基于3D打印制作放療個性化頭枕的劑量學測量研究

林發生，陳景強，陳榕欽，柏朋剛（通信作者），李一，全科潤，戴藝濤，錢杰偉

1 福建省腫瘤醫院·福建省醫科大學附屬醫院放療中心 （福建福州 350014）；2 福建省衛生職業技術學院醫學技術系 （福建福州 350101）；3 南華大學核科學技術學院 （湖南衡陽421001）

放射治療是治療惡性腫瘤的3種主要手段之一，60%～70%的腫瘤患者需要接受放射治療[1]。各種放射治療技術的目的在于提高放射治療的增益比，即最大限度地將射線劑量集中至腫瘤內，并使周圍正常組織少受或免受不必要的照射[2-3]。頭頸部腫瘤，特別是鼻咽癌是中國南方高發腫瘤[4]，放射治療是當前鼻咽癌患者的主要手段[5]。鼻咽部周圍緊鄰重要的正常組織多，器官運動少，體位固定和重復性較好，因此鼻咽癌是最適合進行調強放射治療（intensity modulated radiation therapy, IMRT）的腫瘤之一。目前，臨床放射治療實現了三精治療，即精確勾畫、精確設計、精確擺位。精確勾畫與精確設計在計算機輔助設計充分引入放射治療后有了飛速的發展[6]，其精度可以達到毫米級；但是精確擺位與技師、患者及多種因素相關，還無法跟上精確勾畫和精確設計的腳步[7]。本研究針對鼻咽癌患者治療中的標準化頭枕在治療擺位時的缺陷[8]，提出使用CT圖像外輪廓的數據，經過圖像處理，生成立體光刻（S Tereo Lithography，STL）文件格式的模型，設計出個性化敷貼的頭枕，并利用3D打印技術制成3D頭枕，對頭枕的劑量衰減進行測試研究。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2019月1—5月在福建省腫瘤醫院進行放射治療的15例頭頸部腫瘤患者，其中男9例，女6例；年齡38～81歲，平均（56.7±11.8）歲；6例頭頸部腫瘤，3例腦部腫瘤，2例上頜骨部腫瘤，2例口咽部腫瘤，1例耳部腫瘤，1例腮腺部腫瘤。根據放療醫師處方設計IMRT計劃，均設計為5～7個治療野，其中至少1個射野的方向為頭枕底部至頭枕表面，該射野射線束能穿過整個自制頭枕。這些治療計劃被作為后續測量驗證使用。

1.2 3D打印模型制作

選取2018年10月在我院初診治療的鼻咽癌患者1例，患者采用仰臥位，平躺，再用頭枕加熱塑模固定，行Philips大孔徑螺旋定位CT掃描，掃描范圍從頭頂至鎖骨頭上沿；掃描層厚為3 mm，將掃描圖像傳輸至Pinnacle3計劃系統，使用自動勾畫功能提取患者頭部外輪廓；然后在計劃系統中逐層用長方形勾畫出所有可見的標準化頭枕的外輪廓，其中包括模型底部的固定圓柱；利用初步的頭枕外輪廓，減去患者的頭頸部外輪廓，生成頭枕的初步外輪廓；再用此個性化頭枕的外輪廓在計劃系統中收縮3 mm生成個性化頭枕的內輪廓；輸出這2個頭枕的輪廓和頭部輪廓數據，使用自編軟件實現輪廓數據至STL模型的成型；自編軟件采用Python 3.5版，主要結合pydicom和VTK轉換模塊，然后在Autodesk的123D DESIGN（版本2.10.16）軟件讀取頭枕和頭部輪廓數據。

頭枕模型的生成：利用頭枕的外輪廓模型減去內輪廓模型生成初步3 mm厚的空心頭枕，必要時在123D DESIGN軟件中對頭枕模型的局部鋒利突出處進行修整；修整后，在123D DESIGN 軟件中生成3 mm 厚15 cm×30 cm 的長方體；根據我院固定底板的尺寸，在長方體上合適的位置增加2個直徑5 cm、高度0.4 cm的圓柱，并固定在標準固定底板上。

頭部模型的生成：將頭頸部的外輪廓收縮3 mm生成頭頸部的內輪廓，使用其外輪廓減去內輪廓生成頭頸部的3 mm厚的殼模型，根據德國PTW公司的UNIDOS劑量儀所配0.6 cc指型電離室（PTW30013）自帶平衡帽尺寸，從頭頸部模型頂部垂直設計一個空腔，為驗證測量使用。

采 用 美 國 MakerBot 公 司 的 Replicator Z18打 印 機 進行3D打印，打印填充設置均選用聚乳酸（polylactic acid，PLA）40%；頭枕模型為一次成型；頭部模型分為上下2個部分（圖1），打印完成后，分別對上下部分填充溶化后的石蠟，用來模擬頭部內的肌肉。

