基于3D打印的個(gè)性化體模在放療劑量驗(yàn)證的研究

孫海濤，李吉友，王寧

中山市中醫(yī)院 放療室，中山市，528400

0 引言

目前，放射治療已經(jīng)成為腫瘤的三大治療手段之一，其地位尤其重要。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，70%的惡性腫瘤治療的某一階段需要放射治療的幫助[1]。放射治療是利用放射線對(duì)腫瘤靶區(qū)進(jìn)行照射，利用對(duì)腫瘤的輻射損傷從而達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞的目的?，F(xiàn)代放療技術(shù)正朝著“精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)治療”的方向發(fā)展。

放療從三維適形發(fā)展到調(diào)強(qiáng)放射治療、旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)等技術(shù)，能夠?qū)⒏邉┝繀^(qū)域限制在靶區(qū)體積范圍內(nèi)，同時(shí)滿(mǎn)足靶區(qū)適形與劑量適形，提高治療增益比。隨著照射方式的發(fā)展，治療前的劑量驗(yàn)證也至關(guān)重要，而目前臨床上使用的劑量驗(yàn)證體模大都為均勻體模，不能體現(xiàn)每個(gè)病人不同的解剖結(jié)構(gòu)，測(cè)量不準(zhǔn)確。因此設(shè)計(jì)能夠個(gè)體化體現(xiàn)病人特征的三維劑量驗(yàn)證體模，對(duì)進(jìn)行更準(zhǔn)確的劑量驗(yàn)證有很大的幫助，對(duì)提高放射治療精度也比較有益。隨著三維（3 Dimensional,3D）打印技術(shù)的出現(xiàn)與快速發(fā)展，根據(jù)不同人打印出個(gè)體化人體器官已經(jīng)不是難題，將其應(yīng)用于精準(zhǔn)放療背景下的劑量學(xué)研究有著重要的價(jià)值。3D打印是一種基于計(jì)算機(jī)三維數(shù)字成像技術(shù)和多層次連續(xù)打印技術(shù)的新興技術(shù)，可以制作出各種復(fù)雜、精細(xì)的實(shí)體，極大地降低了復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造難度。3D打印技術(shù)，不僅能有效地提高放療的治療精度，減少正常器官不必要的受照射量，還能提高放療的舒適度和治療效率。

下面對(duì)一種個(gè)體化的3D打印三維體模進(jìn)行劑量驗(yàn)證做一綜述，3D打印技術(shù)可極大限度地模擬人體的解剖結(jié)構(gòu)、輪廓外形、腫瘤解剖結(jié)構(gòu)及其他危險(xiǎn)器官等組織的解剖結(jié)構(gòu)，制作出合理有效的劑量驗(yàn)證模體[2-5]。從而為治療計(jì)劃的改進(jìn)、增加腫瘤的受照劑量及減少危及器官的受照劑量提供更有力的依據(jù)，增加腫瘤的治愈率，降低腫瘤的復(fù)發(fā)率，在腫瘤治療的臨床應(yīng)用上有著重大意義。

1 當(dāng)前放療發(fā)展現(xiàn)狀

放射治療的每一步要求做到精準(zhǔn)化，其步驟包括：體模階段、治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)、治療計(jì)劃的確認(rèn)和治療計(jì)劃的執(zhí)行。體模階段要求放療技師對(duì)病人進(jìn)行臨床要求的擺位，并用螺旋CT進(jìn)行掃描，并將含有定位信息的CT圖像傳到計(jì)劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）中，并由腫瘤科醫(yī)生對(duì)圖像中的腫瘤靶區(qū)進(jìn)行勾畫(huà)。治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)要求物理師根據(jù)醫(yī)生開(kāi)的病人的劑量處方做計(jì)劃，該步驟至關(guān)重要，若劑量給得不足會(huì)導(dǎo)致腫瘤較易復(fù)發(fā)，劑量給得過(guò)高則會(huì)引起病人的不良反應(yīng)，正常組織的損傷也會(huì)很大。因此，做好計(jì)劃之后要經(jīng)醫(yī)生確認(rèn)，確保劑量的準(zhǔn)確和可靠。否則，需要重新擬定治療計(jì)劃。

