3D打印技術(shù)在放療中的應(yīng)用進展

湖南省腫瘤醫(yī)院/中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院 放射物理技術(shù)部，湖南 長沙 410013

引言

目前，腫瘤治療的三大手段是手術(shù)、放療與化療。放療是治療腫瘤有效且必不可少的方法，根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計表明，約50%～70%的腫瘤患者需要接受放射治療[1]，如何提高放療質(zhì)量和實現(xiàn)精確放療一直是放療界關(guān)注的重點。近年來，3D打印技術(shù)由于其具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個體化、定制化、打印精度高、操作簡單等特點，能夠方便快捷地制作出各種精細(xì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，從而實現(xiàn)盡可能提高放療靶區(qū)的劑量，降低周圍正常組織的損傷，有效地提高放療的治療精度和安全性，已成為放療界關(guān)注和研究的焦點。本文就3D打印技術(shù)的原理、實現(xiàn)方式以及其在放療各個方面的應(yīng)用進展做一綜述。

1 3D打印技術(shù)及其實現(xiàn)方式

3D打印與普通打印的工作原理類似，但在成型方法和打印材料上存在著不同。3D打印技術(shù)是一種利用熱熔噴嘴、激光束等方式，將塑料、金屬、高分子材料、陶瓷粉末、組織細(xì)胞等材料按照電腦創(chuàng)建的三維設(shè)計圖，以“分層制造、疊加成型”的方式來制造三維物體的技術(shù)[2]。該技術(shù)由于可以制作任意復(fù)雜幾何形狀的實體，極大地降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的制造難度，并且在很大程度上提升了生產(chǎn)效率，具有成型精度高、重復(fù)性好、可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。這些優(yōu)點是傳統(tǒng)工藝無法比擬的，因此又被稱為“具有工業(yè)革命意義”的制造技術(shù)[3]。

目前，3D打印技術(shù)的實現(xiàn)方式主要有以下三類：選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sinering，SLS），立體光固化成型（Stereo Lithograpy Apparatus，SLA），熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）等[4-6]。幾種實現(xiàn)方式的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 3D打印技術(shù)的幾種實現(xiàn)方式對比

2 3D打印技術(shù)在制作放療組織補償膜方面的應(yīng)用

放療的宗旨是盡可能地提高靶區(qū)的劑量，同時讓正常組織受到的劑量盡可能少[7]。在放療領(lǐng)域中，有一些很難提高靶區(qū)劑量的腫瘤，比如鼻腔NKT淋巴瘤、晚期鼻咽癌、根治術(shù)后需放療的乳腺癌等等，這些腫瘤患者的放療靶區(qū)大部分在淺表部位，由于高能射線建成效應(yīng)的影響，腫瘤靶區(qū)的劑量很難提高[8]。因此需要為放療患者制作組織補償膜來獲取滿意的放療劑量分布。

組織補償膜的常規(guī)制造方式是利用石蠟等組織等效材料，根據(jù)所需的大小制作后直接覆蓋在患者腫瘤部位的皮膚表面。該種方法制作出來的補償膜與患者貼合性較差，而且容易松動，放療過程中容易造成劑量偏差。3D打印技術(shù)可快速精確復(fù)制放療患者的外輪廓信息，并制作個體化的放療組織補償膜[9]。與常規(guī)的補償膜制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有以下優(yōu)勢：① 可為患者“量身定制”復(fù)雜精密的組織補償膜，提高放療患者劑量的精確性，從而減少放射性并發(fā)癥發(fā)生的概率；② 計算機控制的3D打印系統(tǒng)易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作和評價；③ 3D打印的精度可達(dá)100 μm，可滿足放療補償膜高精度的要求[10]。用于制備個性化補償膜的3D打印材料主要為一種新型的具有優(yōu)良抑菌及抗霉特性的生物可降解材料——聚乳酸（Polylactic Acid，PLA），其主要由可再生植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。前人研究應(yīng)用3D熔融沉積技術(shù)以及高分子材料PLA制備了電子線組織補償膜，在3D打印完成后，利用CT掃描驗證了3D打印組織補償膜和普通補償膜與實際人體嵌合和校準(zhǔn)的精度差異，結(jié)果顯示利用3D打印技術(shù)制備的組織補償膜與人體貼合能力更強，更精確；且在劑量分布對比上，3D打印的補償膜減少了電子束對周圍正常組織的放療散射劑量[11-13]。此外，Su等[14]以仿真人體模型為基礎(chǔ)，比較了蠟?zāi)！崴艹尚脱a償膜以及使用3D打印技術(shù)的PLA補償膜在靶區(qū)均勻性和適形度上造成的影響差異，研究顯示使用3D打印技術(shù)的PLA補償膜，靶區(qū)的適形度和均勻性最好。侯彥杰等[15]利用3D打印硅膠補償膜，制作了個性化、材質(zhì)舒適、擺位重復(fù)性和貼合性好的3D打印硅膠補償膜，相比PLA補償膜，能完全消除補償膜與胸壁之間的空氣間隙問題，放療劑量更為精確。

