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，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腫瘤靶區(qū)進(jìn)行照射，利用對腫瘤的輻射損傷從而達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞的目的。現(xiàn)代放療技術(shù)正朝著“精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)設(shè)計、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)，同時滿足靶區(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，治療前的劑量驗證也至關(guān)重要，而目前臨床上使用的劑量驗證體模大都為均勻體模，不能體現(xiàn)每個病人不同的解剖結(jié)構(gòu)，測量不準(zhǔn)確。因此設(shè)計能夠個體化體現(xiàn)病人特征的三維劑量驗證體模，對進(jìn)行更準(zhǔn)確的劑量驗證有很大的幫助，對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)研究有著重要的價值。3D打印是一種基于計算機(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。

下面對一種個體化的3D打印三維體模進(jìn)行劑量驗證做一綜述，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)及其他危險器官等組織的解剖結(jié)構(gòu)，制作出合理有效的劑量驗證模體[2-5]。從而為治療計劃的改進(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、治療計劃的設(shè)計、治療計劃的確認(rèn)和治療計劃的執(zhí)行。體模階段要求放療技師對病人進(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圖像傳到計劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）中，并由腫瘤科醫(yī)生對圖像中的腫瘤靶區(qū)進(jìn)行勾畫。治療計劃的設(shè)計要求物理師根據(jù)醫(yī)生開的病人的劑量處方做計劃，該步驟至關(guān)重要，若劑量給得不足會導(dǎo)致腫瘤較易復(fù)發(fā)，劑量給得過高則會引起病人的不良反應(yīng)，正常組織的損傷也會很大。因此，做好計劃之后要經(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劃。

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

從患者治療計劃的設(shè)計到治療實施過程的各個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生一定的誤差，這其中的誤差大致包含了三個部分：①來源于治療計劃原始數(shù)據(jù)的誤差，計算機(jī)調(diào)用的治療機(jī)機(jī)器參數(shù)是在實際測量的有限數(shù)據(jù)中擬合出來的，本身存在一定的誤差，而且作為其數(shù)據(jù)來源的實際測量的數(shù)據(jù)在獲取時也包含了測量誤差；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，以及目前計算最為精確的蒙卡（Monte Carlo，MC）算法都存在一定范圍的計算誤差，BRAGG等研究了超級迭代算法、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)這些算法計算的劑量都與實際劑量值存在一定的誤差；③治療實施時的機(jī)器誤差，這部分的誤差包括：機(jī)器是否按照預(yù)設(shè)的計劃實施了照射，劑量的傳遞是否準(zhǔn)確以及治療機(jī)本身的誤差等。ICRU24號報告指出，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，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。正因為調(diào)強(qiáng)放療過程存在諸多不確定性，因此我們必須在治療實施前對調(diào)強(qiáng)放療計劃進(jìn)行劑量學(xué)驗證。

2 劑量驗證在放療中的應(yīng)用與發(fā)展

2.1 劑量驗證方法簡介

目前，劑量驗證的方法分為絕對劑量驗證和相對劑量驗證。絕對劑量驗證的方法有指形電離室、水箱等，而相對劑量驗證有膠片劑量計、二維電離室矩陣Matrixx、熱釋光劑量計、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就能夠很方便地對病人的治療計劃進(jìn)行劑量驗證，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，能較精確地測量二維劑量分布。Matrixx僅僅需要測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)行劑量的驗證，用Gamma算法對實際測量結(jié)果和TPS系統(tǒng)計算的結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果方便直觀。

前人的研究結(jié)果證明，實際機(jī)架角劑量驗證的γ通過率更接近真實情況，建議用實際機(jī)架角進(jìn)行劑量驗證。Delta4三維劑量驗證系統(tǒng)是由兩個正交的二維半導(dǎo)體探測器矩陣嵌在圓柱體模體中，共有1 069個P型圓柱形半導(dǎo)體探測器，具有各向同性的特性，沒有角度依賴性，可完成任意角度的測量。ArcCHECK驗證模體作為一個四維的探測器陣列，特別應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)驗證計劃，模體是一個直徑21 cm，長度21 cm的圓柱形，通身1 386 個二極管探測器，都能與所測射野垂直[15]。這兩種方法都能夠有效地測量靶區(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)部會有組織空腔差異。而圓柱體體模得出的劑量測量結(jié)果與實際受照劑量結(jié)果還是有差異。

