3D打印頭膜對X射線治療劑量的影響

河北省滄州中西醫(yī)結合醫(yī)院 放療科，河北 滄州 061000

引言

熱塑膜是在腫瘤放療中應用廣泛的一種體位固定工具[1]，其在制作過程中是人為加熱拉伸塑型，膜的受拉伸程度不同，進而影響放療定位精度和劑量測量的準確性[2-3]。近年來，3D打印技術在腫瘤放療中已經得到廣泛應用，其優(yōu)勢在于體膜的個性化定制，可實現(xiàn)對于患者的精準治療[4]，我院將3D打印技術應用于放療頭部固定，為頭部腫瘤放療患者定制個體化頭膜。目前關于3D打印頭膜對于X線治療劑量的影響研究較少，本文我們使用膠片測量在6 MV X線能量下3D打印頭膜對患者治療劑量的影響。

1 材料與方法

1.1 膜材料和結構

我院應用于臨床的3D打印頭膜如圖1所示，3D打印中心利用患者CT圖像精準建模，并在口、鼻、眼、耳處進行開孔設計，使頭膜和患者體表精準貼合，該裝置目前已獲得國家實用新型專利（專利號：201821253994.8）；其材質為均勻打孔的環(huán)氧樹脂，它是一種質地均一、易于成型、密度為1.076 g/cm3的合成樹脂。臨床測試中使用3D打印中心建模打印出兩種均勻厚度的環(huán)氧樹脂模板，0.15 cm厚度的模板形態(tài)結構分為無孔和有孔兩種，其中有孔膜的網孔直徑分別為0.2、0.4 cm；0.20 cm厚度的膜網孔直徑為0.4 cm，膜的孔間距均為0.15 cm；國產熱塑頭膜材質為密度為1.12 g/cm3的合成高分子聚酯。為模擬臨床固定膜的實際厚度，我們將國產熱塑膜放入恒溫水箱加熱至65 ℃，取出熱塑膜拉伸一定長度，定型后測量其厚度介于0.13～0.17 cm，均值約為0.15 cm、網孔直徑約為0.4 cm，孔間距為0.15 cm，模板尺寸規(guī)格均為100 mm×100 mm×1.5 mm，如圖2。

圖1 3D打印環(huán)氧樹脂頭膜

圖2 測試用膜體

1.2 測量方法

采用EBT3膠片（GafchromicTMEBT3，美國國際特種產品ISP）測量固體水表面及不同深度劑量。將掃描圖像的光學密度轉換為吸收劑量分布，對膠片進行標定，得到光學密度—劑量曲線。方法如下：加速器機架角為0，模體中心軸與射束中心軸重合，源皮距100 cm，將膠片放到固體水模體下1.5 cm深度處，從0到300 cGy，每隔30 cGy對膠片進行一次曝光，共計得到11張膠片影像。將上述膠片通過掃描儀導入到RIT113軟件中，根據每張膠片的光學密度和實際劑量的對應關系，建立光學密度劑量曲線。使用醫(yī)科達（Elekta）公司的Synergy型直線加速器，射束能量為常規(guī)6 MV X射線，劑量率600 MU/Min，機架角為0，源皮距100 cm，射野面積大小10 cm×10 cm，將固體水模體的中心與加速器等中心重合，膠片放置于固體水模體上表面射野中心處，照射500 MU，取出膠片。掃描膠片得到相應的劑量，在膠片中心位置選擇5×5像素（1.75 mm×1.75 mm）的矩形范圍的平均劑量作為射野中心的吸收劑量。用同樣的方法測量固體水模體下0.5、1.0、1.5 cm深度處的劑量。固體水模體為30 cm×30 cm，遠大于照射野以減少周圍材料電子密度差異對測量結果的干擾。

1.3 計算方法

在X射線治療過程中，頭膜的使用會影響X線治療劑量的建成區(qū)，導致表面劑量增加，對百分深度劑量曲線的建成區(qū)的劑量基本無影響。因此，以下部分只研究3D打印環(huán)氧樹脂頭膜和國產熱塑頭膜對劑量曲線的建成部分影響及其對皮膚表面的影響。圖3～5為各種情況下固體水模體在不同深度（模體表面、模體下0.5、1.0、1.5 cm）處吸收劑量點的擬合曲線，其中吸收劑量擬合曲線以無膜時射線入射到固體水中的最大劑量點（6 MV為1.5 cm）處的劑量歸一。

圖3 覆蓋不同種類膜后水模體的吸收劑量擬合曲線

圖4 覆蓋不同厚度3D打印環(huán)氧樹脂頭膜后水模體中的吸收劑量擬合曲線

圖5 覆蓋不同網孔大小的3D打印環(huán)氧樹脂頭膜后水模體的吸收劑量擬合曲線

2 結果

2.1 相同厚度的3D打印環(huán)氧樹脂頭膜和國產熱塑頭膜對表面劑量的影響

6 MV X射線能量下，測得無膜時射線入射到固體水中最大劑量為450.01 cGy。在膜厚度均為0.15 cm時，以最大劑量點歸一，其中覆蓋3D打印環(huán)氧樹脂頭膜、國產熱塑頭膜、無膜時的表面劑量分別為38%、40%、22%，如圖3。

