要有血管、大腦等部位植入微小設(shè)備如監(jiān)測儀、支架等[3]。更有學(xué)者將人類羊膜液衍生干細(xì)胞等各種細(xì)胞，作為3D打印機(jī)的基礎(chǔ)材料制作出人體各種器官[4]，荷蘭和比利時的科學(xué)家就在2011年為83歲的女性成功地種植加入了3D打印出來的下頜骨，通過簡單的手術(shù)裝入患者身上，現(xiàn)在患者康復(fù)狀況良好[5];3D打印技術(shù)現(xiàn)在也廣泛用于腫瘤治療領(lǐng)域，許多腫瘤醫(yī)院就是利用3D打印技術(shù)將放射粒子植入腫瘤患者體內(nèi)殺滅癌細(xì)胞[6-8]，還有的利用3D打印出體內(nèi)支架輔助腫瘤治療等[9]。未來3D打印技術(shù)的完善和發(fā)展，將逐漸改善醫(yī)療環(huán)境和促進(jìn)腫瘤醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。

如上所述，雖然3D打印技術(shù)在社會上都已經(jīng)得到快速發(fā)展，在醫(yī)療裝備領(lǐng)域也得到深入發(fā)展，但3D打印技術(shù)應(yīng)用于腫瘤放射治療領(lǐng)域幾乎沒有，現(xiàn)代放射治療技術(shù)快速發(fā)展，但在斗篷野放療、電子線放療等特殊照射野還是只能使用鉛擋塊放療，射野擋塊可以做到與靶區(qū)高度適形，更好地保護(hù)重要器官為目的，從而達(dá)到精準(zhǔn)放療減少并發(fā)癥[10]。但對于傳統(tǒng)的鉛擋塊模型切割機(jī)，不光投資成本太高而且制作鉛擋塊很繁瑣，為了適應(yīng)現(xiàn)代放療的發(fā)展，非常有必要研究制作成本更加低廉的鉛擋塊模型，用更加快捷的設(shè)備取代傳統(tǒng)的鉛擋塊模型切割機(jī)，因此，本研究通過3D打印技術(shù)快速準(zhǔn)確地制作鉛擋塊，并對制作的鉛擋塊進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證，以便能夠取代既昂貴又繁瑣的鉛擋塊切割機(jī)，為3D打印技術(shù)對腫瘤放療臨床的應(yīng)用提供實(shí)踐理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與軟件環(huán)境

聯(lián)想Lenovox 200筆記本電腦，深圳極光爾沃小型3D打印機(jī)，深圳極光爾沃CURA切片軟件，YN2D-A型全自動熱絲切割機(jī)，瓦里安SLS-23型模擬定位機(jī)Acuity，擋塊有機(jī)玻璃板，低熔點(diǎn)鉛，熔鉛爐，鉛擋驗(yàn)證柜，鉛擋澆灌模具。

1.2 鉛擋塊3D打印的基本步驟

3D打印技術(shù)模式，簡單來說就是以疊加成型的模式來構(gòu)造物體[11-12]，盡管3D打印技術(shù)的步驟基本相同，但是在分層的形式上有諸多方式。例如，本研究鉛擋塊3D打印技術(shù)就是熔融沉積成型，其工作原理是先將腫瘤靶區(qū)形狀通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維立體模型圖，然后將熱熔性材料（ABS）通過加熱器熔化，將材料抽成絲狀，經(jīng)送絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)熱熔噴頭，在噴頭內(nèi)加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，將半流動狀態(tài)的材料按3D打印機(jī)軟件分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠出，沉積在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料黏結(jié)，層層堆積疊加成預(yù)先軟件形成的三維立體模型。

1.3 方法

1.3.1 鉛擋塊的制作及固定 ?通過模擬定位機(jī)確定腫瘤靶區(qū)的形狀，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?D打印機(jī)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)里，在計(jì)算機(jī)上保存并打出相對應(yīng)的3D圖案，然后將其直接傳送到3D打印機(jī)的CURA軟件系統(tǒng)。3D模型的3D重建需要通過軟件打印，并通過3D打印機(jī)打印出腫瘤靶區(qū)相應(yīng)陽模具的泡沫形狀，并在泡沫陽模中標(biāo)記十字線的中心線，泡沫陽模與粘貼后的有機(jī)板的十字中心線對齊，在有機(jī)板中用電鉆鉆3～5個孔。安裝可調(diào)鉛塊澆注模，固定陽模，倒入低熔點(diǎn)，冷卻后移去泡沫并修剪鉛塊，最后用螺桿螺帽通過準(zhǔn)備的孔固定鉛塊，這樣中路放療鉛擋塊就生產(chǎn)完成。