2.2 仿真模體在劑量驗證的應(yīng)用

早在上世紀(jì)80年代，已經(jīng)開始進(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，用于測量劑量，替代活體進(jìn)行試驗。輻射組織等效材料的設(shè)計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)、對射線的輻射和散射吸收等特性與真實人體相似或相當(dāng)?shù)牟牧?。用仿真輻照體模替代活體進(jìn)行試驗，對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程中的安全。但這些仿真輻照體模一般需要通過相應(yīng)的研究公司進(jìn)行購買，而且價格昂貴，更重要的是這種體模是一種標(biāo)準(zhǔn)型體模，不代表某一病人個體，不具有特異性的特點。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)與快速發(fā)展，很多人開始利用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)的治療計劃，得到醫(yī)生的確認(rèn)，做好定位驗證工作；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圖像的各個部分繪制成與實際形狀一致的三維薄層空殼組件，使用3D打印機(jī)打印出各個三維薄層空殼組件；使用組織輻射等效材料填充靶區(qū)對應(yīng)的空殼組件；將各個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劃移植到體模上，做好質(zhì)量保證（quality assurance，QA）并將驗證計劃導(dǎo)入直線加速器系統(tǒng)；根據(jù)實際擺位方式和放療計劃，對人體模擬體模進(jìn)行照射；用指形電離室測量待測區(qū)域的劑量，并與計劃系統(tǒng)上其對應(yīng)位置的劑量值進(jìn)行對比和評估。

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的CT圖像重建出病人各個器官三維空殼結(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值也相似的劑量驗證體模。定位時獲取的CT圖像都是灰度圖像，準(zhǔn)確地分割出每個器官及腫瘤也是問題的重中之重。參考臨床醫(yī)生勾畫的各個器官與腫瘤靶區(qū)，并利用閾值分割等方法對基礎(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)計制作完成之后可以應(yīng)用的情況有：測量目標(biāo)包括靶區(qū)和組織器官。同時實現(xiàn)對靶區(qū)和組織器官進(jìn)行受照射劑量的測量，能夠檢測靶區(qū)的受照射劑量和組織器官的受照射劑量，保證合理地實施放療，降低對組織器官的輻射污染，并保證對靶區(qū)的合理照射量，從而盡可能增大對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

對于目前的3D打印技術(shù)來說，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有交互關(guān)系，打印得到的結(jié)構(gòu)可能無法進(jìn)行組裝，綜合這些問題，打印之前需對重建的三維模型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使其變成當(dāng)前技術(shù)可以實現(xiàn)的模型，又不影響各個器官的打印精度。最后將模型以標(biāo)準(zhǔn)庫模板（standard template library，STL）格式導(dǎo)出，拷貝到如銳打400光敏樹脂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，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)。為了測試石膏打印材料是否滿足本研究，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，讓模型能夠滿足3D打印機(jī)。如果沒有這步操作，模型將打印失敗。用光敏樹脂打印，平均每塊需要打印五六個小時。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3D打印空殼組件進(jìn)行組裝，按照其真實的CT值進(jìn)行等效材料的配比。實驗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，將配比計算出來，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)這個關(guān)系，即可計算出材料的配方。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。由于骨骼對劑量衰減較大，為盡量模擬真實人體骨骼情況，一般需要做出骨骼的陽模陰模，陽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。

3.4 計量驗證的實施

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圖像中逐層勾畫出電離室的有效測量體積，將病人的IMRT計劃移植于體模中進(jìn)行劑量計算，并記錄有效測量體積的平均劑量。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，打開治療計劃對體模進(jìn)行照射。并記錄指形電離室的劑量測量讀數(shù)，與在TPS系統(tǒng)上所計算的劑量進(jìn)行對比、評估。

4 小結(jié)

近年來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體化驗證仿真體模及建立方法的專利授權(quán)；戎帥等[19]研究了基于3D打印技術(shù)的腰椎多節(jié)段峽部裂個性化手術(shù)治療。這些為此技術(shù)應(yīng)用于體模設(shè)計奠定了基礎(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，個體化劑量驗證體模的設(shè)計將更便利，價格更經(jīng)濟(jì)。使用基于3D打印和組織等效技術(shù)所設(shè)計的個體化放療體模進(jìn)行劑量驗證，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)及其他危險器官等組織的解剖結(jié)構(gòu)，制作出合理有效的劑量驗證模體。它可以獲得人體腫瘤實際的受照劑量及劑量分布情況，為放射治療的實施提供更加真實的測量數(shù)據(jù)，從而為改進(jìn)治療計劃、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。