基于3D打印的胸部個(gè)體化劑量驗(yàn)證體模設(shè)計(jì)

楊元佳，童蕾，鐘安妮，陳超敏

1.廣東省廣寧縣人民醫(yī)院器械科，廣東肇慶526300；2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510515；3.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510515

前言

肺癌是我國(guó)最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，發(fā)病率呈明顯上升趨勢(shì)，在城市中居于首位。大多數(shù)患者在發(fā)現(xiàn)時(shí)已為局部晚期，需要接受包括放射治療在內(nèi)的綜合治療［1］。放射治療的基本目的是最大限度地使射線集中在腫瘤靶區(qū)內(nèi)而使周?chē)＝M織免受照射。調(diào)強(qiáng)放射治療（IMRT）技術(shù)及旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)（VMAT）是目前放射治療的主要方式，這些技術(shù)劑量分布與靶區(qū)形狀高度適形，因此要求治療劑量和位置都十分精確［2］。而整個(gè)放療過(guò)程中每一個(gè)環(huán)節(jié)均有可能產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致患者接受的治療產(chǎn)生誤差，因此在治療前要進(jìn)行嚴(yán)密的質(zhì)量保證（QA），包括在患者治療前對(duì)放療計(jì)劃進(jìn)行驗(yàn)證，以確?；颊咴谥委熤薪邮艿膭┝颗c處方劑量一致［3］。20 世紀(jì)70年代，ICRU 發(fā)表了關(guān)于放射治療計(jì)量學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)告，明確規(guī)定了從放射治療設(shè)備的輸出劑量到患者吸收劑量的測(cè)量方法與標(biāo)準(zhǔn)，以及放射治療的治療評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等。劑量驗(yàn)證是通過(guò)技術(shù)手段收集實(shí)際出束時(shí)的劑量數(shù)據(jù)，與計(jì)算得到的TPS 劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而判斷誤差是否在接受范圍內(nèi)。驗(yàn)證過(guò)程中選擇合適的體模尤其重要，目前常用的劑量驗(yàn)證體模有：均勻體模（各種水箱、有機(jī)玻璃水箱、固體水模），非均勻體模（標(biāo)準(zhǔn)男女仿真體模等）［4］，但其無(wú)法精確地描述每個(gè)病人之間的差異。隨著3D 打印技術(shù)、打印原材料技術(shù)的不斷發(fā)展［5-7］，3D 打印作為組織工程支架的方法具有巨大的潛力［8］。而且在不同的技術(shù)選擇中，3D打印由于能夠直接打印形狀設(shè)計(jì)、化學(xué)控制和交互作用的多孔支架而成為熱門(mén)技術(shù)［9］。本文提出一種基于3D打印技術(shù)的胸部個(gè)體化劑量驗(yàn)證體模設(shè)計(jì)方法，該方法根據(jù)病人的CT 圖像重建并打印出病人的三維立體結(jié)構(gòu)空殼，并依據(jù)CT 值選擇組織輻射等效材料對(duì)各個(gè)器官進(jìn)行填充，得到每個(gè)患者的個(gè)體化體模，并在制作過(guò)程中提前留置劑量?jī)x通道完成劑量驗(yàn)證［10-12］?；颊邆€(gè)體化定制的3D 模型在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用越來(lái)越多［13］。

1 材料與方法

1.1 體模設(shè)計(jì)基本原理

CT 反映的是不同組織對(duì)X 射線的衰減率，國(guó)際上CT 值定義為影像中每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)對(duì)射線線性平均衰減量大小，所以不同人體組織器官的CT值存在差異，實(shí)驗(yàn)中依據(jù)不同組織器官CT值的差異對(duì)獲取的定位圖像進(jìn)行分割。肺、骨骼與周?chē)渌M織CT 值差異明顯，容易準(zhǔn)確分割，而密度相近的軟組織之間界限分辨不清（心臟、血管、肌肉等CT值相近），不易區(qū)分，但其對(duì)射線的衰減率相差不大，故可將其視為一個(gè)整體。本體模的設(shè)計(jì)目的是測(cè)量靶區(qū)吸收劑量，考慮節(jié)約成本只需要獲得腫瘤周?chē)糠中夭磕Ｐ?，然后?duì)不同器官（肺、骨骼、腫瘤、軟組織）進(jìn)行三維重建，得到各個(gè)器官的三維立體空殼結(jié)構(gòu)模型，并選擇合適的材料對(duì)空殼結(jié)構(gòu)填充得到含有患者結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的體模。

