3D打印頭枕在鼻咽癌放療擺位誤差中的應(yīng)用

譚林 徐博 葉榮 張薇莎 黃發(fā)生

放療頭枕作為放療體位固定最常用也是最重要的工具之一，其對(duì)體位固定精度的重要性明顯，對(duì)頭頸部放療的擺位精度影響最大。林承光等[1]通過(guò)對(duì)目前使用最多的標(biāo)準(zhǔn)化樹(shù)脂頭枕加熱塑膜的固定方式研究發(fā)現(xiàn)，頭頸部腫瘤放療中頸部的擺位誤差比頭部的誤差大[2]。對(duì)此情況也有采用發(fā)泡膠或真空墊聯(lián)合熱塑膜等方法進(jìn)行改善[3-4]。近年來(lái)，3D打印補(bǔ)償膜、口含器、面膜等一系列產(chǎn)品在放療中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5-7]，四川省人民醫(yī)院利用3D打印技術(shù)為放療患者個(gè)性化定制放療頭枕，擬通過(guò)對(duì)患者頭頸部CT圖像精準(zhǔn)建模打印的3D頭枕與患者體表精準(zhǔn)貼合，可以更好地滿足放療精準(zhǔn)擺位需求，同時(shí)能夠提升患者的治療舒適度。本研究利用3D打印技術(shù)為頭部腫瘤放療患者定制個(gè)體化精準(zhǔn)放療頭枕，通過(guò)與常規(guī)放療的標(biāo)準(zhǔn)化頭枕進(jìn)行比較，對(duì)其擺位精準(zhǔn)度和重復(fù)性進(jìn)行臨床應(yīng)用評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

隨機(jī)選取2020年4月至2021年8月在四川省人民醫(yī)院進(jìn)行放療的鼻咽癌患者（T2～4N1～3M0）40例，其中男性28例，女性12例，年齡26～79歲，平均年齡52（49.7±12.3）歲。分為3D打印頭枕組20例，其中男性14例，女性6例；常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)頭枕組20例，其中男性14例，女性6例。兩組患者在年齡、性別的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。所有患者均采用調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃，每周5次治療。

1.2 方法

1.2.1 頭枕制作 放療患者均采用仰臥位，雙手置于體側(cè)。常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)放療頭枕組均采用常規(guī)放療流程，常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化頭枕結(jié)合熱塑膜進(jìn)行CT定位掃描。3D打印頭枕組患者先于大孔徑定位CT上采集頭頸部CT數(shù)據(jù)（掃描層厚1 mm），重建完成后將數(shù)據(jù)用光盤(pán)刻錄再至3D醫(yī)學(xué)打印中心進(jìn)行3D建模打印，頭枕由3D打印機(jī)打印完成后，采用3D頭枕結(jié)合熱塑膜由大孔徑定位CT進(jìn)行定位掃描。3D打印個(gè)性化頭枕實(shí)物和3D頭枕結(jié)合熱塑膜實(shí)物見(jiàn)圖1。

1.2.2 頭枕材料與射線透射率 所有3D打印頭枕均采用5%聚乳酸（polylactic acid，PLA），頭枕模型均為一次成型，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，射線通過(guò)率＞97.62%，符合實(shí)際臨床使用要求。

1.2.3 圖像以及數(shù)據(jù)采集 運(yùn)用直線加速器（美國(guó)瓦里安公司）自帶的瓦里安23EX機(jī)載影像系統(tǒng)（on board imager system，OBI），每周進(jìn)行1次錐形束CT（cone beam CT，CBCT）圖像采集，并記錄靶區(qū)區(qū)域的擺位誤差?；仡櫺苑治鯟BCT圖像，在靶區(qū)區(qū)域擺位誤差基礎(chǔ)上，采用自動(dòng)配準(zhǔn)為主與手動(dòng)微調(diào)為輔的方法，獲得頸椎區(qū)域以及C1～C7各個(gè)椎體頸椎的擺位誤差。靶區(qū)配準(zhǔn)區(qū)域參考醫(yī)科達(dá)中國(guó)圖像引導(dǎo)放療（image guided radiation therapy，IGRT）協(xié)作組標(biāo)準(zhǔn)：以下頜骨、鼻尖前面為前界，枕骨和棘突后緣為后界，上界至顱骨底和眉弓，下界至第四頸椎下緣，左右包含兩側(cè)耳背內(nèi)緣。頸椎區(qū)域配準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：前界至椎體前緣，后界至棘突后緣，上界至第二頸椎上緣，下界至第六頸椎下緣，左右包含兩側(cè)橫突外緣。頸椎配準(zhǔn)區(qū)域：C1～C7每個(gè)椎體的匹配區(qū)域上下界均為椎體上下緣，前后界均為椎體前緣和棘突后緣，左右以兩側(cè)頸部外緣相切為界。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)區(qū)域的擺位誤差對(duì)比分析

