基于3D打印技術(shù)的個體化口腔放療支架的設(shè)計

【作 者】丁繼平，涂文勇，胡海生，石慧烽，孔月虹

1 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院，上海市，201999 2 蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院，蘇州市，215004

基于3D打印技術(shù)的個體化口腔放療支架的設(shè)計

【作 者】丁繼平1，涂文勇1，胡海生1，石慧烽1，孔月虹2

1 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院，上海市，201999 2 蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院，蘇州市，215004

該文介紹基于3D打印技術(shù)對口腔放療支架進(jìn)行個體化設(shè)計，并闡述其設(shè)計原理。該裝置基于CT圖像和Mimics軟件輔助建模，構(gòu)建了一套3D打印口腔支架的技術(shù)方法。該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于模型精度高，建模速度快，個體化制作，數(shù)字化存儲，結(jié)果表明3D打印口腔放療支架具備可行性，為口腔支架的制作提供一種新的思路與方法。

3D打?。豢谇恢Ъ?；放療

3D打印技術(shù)的個性化、精準(zhǔn)化、遠(yuǎn)程化等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)上的最直接應(yīng)用就是打印出各式各樣的器官或組織的3D模型[1]。伴隨圖像技術(shù)的發(fā)展，重建數(shù)字化模型的精度大幅提高，促成更多學(xué)術(shù)中心開展3D實體模型構(gòu)建的臨床應(yīng)用研究。3D打印技術(shù)的成熟，個體化設(shè)計及制造的生產(chǎn)效率有了顯著提高，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)個體化治療效率上的不足，將個體化從概念落地為治療理念[2]。

口腔支架的研制主要與材料、制作工藝相關(guān)。早在1965年口腔支架就被應(yīng)用于放射治療領(lǐng)域[3]。球形水囊、一次性注射器、暖水瓶的木塞等[4-6]制作簡易口腔支架，由于位置重復(fù)性差、佩戴不舒適、壓舌效果不肯定、不能個體化等缺點(diǎn)，未能在臨床上得到廣泛推廣應(yīng)用。Qin等[7]經(jīng)過反復(fù)多步驟陰陽模的轉(zhuǎn)換，用甲基丙烯酸甲酯樹脂制作個體化口腔支架，制作過程較繁瑣。上海九院[8]曾用印模膏制作個體化口模，位置重復(fù)性、塑形性尚可，存在易摔碎、密度高、增加電子散射和放射偽影等缺點(diǎn)；熱塑膜密度低，對射線影響小，但塑形性差，制作過程相對較復(fù)雜，均有待進(jìn)一步改進(jìn)。

針對上述問題，課題組通過實踐探索，自主研發(fā)了一套基于CT圖像應(yīng)用Mimics軟件進(jìn)行快速建模設(shè)計、采用3D打印新技術(shù)制作個體化口腔放療支架的技術(shù)方法。本文就口腔放療支架的設(shè)計思路及構(gòu)造、制作步驟及初步應(yīng)用體會作簡要介紹。

1 設(shè)計思路及構(gòu)造

距離防護(hù)是輻射防護(hù)的有效方法之一?？谇恢Ъ芸梢杂脕韺崿F(xiàn)這一目的。根據(jù)增加空間距離方向的不同，可以將口腔支架分類設(shè)計成兩種類型：上下分隔型和左右分隔型。上下分隔型口腔支架增加垂直方向的空間距離，適用于舌癌、口底癌、上牙齦癌、硬軟腭癌等惡性腫瘤的放療；左右分隔型口腔支架適用于單側(cè)腫瘤如頰癌、牙齦癌，盡量將舌向?qū)?cè)推移。下文將主要結(jié)合上下分隔型口腔放療支架對各部分進(jìn)行詳細(xì)闡述，示意圖如圖1所示[9]。

支架本體是一空心殼體。一般來說，支架本體的殼體厚度為（0.2～1）cm。口腔腫瘤侵及黏膜面時，殼體厚度應(yīng)增加至（0.5～1）cm，使之起到組織等效填充物作用，從而提高表面劑量。該支架殼體選擇的是聚乳酸材料，密度均勻，CT值與軟組織相近，能與黏膜面緊密貼合，滿足作為組織等效填充物的要求。支架本體前部作為固定部分，上下表面殼體上分別設(shè)有上牙列壓跡槽和下牙列壓跡槽，上、下牙列壓跡槽均較深，避免該口腔支架佩戴至患者口腔后發(fā)生移動，保證在放射治療過程中該口腔支架良好的位置重復(fù)性。支架本體后部作為支撐壓舌部分，其上下表面分別為腭面和舌面。該部分一方面分離上下頜骨起支撐作用，使危及器官處于高劑量區(qū)外，減少受照劑量；另一方面將舌固定于口腔底部，保證在放射治療過程中舌的良好位置重復(fù)性。支架舌面一般向后延伸至第3磨牙，過短壓舌效果不確定，過長刺激口咽部引起咽后壁反射。同時，支架舌面須與舌緊密接觸，注意給舌預(yù)留一定空間，避免壓舌過緊不適，也不會引起舌后墜造成病人窒息。固定部分和支撐壓舌部分兩者之間以透氣通道貫通。帶有透氣通道的口腔支架有利于保持病患佩戴該口腔支架行放射治療時的氣道通暢，該優(yōu)勢對口腔腫瘤的放療極其重要，可有效防止呼吸窘迫、窒息等意外的發(fā)生，因其放療過程中咽喉水腫氣道變窄的情況時有發(fā)生。透氣孔的周邊有3個標(biāo)記孔。MV級X線以康普頓散射為主，骨與軟組織圖像分辨率低，電子射野影像顯示模糊，置放顯影清晰的三個非共面金屬標(biāo)記，可以提高射野圖像與參考圖象配準(zhǔn)的速度與精度，有利于頭頸部的圖像引導(dǎo)放療。

