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(jié)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(yīng)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(shù)在腫瘤放療中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)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(shù)應(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)

我院應(yīng)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(shè)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(zhì)為均勻打孔的環(huán)氧樹脂，它是一種質(zhì)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(jié)構(gòu)分為無孔和有孔兩種，其中有孔膜的網(wǎng)孔直徑分別為0.2、0.4 cm；0.20 cm厚度的膜網(wǎng)孔直徑為0.4 cm，膜的孔間距均為0.15 cm；國產(chǎn)熱塑頭膜材質(zhì)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(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jù)每張膠片的光學密度和實際劑量的對應(yīng)關(guān)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(yīng)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(jié)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(chǎn)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(wǎng)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(jié)果

2.1 相同厚度的3D打印環(huán)氧樹脂頭膜和國產(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，腫瘤往往臨近重要的正常器官（如視神經(jīng)、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(yīng)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(chǎn)熱塑膜，3D打印技術(shù)可以根據(jù)患者頭部CT圖像打印出個體化均質(zhì)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(diào)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)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(jié)果和上述學者的結(jié)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(guān)[14]，以上現(xiàn)象原因可能為：①X射線在經(jīng)過不同密度的兩種物質(zhì)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(cè)，致使界面處劑量發(fā)生改變。在臨床應(yīng)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(cè)，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(zhì)的厚度、密度越大與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子數(shù)越多，物質(zhì)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(lǐng)域個體化制定的需求越來越顯著，3D打印技術(shù)以其個性化、精準化的優(yōu)勢醫(yī)療行業(yè)擁有廣泛的應(yīng)用前景[15-18]，其在放射治療領(lǐng)域也顯現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，Laycock等[19]論證了將3D打印技術(shù)應(yīng)用于放療頭膜制作的可行性，并對不同的3D打印材質(zhì)的物理劑量特性進行了測試；Robertson等[20]使用3D打印技術(shù)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(fù)性，實驗結(jié)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(shù)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(shù)可個體化制作不同材質(zhì)、厚度、孔徑的均質(zhì)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(wǎng)孔過大也會降低頭膜的強度，影響頭膜的固定性和重復(fù)性，因此，在設(shè)計3D打印頭膜時要兼顧體位的良好固定；另外，3D打印材質(zhì)價格普遍較高，舒適性較差也是其目前不能廣泛應(yīng)用于臨床的原因，因此，3D打印體膜材質(zhì)的選擇也是我們目前面臨的主要問題。總之，3D打印技術(shù)可根據(jù)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。