基于桌面級(jí)3D 打印機(jī)的放射性粒子肺癌植入導(dǎo)板的劑量學(xué)驗(yàn)證

方 曙，周金華，楊 涵，金 銘，王 炯

3D 打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用專用可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的新興技術(shù)[1]。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍廣泛、前景廣闊，如骨骼修復(fù)、模擬手術(shù)模型和手術(shù)導(dǎo)板、肺部小微結(jié)節(jié)及占位性病變的穿刺活檢導(dǎo)板制作等，同時(shí)可以根據(jù)患者病變部位、病變范圍等實(shí)現(xiàn)個(gè)體化設(shè)計(jì)定制[2-3]。王俊杰等[4-5]將3D 打印共面導(dǎo)板和非共面導(dǎo)板廣泛應(yīng)用于各種惡性腫瘤的放射性粒子植入治療，大大提高了粒子植入的精準(zhǔn)性。但是由于目前臨床多采用工業(yè)級(jí)3D 打印機(jī)，打印材料成本昂貴，限制了其在臨床上的推廣應(yīng)用。本課題使用桌面級(jí)3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)打印了聚乳酸（PLA）作為原材料的肺癌放射性粒子125I 植入導(dǎo)板應(yīng)用于臨床并對(duì)植入后驗(yàn)證劑量與術(shù)前計(jì)劃劑量進(jìn)行了比較，現(xiàn)總結(jié)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 臨床資料 2018 年1 月至2019 年1 月安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院老年呼吸與危重癥學(xué)科確診的10 例肺癌患者，基本資料見表1。入組標(biāo)準(zhǔn)：30～80 歲，原發(fā)腫瘤經(jīng)病理證實(shí)為惡性，肺內(nèi)轉(zhuǎn)移病灶為單發(fā)；無外科手術(shù)指征或拒絕外科手術(shù)而同意行放射性粒子植入治療；無重要臟器功能障礙，KPS 評(píng)分60 分以上；無穿刺部位感染、破潰或者其他不適宜穿刺情況。無精神異常或精神疾病史；征得患者及家屬同意并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：廣泛轉(zhuǎn)移，預(yù)計(jì)生存期≤3 個(gè)月；嚴(yán)重合并癥，感染期、免疫功能低下、肝腎功能不全；嚴(yán)重出血傾向和凝血功能紊亂者（血小板計(jì)數(shù)≤50×109/L，凝血酶原時(shí)間（PT）＞18 s，凝血酶原活動(dòng)度＜40%。

表1 患者基本情況

1.1.2 主要試劑和儀器 ①治療計(jì)劃系統(tǒng)（TPS）：北京天航科霖科技發(fā)展有限公司；②18G 植入針（批號(hào)：國械注進(jìn)20173156872）；③電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）儀：西門子64 排螺旋CT 機(jī)；④3D 打印機(jī)：Z-603S，深圳市極光爾沃科技股份有限公司；⑤125I 粒子（批號(hào)：國藥準(zhǔn)字H20041695，粒子活度：125I粒子0.5～0.7 mCi，寧波君安藥業(yè)科技有限公司）；⑥負(fù)壓真空墊。

1.2 方法

1.2.1 CT 模擬定位和體位固定 于CT 機(jī)床上放置定位平板，在平板上放置負(fù)壓真空墊固定患者體位，借助于 CT 定位激光線，在患者體表和真空墊相應(yīng)位置上，標(biāo)記定位線。將3 個(gè)直徑1 cm 高密度圓柱體放置于合適的體表位置，并用記號(hào)筆畫圈，作為導(dǎo)板復(fù)位的依據(jù)。囑咐患者保護(hù)好體表標(biāo)記。

1.2.2 獲取胸部病變部位圖像數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)源為胸部CT 掃描的DICOM 格式影像，包括胸壁各層組織、肺部病變部位、鄰近正常肺組織及血管等，為盡可能提高圖像數(shù)據(jù)的保真度，選擇1 mm 層厚進(jìn)行掃描。多層（32 層以上）螺旋CT 圖像組織分辨率高，便于在醫(yī)學(xué)圖像處理軟件上進(jìn)行組織分割。如病變較接近血管，則行增強(qiáng)胸部CT 檢查；如果伴有肺不張，則行PET-CT 檢查以確保正確勾畫腫瘤靶區(qū)[4]。