3D打印頭枕組掃描129次，標(biāo)準(zhǔn)化頭枕組掃描120次。兩組患者以靶區(qū)作為配準(zhǔn)區(qū)域的擺位誤差結(jié)果見(jiàn)表1。在升降、進(jìn)出、左右方向上的擺位誤差無(wú)顯著性差異（P＞0.05），但有減小趨勢(shì)，說(shuō)明3D打印頭枕的固定效果對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)化頭枕有一定的改善，使患者頸肩部曲面與頭枕高度貼合無(wú)縫隙（圖2）。

表1 40例鼻咽癌患者兩種固定方式以靶區(qū)為配準(zhǔn)區(qū)域的擺位誤差對(duì)比 （±s，mm）

表1 40例鼻咽癌患者兩種固定方式以靶區(qū)為配準(zhǔn)區(qū)域的擺位誤差對(duì)比 （±s，mm）

組別 CBCT（次）擺位誤差升降 進(jìn)出 左右3D打印頭枕組 129 0.87±0.78 1.09±0.86 0.88±1.18標(biāo)準(zhǔn)化頭枕組 120 1.01±0.83 1.27±0.92 1.08±0.89 P- 0.172 0.127 0.131 t- -1.371 -1.532 -1.514

2.2 以頸椎區(qū)域配準(zhǔn)的擺位誤差對(duì)比分析

相比于標(biāo)準(zhǔn)化頭枕，3D打印頭枕對(duì)于患者的頭部、頸部以及整個(gè)肩部均有較好的包裹和支撐固定，以頸椎為配準(zhǔn)區(qū)域的擺位誤差結(jié)果對(duì)比可以明顯觀察到3D打印頭枕在頸肩部的支撐包裹固定性的優(yōu)勢(shì)。表2提示，3D打印頭枕相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化頭枕在頸椎區(qū)域的擺位誤差明顯改善，并且在升降、進(jìn)出、左右3個(gè)方向的擺位誤差均有顯著性差異（均P＜0.05）。

表2 40例鼻咽癌患者兩種固定方式以頸椎為配準(zhǔn)區(qū)域的擺位誤差對(duì)比 （±s，mm）

表2 40例鼻咽癌患者兩種固定方式以頸椎為配準(zhǔn)區(qū)域的擺位誤差對(duì)比 （±s，mm）

組別 CBCT（次）擺位誤差升降 進(jìn)出 左右3D打印頭枕組 129 0.65±0.64 0.40±0.49 0.90±0.74標(biāo)準(zhǔn)化頭枕組 120 1.08±0.96 0.80±0.80 1.62±1.51 P- ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 t- -4.175 -4.818 -4.861

為了更細(xì)致地研究3D打印頭枕對(duì)頸肩部的擺位改善，本研究將每一個(gè)頸椎以及鎖骨在升降、進(jìn)出、左右3個(gè)方向的擺位誤差均進(jìn)行測(cè)量。表3～5的結(jié)果提示，從第一頸椎至整個(gè)頸肩部，3D打印頭枕的擺位誤差均明顯小于標(biāo)準(zhǔn)化頭枕，并且在升降、進(jìn)出、左右3個(gè)方向的擺位誤差的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）。