目前，TPS計(jì)劃系統(tǒng)獲取患者的受照射劑量分布一般是通過(guò)對(duì)勾畫(huà)出的靶區(qū)進(jìn)行合理的布野、條件限制以及設(shè)置計(jì)劃參數(shù)后進(jìn)行計(jì)算所得，但這種方式獲取的是理論值，并非實(shí)際受照射劑量。而在通過(guò)放療對(duì)患者進(jìn)行治療時(shí)，只有知道患者的實(shí)際受照射劑量，才能夠更好地把握放療時(shí)的劑量，以避免劑量過(guò)多導(dǎo)致額外劑量輻射和劑量過(guò)少導(dǎo)致腫瘤高復(fù)發(fā)。放療流程較為復(fù)雜，整個(gè)過(guò)程有諸多因素會(huì)導(dǎo)致放療出現(xiàn)劑量誤差。因此對(duì)放射劑量質(zhì)量控制在整個(gè)放療過(guò)程中屬于重中之重。測(cè)量放療劑量，目前常用的方法是用一個(gè)統(tǒng)一的體?；驕y(cè)量設(shè)備（如Delta4和ArcCHECK4D等基于中心探頭矩陣的三維測(cè)量工具）來(lái)模擬人體，以進(jìn)行放療劑量的測(cè)量。這種方式能夠有效地測(cè)量調(diào)強(qiáng)和三維適形的放療劑量，但由于他們均為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量組件，不能根據(jù)患者實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)、輪廓外形和腫瘤解剖結(jié)構(gòu)來(lái)自由定義測(cè)量條件，因而必然導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不完全準(zhǔn)確，即無(wú)法獲取腫瘤靶區(qū)實(shí)際受照射劑量和劑量分布情況。

從患者治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)到治療實(shí)施過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，這其中的誤差大致包含了三個(gè)部分：①來(lái)源于治療計(jì)劃原始數(shù)據(jù)的誤差，計(jì)算機(jī)調(diào)用的治療機(jī)機(jī)器參數(shù)是在實(shí)際測(cè)量的有限數(shù)據(jù)中擬合出來(lái)的，本身存在一定的誤差，而且作為其數(shù)據(jù)來(lái)源的實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)在獲取時(shí)也包含了測(cè)量誤差；②算法誤差，當(dāng)前的劑量算法，不管是Philips pinnacle的串筒卷積（collapsed cone，CC）算法，還是CMS XIO的超級(jí)迭代算法和快速傅立葉卷積（fast Fourier transform convolution，F(xiàn)FTC）算法，以及目前計(jì)算最為精確的蒙卡（Monte Carlo，MC）算法都存在一定范圍的計(jì)算誤差，BRAGG等研究了超級(jí)迭代算法、快速傅立葉卷積算法、筆形束算法以及蒙卡算法[6-9]，發(fā)現(xiàn)這些算法計(jì)算的劑量都與實(shí)際劑量值存在一定的誤差；③治療實(shí)施時(shí)的機(jī)器誤差，這部分的誤差包括：機(jī)器是否按照預(yù)設(shè)的計(jì)劃實(shí)施了照射，劑量的傳遞是否準(zhǔn)確以及治療機(jī)本身的誤差等。ICRU24號(hào)報(bào)告指出，原發(fā)灶根治劑量的準(zhǔn)確性應(yīng)好于5%，靶區(qū)劑量偏離最佳劑量時(shí)，就有可能使原發(fā)灶腫瘤失控或并發(fā)癥增加，從而可能導(dǎo)致治療失敗。正因?yàn)檎{(diào)強(qiáng)放療過(guò)程存在諸多不確定性，因此我們必須在治療實(shí)施前對(duì)調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃進(jìn)行劑量學(xué)驗(yàn)證。