1.2.3 靶區(qū)勾畫 首先將DICOM 格式的圖像導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，選取肺窗，設(shè)定好合適的參數(shù)，選擇橫斷面為自動(dòng)分割斷面，通過3D 磁性套索工具能夠自動(dòng)識(shí)別不同灰度值范圍的功能在冠狀面和矢狀面上繪制病變部位輪廓。在完成病變部位的三維勾勒后，生成病變部位的三維輪廓圖。然后通過多層編輯工具對(duì)病變輪廓的橫斷面進(jìn)行修改，對(duì)超過病變范圍和未繪制的部分進(jìn)行修改，提高病變范圍的保真度，保證穿刺的精確性。行125I 粒子植入術(shù)需要將勾畫的病變輪廓外擴(kuò)1 cm 得到臨床靶區(qū)。此外，稀疏而狹長(zhǎng)的毛刺可以不勾畫，密集而短小的毛刺需勾畫。

1.2.4 三維建模 利用閾值分割工具將胸廓骨骼和胸廓外周分別用不同顏色的蒙版標(biāo)記出來；然后使用形態(tài)學(xué)操作工具將胸廓表面進(jìn)行膨脹編輯（設(shè)置厚度為10 mm），再利用布爾運(yùn)算，相減得到一個(gè)胸廓體表的蒙版。最后，將胸廓骨骼、體表蒙版和病變部分進(jìn)行三維重建，得到如圖1 所示的三維重建圖。

圖1 粒子植入導(dǎo)板設(shè)計(jì)三維重建圖

1.2.5 導(dǎo)板針道設(shè)計(jì) 本研究中放射性粒子植入肺部瘤體內(nèi)使用的穿刺針規(guī)格為18 G，直徑約為1.2 mm，考慮3D 打印機(jī)的誤差，將導(dǎo)板針道內(nèi)徑擴(kuò)大至1.5 mm。針道設(shè)計(jì)成圓柱體，圓柱體的起點(diǎn)為在腫瘤勾畫區(qū)的最長(zhǎng)點(diǎn)，終點(diǎn)在體外，兩點(diǎn)之間即為入針路徑；再將圓柱體和胸廓蒙版進(jìn)行布爾相減運(yùn)算，胸廓蒙版上即出現(xiàn)空心圓柱，即為實(shí)際針道。將針道和粒子排布點(diǎn)導(dǎo)入BTPS 中，進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃和劑量學(xué)計(jì)算使針道設(shè)計(jì)符合安全性和劑量分布的科學(xué)性，見圖2。此外，在導(dǎo)板的設(shè)計(jì)中，定位針的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于呼吸運(yùn)動(dòng)使病灶和胸廓產(chǎn)生相對(duì)位移，對(duì)穿刺的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了干擾，故多選取腫瘤最大橫截面，設(shè)計(jì)2～3 平行針作為定位針，將病灶相對(duì)固定住，減少呼吸運(yùn)動(dòng)的影響。然后將在CT 模擬定位中放置于體表的3 個(gè)圓柱體作為導(dǎo)板復(fù)位標(biāo)記從蒙版中剔除。最后將胸廓蒙版導(dǎo)出為STL 格式以輸入3D 打印機(jī)進(jìn)行打印。

圖2 術(shù)前計(jì)劃圖

1.2.6 打印標(biāo)記導(dǎo)板 將STL 格式的導(dǎo)板數(shù)據(jù)導(dǎo)入切片軟件Cura15.06 中文版，并調(diào)整打印速度為45 mm/s，填充度為100%，使用桌面級(jí)極光爾沃Z-603S 3D 打印機(jī)以PLA 為材料打印制造出帶有附帶有針道信息和復(fù)位標(biāo)記的PLA 粒子植入引導(dǎo)導(dǎo)板。最后送至消毒供應(yīng)中心環(huán)氧乙烷消毒備用。

1.2.7 導(dǎo)板復(fù)位 利用CT 機(jī)激光線，將患者和真空墊及CT 平板床進(jìn)行體位復(fù)位，再通過體表3 個(gè)標(biāo)記圓圈行導(dǎo)板復(fù)位。首先插入部分定位針，行CT 掃描，觀察其針道延長(zhǎng)線是否和計(jì)劃一致：若有偏差，則需重新調(diào)整；若情況良好，則完成插植，見圖3。完成余下針道插植，其后根據(jù)TPS 進(jìn)行術(shù)中優(yōu)化和術(shù)后驗(yàn)證，得出等劑量曲線分布圖及劑量體積直方圖。