1.3 驗證計劃設計及測量

在CT模擬機下，分別對頭模型在標準頭枕和3D打印的頭枕上進行模擬患者定位掃描；掃描時均把指形電離室插入在頭模型中，測量劑量儀為PTW UNIDOS；定位中心選擇在電離室的中心位置，掃描層厚2 mm；然后利用Pinnacle計劃系統的驗證模塊，將標準頭枕掃描的一組圖像作為驗證體模；根據標中心點定好治療中心，以治療中心為中心層面勾畫上中下3層電離室的空腔，設定感興趣區域名為chamber；分別將15例IMRT計劃中導入這一模體，計算出chamber平均劑量，然后根據治療次數計算出單次劑量；在加速器（AxesseTM，Elekta公司）下使用圖2中的3D打印頭枕加頭模型進行劑量測量。

圖1 頭枕上側位（左）和底部（右）圖像

圖2 3D打印的頭模型和頭枕

1.4 數據處理

誤差計算采用公式：誤差（%）=（測量值-計算值）/測量值×100%。計算絕對劑量誤差和相對劑量誤差。

2 結果

2.1 計劃系統計算結果與電離室加速器下測量結果

圖3 為電離室的chamber計劃系統計算值和加速器機下測量值。計劃系統計算值平均為（197.8±37.9）cGy, 加速器機下測量值平均為（197.6±39.5）cGy。

圖3 電離室中心點計劃系統計算值和測量值

2.2 誤差統計結果

圖4 為測量中心點的根據誤差公式計算出的誤差百分數，平均誤差（1.63±1.43）%，誤差的絕對值平均為（2.84±1.80）cGy；最大誤差為第5例病例，電離室測量值為101.1 cGy，計劃系統計算值為95.18 cGy，誤差為5.86%。

圖4 測量與計劃系統計算誤差

3 討論

對于劑量驗證準確性的測量在最近的研究中主要是使用面驗證的工具或三維驗證的工具[9-10]。如使用MapCheck對于治療時的驗證，其缺點是把所有的治療機架角度都歸于0°來進行驗證，這樣實際上僅僅是驗證單角度的多葉光柵的準確性和平面的劑量的準確性。而使用ARCCheck的劑量驗證中，雖然不用把機架角度歸于0°，但是其主要驗證的也是一個曲面的劑量，對于實際劑量點缺乏三維空間上的準確充分驗證。本研究采用最初始的驗證方法，即電離室點劑量驗證方法，該方法雖缺乏對劑量點空間分布性的準確驗證，因僅測量空間中的一點的劑量，但還是一種實際可行的方案。

本研究中，15例IMRT計劃基本都是誤差小于3%左右，僅1例誤差較大，為5.86%（圖4）。仔細檢查治療計劃設計過程，發現這例患者較為特殊，其靶區主要在兩側的腮腺位置，為了計劃設計方便，計劃設計者將2個靶區中間作為治療中心，而該位置并不在腫瘤的靶區內部，因此治療中心的點劑量僅為腫瘤靶劑量的50%，且此中心是在劑量跌落比較陡峭的區域。本研究使用的點劑量是勾畫出小感興趣區chamber的平均劑量，在劑量跌落比較陡峭區域計算的劑量會有較大誤差，在研究團隊以往的文章中也有具體的闡述[11]。因此需要避免采用此類中心位置進行驗證測量。

本研究的另一個目的是為制作個性化頭枕所進行的前期研究，根據掃描的2組CT圖像（圖5），其中a、c為使用標準頭枕和3D打印頭枕模型的橫斷面，因選取的均是中心層面，因此a圖的后腦勺部位明顯有寬大的空隙，而c圖相應部位與頭模型完全適形；從矢狀圖b、d的比較中也能夠看到相同的結果。這可能主要是因為本研究使用的頭模型是剛性的，造成患者頭部與標準頭枕之間的間距較大。而臨床實踐中，患者頸部柔性較好，與標準頭枕適形度較好，因而會減少后腦勺與標準頭枕底部的空隙，造成治療實踐中擺位誤差變化方向的不可控性，特別是在患者后腦部與標準頭枕有較大可移動空間的情況下，擺位誤差的變化更加明顯。此外，隨著臨床治療的進行，由于患者消瘦等原因造成的誤差也會增加。在未來的研究中，本研究小組還需進一步深入研究如何使用3D打印頭枕來減少誤差。綜上所述，使用3D打印頭枕代替患者的標準頭枕，在40% PLA填充設置時可以得到與標準頭枕相近似的結果，符合臨床治療的精度要求。

圖5 標準頭枕（a，b）和3D打印頭枕（c，d）擺位圖