表3 兩組CBCT圖像與CT圖像在C1～C7升降方向的配準(zhǔn)差值 （± s，mm）

表3 兩組CBCT圖像與CT圖像在C1～C7升降方向的配準(zhǔn)差值 （± s，mm）

項(xiàng)目 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 3D打印頭枕組 0.26±0.46 0.38±0.59 0.55±0.74 0.73±0.79 0.99±1.00 1.22±1.06 1.28±1.01標(biāo)準(zhǔn)化頭枕組 0.56±0.64 0.55±0.63 0.83±0.79 1.19±1.02 1.65±1.35 2.10±1.59 2.62±1.88 t-4.280 -2.183 -2.987 -3.996 -4.384 -5.174 -7.126 P＜0.001 0.030 0.003 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

表4 兩組CBCT圖像與CT圖像在C1～C7進(jìn)出方向的配準(zhǔn)差值 （± s，mm）

表4 兩組CBCT圖像與CT圖像在C1～C7進(jìn)出方向的配準(zhǔn)差值 （± s，mm）

項(xiàng)目 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 3D打印頭枕組 0.11±0.36 0.58±0.67 0.42±0.54 0.45±0.54 0.46±0.53 0.48±0.55 0.47±0.53標(biāo)準(zhǔn)化頭枕組 0.54±0.81 0.83±0.81 0.84±0.75 0.84±0.79 0.82±0.79 1.00±0.85 1.01±0.89 t-5.517 -2.644 -3.986 -4.735 -4.242 -5.771 -5.623 P＜0.001 0.009 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

表5 兩組CBCT圖像與CT圖像在C1～C7左右方向的配準(zhǔn)差值 （± s，mm）

項(xiàng)目 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 3D打印頭枕組 0.38±0.56 0.69±0.62 0.81±0.73 0.86±0.79 1.01±0.82 1.14±0.99 1.32±1.14標(biāo)準(zhǔn)化頭枕組 0.88±0.96 1.21±1.13 1.58±2.88 1.55±1.47 1.91±1.49 2.02±1.58 2.30±1.66 t-5.159 -4.503 -2.952 -4.696 -5.976 -5.318 -5.512 P＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

3 討論

頭頸部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鼻咽癌靶區(qū)范圍大且形狀不規(guī)則，所以靶區(qū)經(jīng)常毗鄰重要危及器官。國(guó)際輻射單位與測(cè)量委員會(huì)（ICRU）24號(hào)報(bào)告明確提出，3%～5%的劑量變化就會(huì)影響局部控制率或者并發(fā)癥增加[8]，因此為患者提供一個(gè)可靠的、重復(fù)性和舒適性好的固定方式尤為重要[9]。有研究表明，在目前的擺位固定技術(shù)下，鼻咽癌以靶區(qū)作為配準(zhǔn)區(qū)域的擺位誤差已經(jīng)較小[10]，但是頸部的擺位誤差仍較大[11]。鼻咽癌頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移率極高，70%的患者在就診時(shí)會(huì)出現(xiàn)頸部淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移[12]。所以醫(yī)生在勾畫(huà)CTV時(shí)不僅包括已有轉(zhuǎn)移的頸部淋巴結(jié)，也會(huì)勾畫(huà)相應(yīng)的淋巴引流區(qū)，并且頸部的移動(dòng)可能會(huì)影響脊髓和腦干的劑量，所以提高頸部的擺位精度有著極為重要的意義。頸部由于頸椎高度靈活性和頸肩部本身的弧形結(jié)構(gòu)固定不佳，目前大部分單位采用的標(biāo)準(zhǔn)頭枕結(jié)合頭頸肩熱塑膜的固定方式，由于使用的標(biāo)準(zhǔn)化頭枕尺寸固定，患者頸肩部基本上均有一定位置的懸空，導(dǎo)致頸肩位置更加容易產(chǎn)生擺位誤差。