1.2 體模設(shè)計(jì)過(guò)程與方法

個(gè)體化體模設(shè)計(jì)的基本過(guò)程為：獲取患者定位時(shí)的CT 圖像，尋找合適的分割方法分割出不同組織結(jié)構(gòu)，分別重建出各器官的三維立體結(jié)構(gòu)，并對(duì)獲得的立體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化處理，最后導(dǎo)出.stl文件，將其輸入到3D 打印機(jī)完成打印。體模設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)中采用南方醫(yī)院放療科CT 掃描數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為DICOM，患者女，典型的左肺腺癌，真空墊固定。實(shí)驗(yàn)中使用的軟件有：Mimics 軟件、Geomagic studio 軟件及Magics 軟件。組織輻射等效材料原材料：PVC 樹(shù)脂粉（S-65）、對(duì)苯二甲酸二辛酯、白色硅酸鹽水泥、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA28,其中乙烯乙酸VA28%）。

圖1 體模設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow diagram of phantom design

1.2.2 建立3D 模型醫(yī)學(xué)3D 建模最為關(guān)鍵的一步在于圖像分割。Mimics 有多種強(qiáng)大的圖像分割工具［14］，分割對(duì)象為導(dǎo)入軟件中的連續(xù)斷層圖像，其中閾值分割方法是基于圖像灰度的一種假設(shè)，對(duì)灰度值相差較大的組織可以很有效地分割，所以本文采用閾值分割方法來(lái)進(jìn)行各器官分割。將患者CT 圖像DICOM 文件導(dǎo)入Mimics 軟件中，以CT 值為參考選擇合適的閾值對(duì)其進(jìn)行分割。為了更好地將肺、骨骼和肌肉分開(kāi)，可以手動(dòng)對(duì)閾值進(jìn)行調(diào)整，最終選擇的分割閾值分別為肺（-937 HU,-367 HU）、骨骼（-149 HU,1200 HU）、軟組織（-178 HU,209 HU）。

上述所選擇的病例用真空墊進(jìn)行體位固定并行CT掃描，由于真空墊的CT值與肺組織、軟組織相近，閾值分割時(shí)有部分地方出現(xiàn)誤分，三維重建之前要先對(duì)蒙板進(jìn)行手動(dòng)編輯和平滑處理。經(jīng)過(guò)處理之后，分別選中肺、骨骼、肌肉的蒙板，利用Mimics三維重建功能進(jìn)行初步的重建得到實(shí)心模型。放療中吸收劑量驗(yàn)證主要是針對(duì)腫瘤及周?chē)＜捌鞴?，同時(shí)考慮到節(jié)約成本，因此胸部體模不需要過(guò)大的體積，故對(duì)得到的三維模型進(jìn)一步處理，選取腫瘤附近的部分作為最終3D 打印的模型。此時(shí)模型仍然有瑕疵，Mimics 軟件包含有一些優(yōu)化功能，利用這些功能優(yōu)化模型，主要包括：蒙板平滑、濾波、3D 模型編輯、蒙板編輯等方式。肺、骨骼、肌肉優(yōu)化前后的模型對(duì)比，如圖2所示。