2.2 不同厚度的3D打印環(huán)氧樹脂頭膜對表面劑量的影響

6 MV X射線能量下，網孔大小相同的3D打印環(huán)氧樹脂頭膜在厚度分別為0.15、0.20 cm時，以最大劑量點歸一，其中覆蓋0.15、0.20 cm厚度膜、無膜時的表面劑量分別為38%、49%、22%，如圖4。

2.3 相同厚度不同網孔大小的3D打印環(huán)氧樹脂頭膜對表面劑量的影響

6 MV X射線能量下，相同厚度的3D打印環(huán)氧樹脂頭膜分別為無孔、網孔直徑為0.2、0.4 cm時，以最大劑量點進行歸一，其中覆蓋無孔、網孔直徑0.2、0.4 cm、無膜時表面劑量分別為50%、44%、38%、22%，見圖5。

3 討論

放療過程中，患者固定體位是影響放療精度的重要因素之一[5]，由于頭部結構相對復雜，腫瘤往往臨近重要的正常器官（如視神經、視交叉、腦干等），因此對于頭部腫瘤的體位固定及擺位精度要求很高[6-9]。熱塑膜是頭部腫瘤患者放射治療中應用廣泛的一種體位固定工具[10]，在其制作過程中部分區(qū)域拉伸程度大小不一，導致收縮的幅度不同，進而影響定位精度；相較于普通的國產熱塑膜，3D打印技術可以根據患者頭部CT圖像打印出個體化均質頭膜，實現(xiàn)頭膜和患者體表精準貼合，在頭部腫瘤患者放射治療中具有一定優(yōu)勢。

對于X射線，加膜主要影響劑量曲線的建成部分，提升皮膚表面劑量[11]。Lee等[12]報道調強治療中使用熱塑膜表面劑量平均提升18%；Hadley等[13]報道在6 MV X 射線束產生的表面劑量在不使用膜時為16%～27%，使用熱塑膜為16%～61%。實驗測量結果表明6 MV X射線條件下頭膜的使用主要影響X線治療劑量的建成區(qū)，不使用膜時皮膚表面劑量為最大劑量的22%左右，覆蓋相同規(guī)格的3D打印頭膜和國產熱塑頭膜后皮膚表面劑量分別為38%、40%，兩者對皮膚劑量的影響相似，測量結果和上述學者的結論一致；0.15、0.20 cm兩種厚度的3D打印頭膜表面劑量相差11%，膜厚度越大表面劑量增加越多；相同厚度3D打印頭膜，使用無孔膜和兩種不同孔徑大小的頭膜表面劑量分別增加了28%、15%和22%。膜對皮膚劑量的影響與膜材料密度、厚度、孔徑大小等因素有關[14]，以上現(xiàn)象原因可能為：①X射線在經過不同密度的兩種物質界面時，原來建立的次級電子平衡被打破，次級電子較多堆積在密度較小一側，致使界面處劑量發(fā)生改變。在臨床應用中，固定膜的密度大于皮膚及軟組織的密度，較多次級電子堆積在皮膚及軟組織一側，導致皮膚表面劑量增加；② 膜使皮膚劑量增加的一個重要原因是在射線入射路徑上、水模體中同一深度處覆蓋膜后的有效深度比不加膜時大，而在百分深度劑量曲線建成區(qū)劑量大小隨深度增加而增大；③ 光子束穿過物質的厚度、密度越大與物質發(fā)生相互作用的光子數(shù)越多，物質的吸收劑量越大，這使得近膜處皮膚的表面劑量增值越大；測試用的相同厚度3D打印環(huán)氧樹脂無孔膜與有孔膜相比，相當于膜的平均厚度或平均密度值大，因此無孔膜比有孔膜導致的表面劑量增量大；同理，小孔徑膜比大孔徑膜使表面劑量增量大。

隨著醫(yī)療領域個體化制定的需求越來越顯著，3D打印技術以其個性化、精準化的優(yōu)勢醫(yī)療行業(yè)擁有廣泛的應用前景[15-18]，其在放射治療領域也顯現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，Laycock等[19]論證了將3D打印技術應用于放療頭膜制作的可行性，并對不同的3D打印材質的物理劑量特性進行了測試；Robertson等[20]使用3D打印技術為17名志愿者制作個體化頭膜，通過測量頭膜在不同方位的位移來評估其擺位重復性，實驗結果為3D打印頭膜擺位精度符合臨床使用標準；王斌等[21]研究表明3D打印頭膜體位固定技術符合現(xiàn)代放療的精確擺位要求。在頭部腫瘤患者制膜中，3D打印技術可個體化制作不同材質、厚度、孔徑的均質頭膜來減少頭部腫瘤患者皮膚表面劑量或者增加受侵皮膚劑量；但頭膜厚度過小、網孔過大也會降低頭膜的強度，影響頭膜的固定性和重復性，因此，在設計3D打印頭膜時要兼顧體位的良好固定；另外，3D打印材質價格普遍較高，舒適性較差也是其目前不能廣泛應用于臨床的原因，因此，3D打印體膜材質的選擇也是我們目前面臨的主要問題。總之，3D打印技術可根據放療需求定制個體化頭膜，相較于熱塑頭膜具有一定的臨床優(yōu)勢，值得進一步的研究。