2 劑量驗(yàn)證在放療中的應(yīng)用與發(fā)展

2.1 劑量驗(yàn)證方法簡(jiǎn)介

目前，劑量驗(yàn)證的方法分為絕對(duì)劑量驗(yàn)證和相對(duì)劑量驗(yàn)證。絕對(duì)劑量驗(yàn)證的方法有指形電離室、水箱等，而相對(duì)劑量驗(yàn)證有膠片劑量計(jì)、二維電離室矩陣Matrixx、熱釋光劑量計(jì)、Delta4三維電離室體模、ArcCheck4D四維電離室體模等[10-14]。這些方法均使用廣泛且方便可行，比如二維電離室矩陣Matrixx就能夠很方便地對(duì)病人的治療計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證，為各大醫(yī)院廣泛采用。Matrixx是二維電離室矩陣，中間有一層探測(cè)劑量的空腔，由許許多多的小電離室緊密排列而成，并且上下各放一塊固體水，能較精確地測(cè)量二維劑量分布。Matrixx僅僅需要測(cè)量照射的某一面的劑量分布即可，在照射之后可用軟件進(jìn)行劑量的驗(yàn)證，用Gamma算法對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果和TPS系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果方便直觀。

前人的研究結(jié)果證明，實(shí)際機(jī)架角劑量驗(yàn)證的γ通過(guò)率更接近真實(shí)情況，建議用實(shí)際機(jī)架角進(jìn)行劑量驗(yàn)證。Delta4三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)是由兩個(gè)正交的二維半導(dǎo)體探測(cè)器矩陣嵌在圓柱體模體中，共有1 069個(gè)P型圓柱形半導(dǎo)體探測(cè)器，具有各向同性的特性，沒(méi)有角度依賴(lài)性，可完成任意角度的測(cè)量。ArcCHECK驗(yàn)證模體作為一個(gè)四維的探測(cè)器陣列，特別應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)驗(yàn)證計(jì)劃，模體是一個(gè)直徑21 cm，長(zhǎng)度21 cm的圓柱形，通身1 386 個(gè)二極管探測(cè)器，都能與所測(cè)射野垂直[15]。這兩種方法都能夠有效地測(cè)量靶區(qū)劑量及劑量分布，為臨床所應(yīng)用。雖然這兩種方法均能排除角度響應(yīng)的干擾誤差，但是它們都是圓柱體體模，無(wú)法模擬人體的解剖結(jié)構(gòu)輪廓。人體內(nèi)部的各種器官、組織的衰減系數(shù)都不一樣，而且內(nèi)部會(huì)有組織空腔差異。而圓柱體體模得出的劑量測(cè)量結(jié)果與實(shí)際受照劑量結(jié)果還是有差異。

2.2 仿真模體在劑量驗(yàn)證的應(yīng)用

早在上世紀(jì)80年代，已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行人體仿真輻照體模的研制，例如成都劑量體模（Chengdu dosimetric phantom，CDP），它用于放射診斷、治療、防護(hù)、教學(xué)及研究中作為人體替身，外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)與人體相似，用與人體組織輻射效果相近的材料制成[16-18]。在體模內(nèi)設(shè)置有測(cè)試射線的傳感器，在臟器的多發(fā)病部位設(shè)置有安放病灶模擬體的孔穴，用于測(cè)量劑量，替代活體進(jìn)行試驗(yàn)。輻射組織等效材料的設(shè)計(jì)和制造是仿真輻照體模的關(guān)鍵技術(shù)，輻射組織等效材料通常是指元素組成、分子結(jié)構(gòu)、對(duì)射線的輻射和散射吸收等特性與真實(shí)人體相似或相當(dāng)?shù)牟牧?。用仿真輻照體模替代活體進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)各種放射治療診斷設(shè)備和安全防護(hù)儀進(jìn)行定期或使用前的標(biāo)定，保證了病人和操作人員在放射治療和診斷過(guò)程中的安全。但這些仿真輻照體模一般需要通過(guò)相應(yīng)的研究公司進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)，而且價(jià)格昂貴，更重要的是這種體模是一種標(biāo)準(zhǔn)型體模，不代表某一病人個(gè)體，不具有特異性的特點(diǎn)。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)與快速發(fā)展，很多人開(kāi)始利用3D打印的器官或體模，填充等效人體組織材料以后模擬輻射劑量在真實(shí)人體中吸收情況[3,11]。