2 制作步驟

第一步：取紅色印模膏兩塊置于70 ℃熱水中，軟化后取出，小心放入病患口中，囑其慢慢咬合塑形，2 min后取出，放置冷水中冷卻定形。

第二步：將其行CT斷層掃描。掃描條件：120 kV，層厚0.625 mm，層距0.625 mm，圖像以Dicom3.0標(biāo)準(zhǔn)直接存儲，從而完成數(shù)據(jù)采集。掃描層厚僅為0.625 mm，空間分辨率高，重建的圖像逼真清晰，以Dicom格式存儲的原始圖像能直接被Mimics軟件讀取，在預(yù)處理時無需進(jìn)行任何形式圖像轉(zhuǎn)換，減少人為因素，從而保證模型精度高。

圖1 口腔放療支架Fig.1 Oral stent used in radiotherapy

第三步：將CT圖像導(dǎo)入Mimics 10.01軟件，為使細(xì)節(jié)盡可能被提取，多次嘗試界定閾值建立蒙罩（mask)，經(jīng)除噪處理去除冗余數(shù)據(jù)后，再經(jīng)calculate 3D from mask建立三維模型。Mimics軟件能自動識別讀取Dicom格式的CT原始圖像，運(yùn)行一次程序能在很短的時間內(nèi)讀取圖片，使原始CT圖像資料的轉(zhuǎn)換非常迅速。

第四步：在MEDCAD模塊中于口腔支架中央設(shè)計圓柱形孔道，有助于氣道通暢；于前端三個位置勾畫不同深度的標(biāo)記孔，經(jīng)罩編輯與罩布爾運(yùn)算后在3D視圖中顯示，符合要求后保存為Binary STL格式，因為設(shè)計軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。數(shù)字化存儲格式，克服了以往口腔支架遺失或碎裂后難以重復(fù)的缺點(diǎn)。

第五步：將該文件導(dǎo)入3D打印機(jī)Makerbot Replicator 2（MakerBot公司，美國），根據(jù)臨床需要確定打印參數(shù)，包括支撐、底座、壁厚層數(shù)、內(nèi)部填充等，然后打印出個體化三維模型，最后在標(biāo)記孔內(nèi)置入合適的金屬標(biāo)記封存好。實體模型如圖2所示。

圖2 實體模型的構(gòu)建Fig.2 Construction of solid model

3 臨床應(yīng)用及結(jié)論

我們應(yīng)用該支架給20例舌癌術(shù)后放療患者（如圖3所示）在佩戴和不佩戴3D打印口腔支架兩種方式下分別行CT定位掃描，經(jīng)同一醫(yī)生勾畫靶區(qū)和正常組織，然后傳至計劃系統(tǒng)Pinnacle 9.0制定兩組計劃進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，兩組計劃在執(zhí)行效率方面差異無統(tǒng)計學(xué)意義，靶區(qū)在適形指數(shù)、均勻指數(shù)方面比較亦無統(tǒng)計學(xué)意義。但是，佩戴組上唇、上頰、硬腭及軟腭

圖3 一例應(yīng)用上下分隔型口腔支架舌癌患者Fig.3 A tongue cancer patient with the upper and lower bracket separated

的受照劑量均較對照組明顯下降，有顯著性統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05），口腔黏膜炎的發(fā)生明顯減少，具有一定的臨床應(yīng)用價值。

綜上所述，本研究成功使用CT圖像和Mimics軟件輔助建模，通過3D打印新技術(shù)制作實體模型。該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于模型精度高、建模速度快、個體化制作、數(shù)字化存儲，為個體化口腔放療支架的制作提供了一種高效、準(zhǔn)確、簡單的方法，有利于其產(chǎn)品化，從而推動臨床應(yīng)用推廣。該技術(shù)已獲得中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利授權(quán)[9]。

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Design of Individualized Oral Radiotherapy Stent Based on 3D Printing Technique

【 Writers 】DING Jiping1, TU Wenyong1, HU Haisheng1, SHI Huifeng1, KONG Yuehong2
1 Shanghai the Ninth People's Hospital Aff i liated to Shanghai JiaoTong University School of Medicine, Shanghai, 201999 2 The Second Aff i liated Hospital of Soochow University, Suzhou, 215004

This paper introduces the individual design of oral radiotherapy stent based on 3D printing technology, and expounds its design principle. The modeling of the device is based on CT images and Mimics software, which builds a set of 3D printing oral stent technology. The instrument has more advantage in high precision, fast modeling, individualized production and digital storage. The results show that the construction of 3D printed dental stent is feasible, which provides a new idea and method for the production of oral stents.

3D printing, oral stent, radiotherapy

R319

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.06.018

1671-7104(2017)06-0458-02

2017-03-20

上海市科委醫(yī)學(xué)引導(dǎo)類項目（14411967900）

丁繼平，E-mail: dingjiping2013@163.com

涂文勇，E-mail: tu4you@163.com