圖3 粒子植入圖

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

利用SPSS 21.0 統(tǒng)計(jì)軟件中的配對(duì)t 檢驗(yàn)方法分析手術(shù)前后D90、V90、V100、V150、粒子數(shù)量差異有無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 導(dǎo)板設(shè)計(jì)打印

本研究成功地提煉出一套安全科學(xué)、簡(jiǎn)單易行的放射性粒子植入導(dǎo)板的設(shè)計(jì)打印流程，并且使用桌面級(jí)3D 打印機(jī)制作出附帶有針道信息和復(fù)位標(biāo)記的PLA 放射性粒子植入手術(shù)導(dǎo)板。

2.2 手術(shù)完成及并發(fā)癥情況

10 例患者術(shù)中導(dǎo)板復(fù)位良好，有效地指導(dǎo)了肺癌放射性粒子植入手術(shù)操作，手術(shù)均成功實(shí)施，術(shù)中氣胸1 例，皮下血腫1 例。術(shù)中術(shù)后無致死性并發(fā)癥發(fā)生。2.3 10 例患者術(shù)前計(jì)劃及術(shù)后驗(yàn)證劑量學(xué)參數(shù)結(jié)果

3D 打印PLA 導(dǎo)板引導(dǎo)肺癌放射性粒子植入患者D90、V90、V100、V150 及粒子數(shù)量等各項(xiàng)指標(biāo)術(shù)后驗(yàn)證與術(shù)前TPS 治療計(jì)劃比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明基于桌面級(jí)3D 打印機(jī)打印的PLA 導(dǎo)板引導(dǎo)下放射性粒子植入均較好地實(shí)現(xiàn)了術(shù)前TPS治療計(jì)劃，見表1，2，圖4。

表1 10 例患者手術(shù)前后劑量學(xué)參數(shù)結(jié)果

表 2 手術(shù)前后患者各指標(biāo)比較

圖4 術(shù)后DVH 圖

3 討論

放射性粒子植入治療惡性腫瘤為近10 年來開展的一項(xiàng)新技術(shù)，是一種將放射源植入腫瘤內(nèi)部，通過連續(xù)釋放有效劑量γ 射線破壞腫瘤細(xì)胞的DNA鏈而使絕大部分腫瘤細(xì)胞失去增殖能力，使腫瘤由間歇性治療變?yōu)槌掷m(xù)性治療，由于其精確的靶向定位、不良反應(yīng)少、新興微創(chuàng)、療效確切可靠等顯示了良好的臨床應(yīng)用前景，在支氣管肺癌治療上取得了良好的治療效果[6]。最初放射性粒子瘤體內(nèi)植入主要采用徒手穿刺，容易導(dǎo)致粒子分布不均、形成放射“熱點(diǎn)”、“冷點(diǎn)”，難以達(dá)到放射學(xué)劑量要求及治療效果。近年來臨床上開始探索使用3D 技術(shù)打印的個(gè)體化導(dǎo)板指導(dǎo)放射性粒子瘤體內(nèi)植入取得了良好的應(yīng)用效果[7-10]。目前3D 打印放射性粒子植入導(dǎo)板的主流材料是醫(yī)用樹脂，但是光敏樹脂打印機(jī)價(jià)格不菲，打印耗材更是昂貴，限制了其臨床推廣應(yīng)用；其次，技術(shù)門檻要求高，TPS 輸出的導(dǎo)板數(shù)據(jù)均由系統(tǒng)加密，強(qiáng)制在廠商處打印，不利于價(jià)格談判和科學(xué)研究。近年來，桌面級(jí)3D 打印機(jī)的興起為此提供了解決思路。桌面級(jí)3D 打印機(jī)是指可以放在普通桌面上打印立體實(shí)物的打印機(jī)，它運(yùn)用的材料以廉價(jià)的PLA、ABS 為主，成本低，易維護(hù)，工藝簡(jiǎn)潔，臨床醫(yī)生只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可操作打印。本研究根據(jù)患者肺部病變部位、病變范圍，基于醫(yī)學(xué)圖像處理軟件設(shè)計(jì)3D 模型，采用桌面級(jí)3D 打印機(jī)，設(shè)計(jì)打印出個(gè)性化PLA 肺癌放射性粒子植入引導(dǎo)導(dǎo)板并試用于臨床，術(shù)中使用復(fù)位良好，有效地指導(dǎo)了粒子植入手術(shù)操作，術(shù)后劑量學(xué)驗(yàn)證也較好地實(shí)現(xiàn)了術(shù)前TPS 治療計(jì)劃，說明具有良好的臨床應(yīng)用效果。本研究采用PLA 為原材料，價(jià)格不到醫(yī)用樹脂材料的十分之一，使用桌面級(jí)3D 打印機(jī)即可獲得較好打印效果，速度快，效率高，1 d 內(nèi)即可完成，能夠滿足臨床快速應(yīng)用的要求，在一般3D 打印實(shí)驗(yàn)室即可實(shí)現(xiàn)，更適合在基層醫(yī)院推廣應(yīng)用。