1.3.2 鉛擋塊的驗(yàn)證 ?將定位板放置在驗(yàn)證柜的燈相臺板規(guī)定的位置上，再將鉛擋塊插入到驗(yàn)證柜中，在燈光野下和模擬定位機(jī)拍攝腫瘤形狀進(jìn)行比較。最后，采用驗(yàn)證膠片檢查定位膠片是否與射野及遮擋范圍一致，并驗(yàn)證誤差在允許的治療范圍內(nèi)或無誤差。

2 結(jié)果

通過鉛塊驗(yàn)證柜的燈光野檢測制作的鉛塊形狀跟腫瘤靶區(qū)邊界偏差只要小于2 mm就是合格的鉛擋塊。3D打印技術(shù)制作電子線射野鉛擋塊如圖1A與自動切割機(jī)制作的鉛塊如圖1B所示，很容易看出3D打印技術(shù)制作鉛擋塊與傳統(tǒng)的鉛擋塊切割機(jī)相比，3D打印技術(shù)制作的鉛擋塊切面更具有平整、光滑、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，開展該項(xiàng)技術(shù)以來對3D打印技術(shù)所制作的鉛擋塊和切割機(jī)制作的鉛擋塊隨機(jī)各抽取221塊，在驗(yàn)證柜上核對，結(jié)果見表1，最終3D打印技術(shù)制作的鉛塊合格率（合格鉛擋塊數(shù)/鉛擋塊總數(shù)×100%）為91%，自動切割機(jī)制作的鉛塊合格率為79%，有明顯的差異。

3 討論

隨著腫瘤治療發(fā)展到現(xiàn)代的數(shù)字化精準(zhǔn)放療時代，多葉準(zhǔn)直器（multi-leaf collimator，MLC）在現(xiàn)代放療中的應(yīng)用日益廣泛，但對有些不規(guī)則野，MLC肯定不能很好的適形，如大型“斗篷野”、電子線射野等其遮擋效果不如鉛擋塊[13]。射野鉛擋的應(yīng)用，較好地保護(hù)了正常組織和重要器官，并能鑄造出各種形狀的擋塊，使得靶區(qū)形狀與照射野形狀的高度一致，使腫瘤的放療更加靈活方便、準(zhǔn)確性更高、重復(fù)性更好，最終使放療過程誤差更小[14]。傳統(tǒng)的國產(chǎn)擋鉛模具自動切割機(jī)市場售價(jià)10萬元左右，而一臺小型3D打印機(jī)市場售價(jià)2萬左右，使用3D打印技術(shù)制作鉛擋塊比傳統(tǒng)的切割機(jī)制作鉛擋塊成本更加低廉，鉛擋塊斷面更加平滑、更加準(zhǔn)確、更加快捷所示。隨著放射治療質(zhì)量要求的不斷提高，鉛塊的生產(chǎn)對質(zhì)量要求也越來越高，因此，鉛塊生產(chǎn)的質(zhì)量控制就顯得尤為重要，3D打印技術(shù)制作的鉛擋塊合格率明顯高于切割機(jī)制作的鉛擋塊合格率。鉛擋塊的制作往往由于各種原因存在不同程度的偏差[15]，其質(zhì)量保證需注意以下問題：①主要生產(chǎn)商必須熟練使用和調(diào)試3D打印機(jī);②確保治療機(jī)燈光野中心和有機(jī)板十字線完全一致;③在生產(chǎn)鉛塊前設(shè)定3D打印機(jī)的機(jī)械和比例參數(shù)，確保預(yù)設(shè)模型能夠很快打印;④泡沫陽模固定后十字線應(yīng)與有機(jī)板中心十字線完全吻合;⑤澆注鉛時確保射野擋鉛內(nèi)無空泡，鉛的澆注溫度控制在85～90℃;⑥將鉛塊固定在驗(yàn)證柜內(nèi)，在模擬器下取驗(yàn)證片進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證合格后即可用于臨床。只有較好的控制射野鉛擋的質(zhì)量，提高射野鉛擋的制作精度，才能確保放射治療的準(zhǔn)確性及精確性。鉛屏蔽在照射野中的應(yīng)用，使靶區(qū)的形狀與照射野的形狀高度一致，對重要組織器官具有保護(hù)作用。因此，在常規(guī)放療和三維適形放療中，鉛擋塊的制作仍占有重要地位。如今3D打印技術(shù)在各行各業(yè)都有新的應(yīng)用與進(jìn)展，3D打印技術(shù)制作鉛擋塊取代傳統(tǒng)的切割機(jī)制作鉛擋塊是精確放療的大勢所趨[16]。

