3D打印技術在放療鉛擋塊制作中的應用研究

阮長利 宋啟斌 張軍 吳冰 付敬國 周丁屹 鄭永法

[摘要] 目的 探討3D打印技術在放療鉛擋塊制作中的應用效果。 方法 患者在模擬機上進行擺位和體位固定，并拍攝定位片，根據醫生所勾畫靶區進行研發的3D打印技術制作模型用于鉛擋塊的制作，制作好的鉛擋塊在驗證柜上進行固定，跟定位室拍攝的腫瘤靶區形狀比對，檢查燈光野及遮擋范圍與定位室拍攝腫瘤靶區形狀是否一致。 結果 3D打印射野鉛擋塊的制作，使照射野的形狀與靶區形狀吻合一致，并且使鉛擋塊的制作成本更加低廉、更加方便、更加準確。 結論 3D打印技術制作射野鉛擋塊在放射治療中被證實為行之有效的、可以推廣的、成本更加低廉的鉛擋塊制作方法。

[關鍵詞] 3D打印技術;射野鉛擋塊;精確放療;質量保證

[中圖分類號] R815.2 ? ? ? ? ?[文獻標識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-7210（2018）12（c）-0052-03

[Abstract] Objective To study the application effect of 3D printing technology in the manufacture of lead block for radiotherapy. Methods Patients in the simulator for placement and fixed position， and orientation films， according to the doctors by target areas for research and development of 3D printing to lead block is making model of production， making good lead block in the validation on fixed， with positioning chamber of tumor target shape， check wild and keep out of the light shooting with positioning room tumor target shapes are consistent. Results 3D printing of the production of the shooting field lead block makes the shape of the irradiation field coincide with the shape of the target area， and makes the production of the lead block cheaper， more convenient and more accurate. Conclusion 3D printing technology for the production of lead block has been proved to be an effective， popularizing and cheaper method for the production of lead block in radiotherapy.

[Key words] 3D printing technology; Field lead block; Precision radiotherapy; Quality assurance

3D打印技術是一種基于使用塑料等粘接材料的數字模型文件或粉末金屬，通過一層層打印形式實現物體模型的技術[1]。主要包括噴涂、鋪設和去除粘合劑[2]。即通過逐漸增加材料來實現制造，現在研究上都在思考如何利用3D打印技術來提高效率和降低成本。3D打印技術自誕生以來已經有了很大的發展，隨著各種材料的應用，它涉及到越來越多的領域。

在制造業中，3D打印技術主要用于模具制造等方面。可以在原始技術條件下生產難以實現的高復雜度產品。在醫療設備中，3D打印技術主要是生產一些可以植入人體的設備和精細零件，如有些個人需要個性化的假牙和假眼等，也可以利用生物醫學高分子材料，智能打印出微觀結構，主要有血管、大腦等部位植入微小設備如監測儀、支架等[3]。更有學者將人類羊膜液衍生干細胞等各種細胞，作為3D打印機的基礎材料制作出人體各種器官[4]，荷蘭和比利時的科學家就在2011年為83歲的女性成功地種植加入了3D打印出來的下頜骨，通過簡單的手術裝入患者身上，現在患者康復狀況良好[5];3D打印技術現在也廣泛用于腫瘤治療領域，許多腫瘤醫院就是利用3D打印技術將放射粒子植入腫瘤患者體內殺滅癌細胞[6-8]，還有的利用3D打印出體內支架輔助腫瘤治療等[9]。未來3D打印技術的完善和發展，將逐漸改善醫療環境和促進腫瘤醫學的進步。

如上所述，雖然3D打印技術在社會上都已經得到快速發展，在醫療裝備領域也得到深入發展，但3D打印技術應用于腫瘤放射治療領域幾乎沒有，現代放射治療技術快速發展，但在斗篷野放療、電子線放療等特殊照射野還是只能使用鉛擋塊放療，射野擋塊可以做到與靶區高度適形，更好地保護重要器官為目的，從而達到精準放療減少并發癥[10]。但對于傳統的鉛擋塊模型切割機，不光投資成本太高而且制作鉛擋塊很繁瑣，為了適應現代放療的發展，非常有必要研究制作成本更加低廉的鉛擋塊模型，用更加快捷的設備取代傳統的鉛擋塊模型切割機，因此，本研究通過3D打印技術快速準確地制作鉛擋塊，并對制作的鉛擋塊進行嚴格驗證，以便能夠取代既昂貴又繁瑣的鉛擋塊切割機，為3D打印技術對腫瘤放療臨床的應用提供實踐理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與軟件環境