圖2 Mimics優(yōu)化前后模型Fig.2 Models before and after Mimics optimization

上述得到的模型依然為實(shí)心模型，由于目前3D打印的原材料還不夠豐富，不能直接使用與各組織CT值相似的材料打印得到模型，因此需對(duì)模型做進(jìn)一步處理將其做成一個(gè)空殼結(jié)構(gòu)來(lái)填充組織等效材料。將Mimics導(dǎo)出的STL文件導(dǎo)入Geomagic studio軟件，做進(jìn)一步的優(yōu)化，經(jīng)過(guò)流形、去除特征、平滑、填充孔、截面等操作，使模型表面更順滑。然后對(duì)上述實(shí)心模型進(jìn)行抽殼、加厚操作，最終得到有一定厚度的空殼結(jié)構(gòu)，本研究最終打印的殼層厚度為1.2 mm。依據(jù)3D打印技術(shù)的原理，需要將模型裁剪為上下兩部分，同時(shí)為了保證各個(gè)器官之間的相對(duì)位置不變，也為了組裝方便，打印之前將裁剪后的各部分進(jìn)行布爾操作，將下半部分肺、肌肉，及腫瘤、電離室孔道作為一個(gè)整體。同時(shí)利用Mimics軟件MedCAD模塊制作填充組織等效材料的孔，完成上述所有操作的模型即為最終需要打印的模型。

1.2.3 打印3D模型將模型以STL格式導(dǎo)出，輸入到銳打400光敏樹(shù)脂打印機(jī)器上，選擇需要打印的模型進(jìn)行打印。本研究除了骨骼以外，其它模型均用光敏樹(shù)脂材料進(jìn)行打印，其密度約為1.1 g/cm3，只比水的密度稍大一點(diǎn)，可以模擬人的薄層皮膚組織。打印技術(shù)為光固化成型技術(shù)（SLA）。而骨骼用石膏粉末進(jìn)行打印，用的是3DP技術(shù)，即三維打印粘結(jié)成型（噴墨沉積）技術(shù)。模型用光敏樹(shù)脂打印，每塊需要打印5～6 h。打印結(jié)束后，需要將模型取出，去除毛刺并進(jìn)行去支撐處理，并用90%酒精將模型進(jìn)行洗滌，利用相似相溶原理將模型表面的樹(shù)脂洗干凈，處理流程如圖3所示。最后將模型放置于紫外光機(jī)器中進(jìn)行照射，即完成打印操作。打印出的最后模型如圖4所示。

1.3 組織輻射等效材料選擇

圖3 打印模型處理流程Fig.3 Model printing process

圖4 打印出來(lái)的最后模型Fig.4 Final printed models

治療計(jì)劃劑量驗(yàn)證時(shí)，無(wú)法直接測(cè)量人體內(nèi)劑量分布，通常用組織等效性體模替代，測(cè)量體模內(nèi)劑量分布，這就要求體模和測(cè)量系統(tǒng)具有良好的組織等效性［14］。仿真輻照體模除要求具有和人體相似的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)外，更重要的是在一定能量下與人體相同的輻射特性，因此組織輻射等效材料具備的選擇是設(shè)計(jì)仿真輻照體模的關(guān)鍵技術(shù)之一。在現(xiàn)代醫(yī)療診斷和治療中，CT 技術(shù)已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，CT值可以很好地反映射線（X或γ射線）對(duì)人體組織和器官的輻射綜合效應(yīng)。本文采用CT 值作為依據(jù)來(lái)尋找組織等效材料［15-17］。實(shí)際應(yīng)用中，均以水的線性衰減系數(shù)作為基準(zhǔn)，故CT 值可表述為被測(cè)人體組織的線性衰減系數(shù)與水的線性衰減系數(shù)的相對(duì)差值。組織輻射等效材料的CT 值與其線性衰減系數(shù)有必然的聯(lián)系，當(dāng)組織輻射等效材料CT 值與人體組織CT 值相同時(shí)，其線性衰減系數(shù)必然與人體組織線性衰減系數(shù)相同，說(shuō)明CT 值可以直接反映線性衰減系數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)中選擇了幾種常見(jiàn)的材料在GE light speed 16排CT機(jī)進(jìn)行掃描，掃描條件為120 kV、180 mA，并利用其自身軟件測(cè)量了每種材料CT 值均值，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 幾種常見(jiàn)材料的CT值實(shí)測(cè)值Tab.1 Measured CT values of several common materials