胸部CT 掃描層厚直接影響病變輪廓的識(shí)別，層厚越小，識(shí)別度越高。本研究采用1 mm 層厚進(jìn)行靶區(qū)掃描，肺窗下進(jìn)行靶區(qū)修正，簡(jiǎn)化了靶區(qū)輪廓線提取過程，保證了重建3D 模型的高保真性。3D打印不同于普通二維平面打印，參數(shù)設(shè)置對(duì)于打印效果至關(guān)重要。肺部惡性腫瘤放射性粒子植入手術(shù)對(duì)導(dǎo)板的硬度、針道內(nèi)壁的光滑度要求很高。本研究采用桌面級(jí)3D 打印機(jī)打印時(shí)采用填充度設(shè)置為100%，打印速度設(shè)置為45 mm/s，甚至30 mm/s，即可以提高打印質(zhì)量，保證PLA 導(dǎo)板的硬度，也保證導(dǎo)板穿刺針道內(nèi)壁的光滑度，這些參數(shù)選擇均為成功構(gòu)建及精準(zhǔn)打印3D 放射性粒子植入導(dǎo)板奠定了良好基礎(chǔ)。

在研究過程中發(fā)現(xiàn)PLA 導(dǎo)板臨床應(yīng)用中也存在一些不足之處。與目前主流的樹脂材料導(dǎo)板相比，PLA 導(dǎo)板硬度相對(duì)較大，與皮膚貼合欠密切，復(fù)位時(shí)易發(fā)生偏差，需仔細(xì)調(diào)整，這可能由以下因素導(dǎo)致：①在打印過程中熔融的PLA 材料會(huì)受到重力因素的影響導(dǎo)致打印軌跡產(chǎn)生偏移影響導(dǎo)板的精度，所以在導(dǎo)板打印時(shí)需要尋找到最佳導(dǎo)板擺放姿態(tài)以減少誤差；②由于人體CT、MRI 數(shù)據(jù)獲取和重建過程以及打印過程存在的系統(tǒng)誤差。1 例患者由于腫瘤直徑超過10 cm，導(dǎo)板體積較大，壓迫時(shí)容易發(fā)生導(dǎo)板翹起針道位移，故而不利于壓迫止血，術(shù)后發(fā)生了皮下血腫，未予特殊處理后自行吸收。另有1 例患者在第一針穿刺時(shí)即發(fā)生氣胸，所幸氣胸量不多，腫瘤位移改變不明顯，仍在導(dǎo)板引導(dǎo)下完成了粒子植入。減少穿刺針數(shù)目及縮短手術(shù)時(shí)間可能會(huì)降低氣胸發(fā)生率[11-14]。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)存在術(shù)前術(shù)后粒子數(shù)量不一致情況，可能的原因有：①由于肺部腫瘤容易受到呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，盡管對(duì)患者進(jìn)行相應(yīng)的呼吸訓(xùn)練、體位訓(xùn)練，但是不足以完全消除其影響從而導(dǎo)致實(shí)際操作中不可避免地出現(xiàn)誤差；②阻塞性肺炎的存在也可能影響術(shù)前臨床腫瘤靶區(qū)的勾畫，增加了粒子數(shù)量。此外，國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)125I 粒子植入后處方劑量與縮小速度相同時(shí)相同時(shí)間點(diǎn)大腫瘤D90和高劑量區(qū)均大于小腫瘤[15-16]，本研究也需加強(qiáng)對(duì)大體積腫瘤進(jìn)行后續(xù)隨訪，進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)照研究。

總之，本研究探索建立了一種基于醫(yī)學(xué)圖像處理軟件設(shè)計(jì)并采用桌面級(jí)3D 打印機(jī)打印的PLA 肺癌放射性粒子植入手術(shù)導(dǎo)板的新方法，臨床使用中也取得了較好的應(yīng)用效果，值得臨床進(jìn)一步推廣應(yīng)用。