針對(duì)鼻咽癌放療時(shí)頸部固定不佳的問(wèn)題，本研究采用3D打印頭枕進(jìn)行改進(jìn)。3D打印頭枕采用聚乳酸一體打印成型，具有射線穿透率高、后期處理無(wú)異味、表面光滑無(wú)毛刺且受壓形變小等優(yōu)點(diǎn)。3D打印個(gè)性化頭枕通過(guò)患者CT圖像進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)字化建模，然后精準(zhǔn)打印，可以使患者頸肩部曲面與頭枕高度貼合無(wú)縫隙，并且可以按照患者的不同情況進(jìn)行個(gè)性化定制，頸肩曲面的高度貼合可以有效減少旋轉(zhuǎn)與偏移并且提升患者的治療舒適度。3D打印不受患者體型的影響，且硬度較高，可以有效減小“點(diǎn)頭”運(yùn)動(dòng)對(duì)頸肩部擺位的影響。本研究通過(guò)對(duì)兩組患者擺位誤差數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用3D打印頭枕的患者在整體頸椎的擺位誤差改善非常明顯。3D打印頭枕符合現(xiàn)代精準(zhǔn)放療的擺位要求并且與傳統(tǒng)放療擺位銜接性較好，未對(duì)計(jì)劃設(shè)計(jì)及加速器治療增加進(jìn)行額外的工作量。

3D打印技術(shù)在放療領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用十分廣泛[13]，取得的效果較好，但是目前對(duì)于3D打印個(gè)性化頭枕的相關(guān)報(bào)道較少。本研究提示3D打印頭枕作為一項(xiàng)很有前景的研究方向，其高度適形，對(duì)擺位誤差的改善，對(duì)于患者放療舒適度的改善，非常符合現(xiàn)代精準(zhǔn)放療的發(fā)展方向。在使用過(guò)程中，本研究也存在一些不足：1）隨著放療療程的進(jìn)行，使用3D打印個(gè)性化頭枕的患者后頸部的皮膚反應(yīng)要比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)放療頭枕的患者重，應(yīng)該是由于3D打印個(gè)性化頭枕相比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化放療頭枕增加了對(duì)頸肩部位的包裹固定，后期本研究組考慮適當(dāng)減少打印枕頭下部的體積與對(duì)頸肩部的包裹高度，希望可以減輕皮膚反應(yīng)；2）目前國(guó)內(nèi)外有多項(xiàng)3D打印頭模固定的研究，已有研究[14-15]取得了較好的效果，本研究組考慮后期將3D打印頭枕與3D打印頭模結(jié)合使用，希望對(duì)患者放療有更好的幫助；3）由于3D打印頭枕是個(gè)性化定制產(chǎn)品，相對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)放療頭枕而言，需要一些制作時(shí)間，目前約為4～6 h，一般情況下患者在第一次采集頭頸部的CT數(shù)據(jù)后，需要等待頭枕打印出來(lái)后再進(jìn)行放療定位，有可能需要多等待1天；4）雖然標(biāo)準(zhǔn)頭枕僅有4個(gè)型號(hào)，很難完美貼附不同體型輪廓的患者，起不到很好地固定和輔助擺位作用，但目前頭頸部放療定位的頭枕已經(jīng)在臨床應(yīng)用十幾年，也基本符合精準(zhǔn)放療的要求，關(guān)鍵點(diǎn)在于能夠重復(fù)使用，不會(huì)給患者帶來(lái)額外經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)。而3D打印頭枕雖然在頸椎位置具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在靶區(qū)整體的優(yōu)勢(shì)并不明顯，且制作成本比較昂貴，愿意負(fù)擔(dān)的患者為少數(shù)，導(dǎo)致現(xiàn)階段無(wú)法大規(guī)模在臨床開(kāi)展應(yīng)用。因此，現(xiàn)階段僅能開(kāi)展臨床研究，影響了本研究的實(shí)用性。但是相信隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和普及，打印時(shí)間及打印成本會(huì)進(jìn)一步降低。另外，若將3D打印用品納入醫(yī)院采購(gòu)，后期商業(yè)保險(xiǎn)可以報(bào)銷(xiāo)，這樣相信會(huì)有更多的患者可以享受到此項(xiàng)技術(shù)帶來(lái)的益處。

綜上所述，3D打印個(gè)性化放療頭枕提高了鼻咽癌放療的擺位精度，提升了患者的放療舒適度，符合精準(zhǔn)放療的臨床要求，可用于進(jìn)一步的臨床研究。