組織輻射等效材料中各種原材料的選定，主要取決于原材料中各元素的質(zhì)量百分含量、原材料的密度，故合成組織輻射等效材料的關(guān)鍵在于原材料的選取。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)胸部組織器官每部分的CT 值范圍，直接選擇或者用幾種高分子材料配比合成最終的輻射等效材料。軟件測(cè)量定位圖像各組織結(jié)構(gòu)CT 值范圍，結(jié)果為骨骼900 HU、肺-757 HU、軟組織24 HU、腫瘤-500 HU。根據(jù)文獻(xiàn)［18-19］報(bào)道，當(dāng)CT值范圍在-10～100 HU 時(shí)，軟組織等效材料可以用由PVC 樹(shù)脂粉（S-65）和增塑劑（對(duì)苯二甲酸二辛酯）按一定比例加熱混合組成。PVC 樹(shù)脂粉，增塑劑混合比例和CT值之間存在線性關(guān)系：y=6.908 3x-65.564 5，其中y為CT 值，x為PVC 樹(shù)脂粉和增塑劑的配比，本研究中軟組織等效材料也選擇PVC 樹(shù)脂粉和增塑劑作為原材料填充。

2 結(jié)果

個(gè)體化胸部輻射等效體模主要用于靶區(qū)劑量的驗(yàn)證，所以其輻射特性是否與真實(shí)人體組織輻射特性相似是重要參考指標(biāo)。線性衰減系數(shù)是一個(gè)與放射的能量和材料性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)，故采用線性衰減系數(shù)評(píng)價(jià)該體模的輻射等效性，而線性衰減系數(shù)又與CT值密切相關(guān)，因此選用CT值為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量體模的輻射等效性。分別取部分合成后的輻射等效材料在同樣的條件下掃描，測(cè)量各結(jié)構(gòu)等效材料的CT值。胸部劑量驗(yàn)證體模組織等效材料如圖5所示。這些合成材料的CT值測(cè)量結(jié)果如表2所示。與定位時(shí)獲取的圖像CT值比較，進(jìn)行誤差分析，骨骼的誤差為22%，肺組織誤差為1.2%，軟組織誤差8%，腫瘤靶區(qū)誤差5.8%。

圖5 輻射等效材料Fig.5 Radiation tissue-equivalent material

表2 胸部劑量驗(yàn)證體模組織輻射等效材料CT值Tab.2 CT values of tissue-equivalent materials in thorax phantom for dose verification

3 討論

本研究提出的基于3D打印的胸部個(gè)體化放射治療劑量驗(yàn)證體模，是利用病人的CT 圖像精確分割出各個(gè)器官并重建出三維立體結(jié)構(gòu)，通過(guò)3D 打印及等效組織材料填充得到仿真體模。該3D打印體模與真實(shí)人體相比較，具有外形相似性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真性、組織輻射等效性等特點(diǎn)?？梢跃_仿真人體結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，幫助臨床更精確地完成劑量，為病人治療提供更加安全的保障。但是目前該體模設(shè)計(jì)還有缺陷，首先建立模型過(guò)程中，基于CT 值的分割并不是準(zhǔn)確無(wú)誤的，影像反映的結(jié)構(gòu)并不一定是真實(shí)的解剖情況，另外還有體位固定裝置與人體組織CT 值可能出現(xiàn)交叉，導(dǎo)致誤分。例如肺組織其CT 值與定位時(shí)用的真空墊、周?chē)諝庀嗨瓶赡艹霈F(xiàn)誤分，需要手動(dòng)修改。真實(shí)情況下肺和肋骨會(huì)有相交的情況，而模型肺組織與骨頭是分開(kāi)建模，需要通過(guò)平滑操作消除相互影響，否則體模最后的組裝沒(méi)法進(jìn)行。盡管該研究目前還有缺陷，但3D打印技術(shù)發(fā)展迅猛，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛［20］。未來(lái)可以用于打印的材料會(huì)不斷豐富，打印的技術(shù)也會(huì)越來(lái)越成熟，將來(lái)不需要重建空殼結(jié)構(gòu)來(lái)填充完成，而是找到與人體各個(gè)器官CT 值相似的材料來(lái)直接打印器官模型，中間過(guò)程減少，制作也更簡(jiǎn)單，模擬仿真效果也會(huì)更好，將會(huì)更適用于臨床研究。