雖然腫瘤放療鉛擋塊的3D打印有很多優(yōu)點(diǎn)，但是本研究鉛擋塊的3D打印時間還是比較慢。目前3D打印已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在應(yīng)用過程中仍存在問題[17]。首先，現(xiàn)在3D打印機(jī)所用的材料普遍都比較昂貴，應(yīng)該盡量降低耗材成本，減少打印耗材的損耗，消耗品應(yīng)重復(fù)使用，3D打印技術(shù)最適合開發(fā)新產(chǎn)品，從制造角度來看，并不能滿足大批量生產(chǎn)，至少它不是最合適的。其次，應(yīng)將3D打印技術(shù)與流水線生產(chǎn)模式相結(jié)合，以提高效率、降低成本、提高質(zhì)量[18]。同時，還存在著其他深遠(yuǎn)的人文問題，例如，可以允許所有打印對象打印嗎？我們怎樣才能避免犯罪分子使用它呢？這些都是發(fā)展中需要考慮的問題。

總之，3D打印技術(shù)在放療鉛擋塊中應(yīng)用將會在腫瘤放射治療領(lǐng)域上日益得到推廣[19]。腫瘤醫(yī)療行業(yè)作為3D打印技術(shù)的最有價(jià)值領(lǐng)域，這種技術(shù)的不斷成熟將使醫(yī)療工程的開發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)等方面得到改善和升級[20-21]。

[參考文獻(xiàn)]

[1] ?常豐田，黃矗，黃波.3D打印技術(shù)對機(jī)械工程的影響[J].中國信息化，2013（14）：33.

[2] ?顏永年，李生杰，熊卓，等.基于快速原型的組織工程支架成形技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，10（5）：93-98.

[3] ?科苑.3D生物打印開啟造物新紀(jì)元：打印器官移植[J].今日科苑，2013（14）：42-44.

[4] ?高宏君.3D打印技術(shù)在器官移植中的應(yīng)用設(shè)想[J].器官移植，2013，4（5）：256-257.

[5] ?王彩梅，張衛(wèi)平，李志疆.3D打印在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用[J].生物骨科材料與臨床研究，2013，10（6）：26-28.

[6] ?吉喆，姜玉良，郭福新，等.三維打印共面坐標(biāo)模板聯(lián)合CT引導(dǎo)125I粒子植入治療胸部惡性腫瘤的劑量學(xué)評價(jià)[J].中華放射腫瘤學(xué)雜志，2018，1（7）：754-758.

[7] ?彭冉，姜玉良，吉喆，等.3D打印共面坐標(biāo)模板輔助CT引導(dǎo)放射性125I粒子植入治療惡性腫瘤劑量學(xué)分析[J].中華放射腫瘤學(xué)雜志，2017，26（9）：1062-1066.

[8] ?潘天帆，陸建，王勇，等.放射性125I粒子組織間植入治療盆腔惡性腫瘤的研究進(jìn)展[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志，2017，37（7）：557-561.

[9] ?吳建，范靜平，劉環(huán)海，等.3D技術(shù)在鼻內(nèi)鏡手術(shù)精準(zhǔn)治療鼻前顱底惡性腫瘤中的應(yīng)用[J].山東大學(xué)耳鼻喉眼學(xué)報(bào)，2016，30（6）：24-28.

[10] ?胡逸民，張紅志.腫瘤放射物理學(xué)[M].北京：原子能出版社，1999：471-475.

[11] ?李曉紅.利用3D打印技術(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)過程[J].國防制造技術(shù)，2010（3）：69-70.

[12] ?李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動化儀表，2013，35（1）：1-5.

[13] ?高旭，李晶.前列腺癌與精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（6）：581-590.

[14] ?梁錦輝，朱錦賢，鐘偉銘.面罩及低熔點(diǎn)鉛擋塊在鼻咽癌治療中的應(yīng)用[J].華夏醫(yī)學(xué)，2005，18（3）：451-452.

[15] ?黃丙儉，柏建安，楊愛華.二維整體擋鉛塊制作技術(shù)改進(jìn)與臨床應(yīng)用[J].腫瘤預(yù)防與治療，2011，24（1）：25-27.

[16] ?周理想，陳曉康，武山.淺析3D打印機(jī)的新進(jìn)展和新應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017，28（2）：27-29.

[17] ?夏煜，張和華，向華，等.3D打印技術(shù)研究進(jìn)展及其在醫(yī)學(xué)裝備中的應(yīng)用展望[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2015，36（4）：108-110.

[18] ?常豐田，黃矗，黃波.3D打印技術(shù)對機(jī)械工程的影響[J].中國信息化，2013（14）：33.

[19] ?趙秋云，楚恩惠.3D打印機(jī)在各領(lǐng)域的發(fā)展前景[J].軟件導(dǎo)刊，2015，5（38）：81-82.

[20] ?劉丹.數(shù)字化3D打印開啟創(chuàng)新醫(yī)療新時代—北京工業(yè)大學(xué)數(shù)字化醫(yī)療3D打印技術(shù)開發(fā)記[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2015（1）：90-92.

[21] ?李東陽，郝萱語.3D打印技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].山東醫(yī)藥，2015，48（9）：100-102.

（收稿日期：2018-08-31 ?本文編輯：封 ? 華）