由此可以看出3D打印技術(shù)可以更好地幫助放療患者制作個體化的組織補償膜，確保放射治療過程中的精確性和舒適性。

3 3D打印技術(shù)在制作射程補償器方面的應(yīng)用

射程補償器能確保質(zhì)子治療的Bragg峰后沿恰好落在放療靶區(qū)的邊界上，是質(zhì)子治療的重要使用部件。目前，3D打印技術(shù)已在質(zhì)子射程補償器制作方面得到了廣泛的發(fā)展。Ju等[16]比較了3D打印機制造的補償器（RC_3DP）和傳統(tǒng)數(shù)控銑床制造的補償器（RC_CMM）在質(zhì)子治療中的各種性能，發(fā)現(xiàn)這兩種補償器幾何精度測試合格率分別為99.5%和92.5%，差異不大，且在劑量特征和內(nèi)部密度的均一性上兩者亦沒有顯著性差異。因此，他們認(rèn)為RC_3DP的物理精確性和劑量特征與傳統(tǒng)的RC_CMM相當(dāng)，但前者具有操作系統(tǒng)小型化的顯著優(yōu)勢。

Michiels等[17]在口咽癌患者的質(zhì)子治療中使用了3D打印技術(shù)制作了淺表性病灶的皮膚補償膜和質(zhì)子射程調(diào)節(jié)器。與傳統(tǒng)的解決方案相比，使用3D打印技術(shù)的方案可以減少3%的平均口干概率，降低2.7%的吞咽困難癥狀。

Wochnik等[18]在兒童腦部腫瘤的質(zhì)子治療中，使用3D打印技術(shù)制作個體化的射程補償器和射野補償器，結(jié)果顯示可以進一步減小空氣間隙，從而減小質(zhì)子散射。對離射野等中心較近的器官比如甲狀腺，散射劑量很低，不會導(dǎo)致二次輻射的增加。

圖1顯示了質(zhì)子射程補償器的制作工藝流程圖[16]。利用3D技術(shù)制作射程補償器，首先以放療患者的CT圖為基礎(chǔ)，利用放療計劃系統(tǒng)確定射程補償器的尺寸以及位置；然后提取補償器的三維立體數(shù)據(jù)資料，并進行體積重建；利用Virtual RC軟件將其轉(zhuǎn)化為3D打印機通用的STL數(shù)據(jù)格式；然后傳輸數(shù)據(jù)至3D打印機；最終實現(xiàn)射程補償器的3D打印[16-17]。

圖1 質(zhì)子射程補償器的制作工藝流程圖

4 3D技術(shù)在后裝放療方面的應(yīng)用

后裝放療又稱為近距離放療。近年來，后裝放療由于其能夠保證腫瘤靶區(qū)高劑量的同時，最大程度地減少毗鄰正常器官的劑量，已成為了多數(shù)腫瘤體外放療的一個重要補充。在后裝放療中，后裝施源器作為主要載體，其性能和質(zhì)量密切影響著后裝治療的效果。目前，在后裝放療中，施源器主要來源于荷蘭產(chǎn)的Flecher施源器或環(huán)形施源器，但該施源器基于歐美人的生理條件設(shè)計，并不適合大多數(shù)中國患者；且該類施源器由于大小和體積是固定的，很難適應(yīng)個體化差異[19-20]。目前，利用3D打印技術(shù)制作個體化后裝施源器在后裝放療中得到了一定的應(yīng)用。Cunha等[21]利用PC-ISO材料制作了個體化后裝施源器，研究通過三維掃描，將患者病灶結(jié)構(gòu)輪廓實體模型轉(zhuǎn)成數(shù)字化模型，制作了與患者陰道、穹窿等解剖輪廓高度契合的個體化多通道施源管與插值模板一體化成型施源器。研究得出，結(jié)合3D打印技術(shù)制作出來的PC-ISO材料的施源器與常規(guī)的施源器相比，形狀和大小更貼合人體實際，能夠?qū)δ[瘤實現(xiàn)精準(zhǔn)劑量覆蓋，且大幅降低正常器官的受照劑量，提高局部腫瘤控制率及生存率，降低正常組織的損傷。王彬冰等[22]制作了一種經(jīng)陰道3D打印后裝腔內(nèi)聯(lián)合組織間插植治療個體化模板，比較該采用3D打印個體化模板方法和徒手插植方法的劑量學(xué)和操作安全性差異。結(jié)果顯示3D打印個體化模板方法對比徒手插植方法有劑量學(xué)優(yōu)勢，并且操作更安全，實際治療可達(dá)到預(yù)計劃劑量設(shè)計要求。趙志鵬等[23]利用3D打印技術(shù)制作的輔助插植模板可以有效彌補現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化施源器在ⅢB期宮頸癌臨床后裝治療時大體積靶區(qū)劑量的不足,為晚期宮頸癌后裝治療提供了較為有效的方法。張永俠等[24]將3 D打印組織間插值模板應(yīng)用于局部晚期宮頸癌的后裝治療，結(jié)果顯示插植針調(diào)整時間更短，治療針數(shù)更少，患者痛苦小。