聯想Lenovox 200筆記本電腦，深圳極光爾沃小型3D打印機，深圳極光爾沃CURA切片軟件，YN2D-A型全自動熱絲切割機，瓦里安SLS-23型模擬定位機Acuity，擋塊有機玻璃板，低熔點鉛，熔鉛爐，鉛擋驗證柜，鉛擋澆灌模具。

1.2 鉛擋塊3D打印的基本步驟

3D打印技術模式，簡單來說就是以疊加成型的模式來構造物體[11-12]，盡管3D打印技術的步驟基本相同，但是在分層的形式上有諸多方式。例如，本研究鉛擋塊3D打印技術就是熔融沉積成型，其工作原理是先將腫瘤靶區形狀通過數據轉換成三維立體模型圖，然后將熱熔性材料（ABS）通過加熱器熔化，將材料抽成絲狀，經送絲機構送進熱熔噴頭，在噴頭內加熱融化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，將半流動狀態的材料按3D打印機軟件分層數據控制的路徑擠出，沉積在指定的位置凝固成形，并與周圍的材料黏結，層層堆積疊加成預先軟件形成的三維立體模型。

1.3 方法

1.3.1 鉛擋塊的制作及固定 ?通過模擬定位機確定腫瘤靶區的形狀，并通過網絡傳輸到3D打印機相應的計算機里，在計算機上保存并打出相對應的3D圖案，然后將其直接傳送到3D打印機的CURA軟件系統。3D模型的3D重建需要通過軟件打印，并通過3D打印機打印出腫瘤靶區相應陽模具的泡沫形狀，并在泡沫陽模中標記十字線的中心線，泡沫陽模與粘貼后的有機板的十字中心線對齊，在有機板中用電鉆鉆3～5個孔。安裝可調鉛塊澆注模，固定陽模，倒入低熔點，冷卻后移去泡沫并修剪鉛塊，最后用螺桿螺帽通過準備的孔固定鉛塊，這樣中路放療鉛擋塊就生產完成。

1.3.2 鉛擋塊的驗證 ?將定位板放置在驗證柜的燈相臺板規定的位置上，再將鉛擋塊插入到驗證柜中，在燈光野下和模擬定位機拍攝腫瘤形狀進行比較。最后，采用驗證膠片檢查定位膠片是否與射野及遮擋范圍一致，并驗證誤差在允許的治療范圍內或無誤差。

2 結果

通過鉛塊驗證柜的燈光野檢測制作的鉛塊形狀跟腫瘤靶區邊界偏差只要小于2 mm就是合格的鉛擋塊。3D打印技術制作電子線射野鉛擋塊如圖1A與自動切割機制作的鉛塊如圖1B所示，很容易看出3D打印技術制作鉛擋塊與傳統的鉛擋塊切割機相比，3D打印技術制作的鉛擋塊切面更具有平整、光滑、準確等優點，開展該項技術以來對3D打印技術所制作的鉛擋塊和切割機制作的鉛擋塊隨機各抽取221塊，在驗證柜上核對，結果見表1，最終3D打印技術制作的鉛塊合格率（合格鉛擋塊數/鉛擋塊總數×100%）為91%，自動切割機制作的鉛塊合格率為79%，有明顯的差異。

3 討論

隨著腫瘤治療發展到現代的數字化精準放療時代，多葉準直器（multi-leaf collimator，MLC）在現代放療中的應用日益廣泛，但對有些不規則野，MLC肯定不能很好的適形，如大型“斗篷野”、電子線射野等其遮擋效果不如鉛擋塊[13]。射野鉛擋的應用，較好地保護了正常組織和重要器官，并能鑄造出各種形狀的擋塊，使得靶區形狀與照射野形狀的高度一致，使腫瘤的放療更加靈活方便、準確性更高、重復性更好，最終使放療過程誤差更小[14]。傳統的國產擋鉛模具自動切割機市場售價10萬元左右，而一臺小型3D打印機市場售價2萬左右，使用3D打印技術制作鉛擋塊比傳統的切割機制作鉛擋塊成本更加低廉，鉛擋塊斷面更加平滑、更加準確、更加快捷所示。隨著放射治療質量要求的不斷提高，鉛塊的生產對質量要求也越來越高，因此，鉛塊生產的質量控制就顯得尤為重要，3D打印技術制作的鉛擋塊合格率明顯高于切割機制作的鉛擋塊合格率。鉛擋塊的制作往往由于各種原因存在不同程度的偏差[15]，其質量保證需注意以下問題：①主要生產商必須熟練使用和調試3D打印機;②確保治療機燈光野中心和有機板十字線完全一致;③在生產鉛塊前設定3D打印機的機械和比例參數，確保預設模型能夠很快打印;④泡沫陽模固定后十字線應與有機板中心十字線完全吻合;⑤澆注鉛時確保射野擋鉛內無空泡，鉛的澆注溫度控制在85～90℃;⑥將鉛塊固定在驗證柜內，在模擬器下取驗證片進行檢驗，經驗證合格后即可用于臨床。只有較好的控制射野鉛擋的質量，提高射野鉛擋的制作精度，才能確保放射治療的準確性及精確性。鉛屏蔽在照射野中的應用，使靶區的形狀與照射野的形狀高度一致，對重要組織器官具有保護作用。因此，在常規放療和三維適形放療中，鉛擋塊的制作仍占有重要地位。如今3D打印技術在各行各業都有新的應用與進展，3D打印技術制作鉛擋塊取代傳統的切割機制作鉛擋塊是精確放療的大勢所趨[16]。