3 基于3D打印技術(shù)的體模制作方法

一般的流程方法是先獲取病人的醫(yī)學(xué)影像CT圖像，由物理師做好相應(yīng)的治療計(jì)劃，得到醫(yī)生的確認(rèn)，做好定位驗(yàn)證工作；將CT圖像導(dǎo)入到Mimics軟件當(dāng)中，選擇需要打印的部位進(jìn)行三維重建，根據(jù)勾畫(huà)出的腫瘤靶區(qū)圖像和CT圖像進(jìn)行三維建模，將CT圖像的各個(gè)部分繪制成與實(shí)際形狀一致的三維薄層空殼組件，使用3D打印機(jī)打印出各個(gè)三維薄層空殼組件；使用組織輻射等效材料填充靶區(qū)對(duì)應(yīng)的空殼組件；將各個(gè)填充好的空殼組件組裝成人體模擬體模；插上指形電離室，用CT掃描體模并重建圖像，將其導(dǎo)入TPS系統(tǒng)中，將之前做好的治療計(jì)劃移植到體模上，做好質(zhì)量保證（quality assurance，QA）并將驗(yàn)證計(jì)劃導(dǎo)入直線加速器系統(tǒng)；根據(jù)實(shí)際擺位方式和放療計(jì)劃，對(duì)人體模擬體模進(jìn)行照射；用指形電離室測(cè)量待測(cè)區(qū)域的劑量，并與計(jì)劃系統(tǒng)上其對(duì)應(yīng)位置的劑量值進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估。

3.1 基于3D打印技術(shù)的體模制作流程

基于放療病人定位時(shí)的CT圖像重建出病人各個(gè)器官三維空殼結(jié)構(gòu)，并將其利用3D打印機(jī)打印，找到合適的輻射等效材料進(jìn)行人體等效材料填充，得到與人體結(jié)構(gòu)相似且CT值也相似的劑量驗(yàn)證體模。定位時(shí)獲取的CT圖像都是灰度圖像，準(zhǔn)確地分割出每個(gè)器官及腫瘤也是問(wèn)題的重中之重。參考臨床醫(yī)生勾畫(huà)的各個(gè)器官與腫瘤靶區(qū)，并利用閾值分割等方法對(duì)基礎(chǔ)圖像分割，并利用相關(guān)的處理醫(yī)學(xué)圖像的軟件進(jìn)行三維重建，得到可以打印的三維結(jié)構(gòu)。該體模設(shè)計(jì)制作完成之后可以應(yīng)用的情況有：測(cè)量目標(biāo)包括靶區(qū)和組織器官。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶區(qū)和組織器官進(jìn)行受照射劑量的測(cè)量，能夠檢測(cè)靶區(qū)的受照射劑量和組織器官的受照射劑量，保證合理地實(shí)施放療，降低對(duì)組織器官的輻射污染，并保證對(duì)靶區(qū)的合理照射量，從而盡可能增大對(duì)腫瘤的控制率和降低放療輻射。

3.2 基于3D打印技術(shù)的模型打印

對(duì)于目前的3D打印技術(shù)來(lái)說(shuō)，有一些結(jié)構(gòu)是不能直接進(jìn)行打印的，還需要進(jìn)一步的處理，而且人體組織器官有一些之間會(huì)有交互關(guān)系，打印得到的結(jié)構(gòu)可能無(wú)法進(jìn)行組裝，綜合這些問(wèn)題，打印之前需對(duì)重建的三維模型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使其變成當(dāng)前技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的模型，又不影響各個(gè)器官的打印精度。最后將模型以標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)模板（standard template library，STL）格式導(dǎo)出，拷貝到如銳打400光敏樹(shù)脂3D打印機(jī)器上，選擇需要打印的模型進(jìn)行打印。模型用光敏樹(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)，骨骼的打印材料用石膏粉末進(jìn)行打印，用的是三維打印粘結(jié)成型（噴墨沉積）技術(shù)。為了測(cè)試石膏打印材料是否滿(mǎn)足本研究，將石膏打印出的骨骼用CT進(jìn)行掃描，得出這種材料的CT值大概在600～700 Hu之間，而在軟件上得到的骨骼模型的平均CT值為400 Hu，有一定的偏差，打印3D模型前，需要將模型導(dǎo)入到Magics軟件中，進(jìn)行加支撐操作，讓模型能夠滿(mǎn)足3D打印機(jī)。如果沒(méi)有這步操作，模型將打印失敗。用光敏樹(shù)脂打印，平均每塊需要打印五六個(gè)小時(shí)。打印結(jié)束后，將模型取出，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，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。