在后裝治療中結(jié)合3D打印技術(shù)，不僅能夠滿足患者的個體化需求，提高后裝放療質(zhì)量，而且能夠解決傳統(tǒng)施源器裝置分部件加工成型問題，有效避免患者在使用過程中出現(xiàn)劃傷、減少患者疼痛，減少醫(yī)療風(fēng)險。

5 3D打印技術(shù)在放療劑量驗證方面的應(yīng)用

放射治療是利用電離輻射殺死腫瘤的一種治療手段。由于放射治療具有不可逆性，放療劑量驗證模體成為了放射治療中一個必不可少的重要工具。劑量驗證模體可以用來模擬射線與人體組織器官相互作用，對新放療技術(shù)進行臨床前的驗證，對放療計劃做個體化劑量驗證。目前，劑量驗證模體可以分為標(biāo)準(zhǔn)模體、均勻模體和仿真模體。其中，仿真模體以人體的各組織的等效替代材料加工制成，是目前最貼合實際人體的劑量模型。

3D打印在制作個體化驗證模體上已逐步展現(xiàn)出優(yōu)點[25-26]。Jung等[27]曾基于放療患者的CT圖像，通過設(shè)置特定的CT值，利用3D打印技術(shù)分別為6位接受賽博刀SBRT治療的肺癌患者制作了肺模型，并基于該模體通過使用EBT3膠片劑量儀研究了賽博刀的基于個體化肺模型的肺跟蹤系統(tǒng)（Fiducial-Based Target Tracking System，F(xiàn)TTS）與X線實時肺部跟蹤系統(tǒng)（Xsight Lung Tracking System，XLTS）投照的精確性。作者通過分析，得出FTTS的頭-腳、左-右、垂直方向的平均誤差均比XLTS小。此外，3D打印在微型立體定向放療（Micro Stereotactic Radiotherapy，Mirco-SBRT）的質(zhì)量保證方面上也得到了一定的應(yīng)用。近年來，Micro-SBRT在臨床應(yīng)用上發(fā)揮著越來越重要的作用，但隨著放療技術(shù)的精度提高，Mircro-SBRT輸出劑量的驗證已成為一大難題，其原因在于缺少驗證三維劑量分布的有效方法。Bache等[28]利用3D打印技術(shù)為其定制了個體化的微型劑量驗證模型，定制的模型分辨率可達(dá)0.5 mm3，能夠滿足Mirco-SBRT技術(shù)高分辨率的劑量驗證要求。楊元佳等[29]通過3D打印了放療患者真實的胸部外輪廓，內(nèi)部用等效組織材料填充得到劑量驗證仿真體模。該3D打印體模與真實人體相比較，具有外形相似性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真性、組織輻射等效性等特點，可以精確仿真人體結(jié)構(gòu)實際情況，幫助臨床更精確地完成劑量驗證，為病人治療提供更加安全的保障。但是這些內(nèi)部等效組織材料的CT值測量結(jié)果并不理想，與真實人體相比，骨骼的誤差為22%，肺組織誤差為1.2%，軟組織誤差8%，腫瘤靶區(qū)誤差5.8%。

6 總結(jié)與展望

近年來，放射治療正朝著精確治療的方向發(fā)展[30-32]。精確放療，顧名思義，即要求在患者治療的每個環(huán)節(jié)都做到精確——“精確定位、精確計劃、精確治療”。而精確放療最關(guān)鍵的即實現(xiàn)放療各個環(huán)節(jié)的個體化。隨著3D打印技術(shù)的優(yōu)勢不斷的體現(xiàn)，該技術(shù)正以其獨特的技術(shù)特征優(yōu)化和改良了放療的各個流程環(huán)節(jié)。利用3D打印技術(shù)可以為每位患者定制個性化的放療必需品，保證患者在治療過程中受到精確的照射，從而減少放療后并發(fā)癥的發(fā)生，提高患者的生存率。但是，目前我國3D打印技術(shù)目前并沒有普及到放射治療的各個方面，主要原因有以下方面：① 高精度的3D打印機和國外的三維重建軟件都比較昂貴，普通放療單位難以出資采購，而國產(chǎn)三維重建軟件應(yīng)用效果不佳；② 3D打印放療用品的平均耗費時間較長，以打印組織補償膜為例，從患者CT圖像采集、補償膜設(shè)計到打印完成，平均耗時在4 h以上[33]；③ 尚未研發(fā)出足夠多的3D打印材料。不同放療患者所需3D打印材料的特性不同，需要考慮材料的柔軟度、貼合性、電子密度、剛性強度等[33]。隨著我國在3D打印材料的研發(fā)、加工工序及專業(yè)人才的培訓(xùn)等方面投入力度不斷加大，3D打印將會在放療領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。