3.3 3D體模組織等效材料填充

輻射等效材料的依據(jù)是C T 值相近，從Mimics軟件中，查看模型的特性，即可得到模型的組織結(jié)構(gòu)的平均CT值，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 模型區(qū)域的平均CT值Tab.1 The average CT value of the model region

對(duì)3D打印空殼組件進(jìn)行組裝，按照其真實(shí)的CT值進(jìn)行等效材料的配比。實(shí)驗(yàn)用到的材料為聚氯乙烯（polyvinyl chloride,PVC）和增塑劑，借鑒HASEGAWA等[18]的方法，將配比計(jì)算出來(lái)，其函數(shù)公式為y=6.908 3x－65.564 5，x為PVC和增塑劑的比值，y為CT值。根據(jù)這個(gè)關(guān)系，即可計(jì)算出材料的配方。將所需材料倒入燒杯中加熱至一定溫度，不斷攪拌材料，直至材料變透明并靜置至氣泡消失。趁熱將材料倒入模型當(dāng)中，待冷卻固化即可。由于骨骼對(duì)劑量衰減較大，為盡量模擬真實(shí)人體骨骼情況，一般需要做出骨骼的陽(yáng)模陰模，陽(yáng)模即用隨便一種材料3D打印出骨骼模型，然后將骨骼模型置于一個(gè)容器當(dāng)中，將一種加熱材料注入到容器當(dāng)中，待這種材料冷卻凝固，將里面的骨骼陽(yáng)模取出，即做成陰模。再往陰模里面灌注骨骼的等效材料，這種材料為白水泥與增塑劑進(jìn)行一定的配比，其CT值取為所需值，待材料冷卻凝固成型，從陰模中取出，即可做出具有所需CT值的骨骼模型出來(lái)。

3.4 計(jì)量驗(yàn)證的實(shí)施

將用等效組織材料填充好的體模放在CT模擬定位機(jī)下，插好指形電離室，進(jìn)行掃描，將CT圖像導(dǎo)入到TPS系統(tǒng)當(dāng)中，在CT圖像中逐層勾畫(huà)出電離室的有效測(cè)量體積，將病人的IMRT計(jì)劃移植于體模中進(jìn)行劑量計(jì)算，并記錄有效測(cè)量體積的平均劑量。將體模放置在真空墊上置于直線加速器下，按照病人治療的定位信息進(jìn)行定位，將移植后的治療計(jì)劃導(dǎo)入到直線加速器中，在相同的條件下插好指形電離室，打開(kāi)治療計(jì)劃對(duì)體模進(jìn)行照射。并記錄指形電離室的劑量測(cè)量讀數(shù)，與在TPS系統(tǒng)上所計(jì)算的劑量進(jìn)行對(duì)比、評(píng)估。

4 小結(jié)

近年來(lái)3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在很多領(lǐng)域中都取得了成功應(yīng)用。目前，梁巖等[3]將3D打印應(yīng)用于肺癌腫瘤中；高瑩等[5]獲得了腫瘤放射治療劑量個(gè)體化驗(yàn)證仿真體模及建立方法的專(zhuān)利授權(quán)；戎帥等[19]研究了基于3D打印技術(shù)的腰椎多節(jié)段峽部裂個(gè)性化手術(shù)治療。這些為此技術(shù)應(yīng)用于體模設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可利用的材料不斷豐富，個(gè)體化劑量驗(yàn)證體模的設(shè)計(jì)將更便利，價(jià)格更經(jīng)濟(jì)。使用基于3D打印和組織等效技術(shù)所設(shè)計(jì)的個(gè)體化放療體模進(jìn)行劑量驗(yàn)證，很大限度地模擬了人體的解剖結(jié)構(gòu)、輪廓外形、腫瘤解剖結(jié)構(gòu)及其他危險(xiǎn)器官等組織的解剖結(jié)構(gòu)，制作出合理有效的劑量驗(yàn)證模體。它可以獲得人體腫瘤實(shí)際的受照劑量及劑量分布情況，為放射治療的實(shí)施提供更加真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而為改進(jìn)治療計(jì)劃、增加腫瘤的受照劑量及減少危及器官的受照劑量提供更有力的依據(jù)，提升腫瘤治愈率，降低腫瘤復(fù)發(fā)率，在腫瘤治療的臨床應(yīng)用上有著重大意義。