雖然腫瘤放療鉛擋塊的3D打印有很多優點，但是本研究鉛擋塊的3D打印時間還是比較慢。目前3D打印已在醫學領域得到廣泛應用，但在應用過程中仍存在問題[17]。首先，現在3D打印機所用的材料普遍都比較昂貴，應該盡量降低耗材成本，減少打印耗材的損耗，消耗品應重復使用，3D打印技術最適合開發新產品，從制造角度來看，并不能滿足大批量生產，至少它不是最合適的。其次，應將3D打印技術與流水線生產模式相結合，以提高效率、降低成本、提高質量[18]。同時，還存在著其他深遠的人文問題，例如，可以允許所有打印對象打印嗎？我們怎樣才能避免犯罪分子使用它呢？這些都是發展中需要考慮的問題。

總之，3D打印技術在放療鉛擋塊中應用將會在腫瘤放射治療領域上日益得到推廣[19]。腫瘤醫療行業作為3D打印技術的最有價值領域，這種技術的不斷成熟將使醫療工程的開發、生產、維護等方面得到改善和升級[20-21]。

[參考文獻]

[1] ?常豐田，黃矗，黃波.3D打印技術對機械工程的影響[J].中國信息化，2013（14）：33.

[2] ?顏永年，李生杰，熊卓，等.基于快速原型的組織工程支架成形技術[J].機械工程學報，2010，10（5）：93-98.

[3] ?科苑.3D生物打印開啟造物新紀元：打印器官移植[J].今日科苑，2013（14）：42-44.

[4] ?高宏君.3D打印技術在器官移植中的應用設想[J].器官移植，2013，4（5）：256-257.

[5] ?王彩梅，張衛平，李志疆.3D打印在醫療器械領域的應用[J].生物骨科材料與臨床研究，2013，10（6）：26-28.

[6] ?吉喆，姜玉良，郭福新，等.三維打印共面坐標模板聯合CT引導125I粒子植入治療胸部惡性腫瘤的劑量學評價[J].中華放射腫瘤學雜志，2018，1（7）：754-758.

[7] ?彭冉，姜玉良，吉喆，等.3D打印共面坐標模板輔助CT引導放射性125I粒子植入治療惡性腫瘤劑量學分析[J].中華放射腫瘤學雜志，2017，26（9）：1062-1066.

[8] ?潘天帆，陸建，王勇，等.放射性125I粒子組織間植入治療盆腔惡性腫瘤的研究進展[J].中華放射醫學與防護雜志，2017，37（7）：557-561.

[9] ?吳建，范靜平，劉環海，等.3D技術在鼻內鏡手術精準治療鼻前顱底惡性腫瘤中的應用[J].山東大學耳鼻喉眼學報，2016，30（6）：24-28.

[10] ?胡逸民，張紅志.腫瘤放射物理學[M].北京：原子能出版社，1999：471-475.

[11] ?李曉紅.利用3D打印技術改進設計過程[J].國防制造技術，2010（3）：69-70.

[12] ?李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表，2013，35（1）：1-5.

[13] ?高旭，李晶.前列腺癌與精準醫學[J].第二軍醫大學學報，2018（6）：581-590.

[14] ?梁錦輝，朱錦賢，鐘偉銘.面罩及低熔點鉛擋塊在鼻咽癌治療中的應用[J].華夏醫學，2005，18（3）：451-452.

[15] ?黃丙儉，柏建安，楊愛華.二維整體擋鉛塊制作技術改進與臨床應用[J].腫瘤預防與治療，2011，24（1）：25-27.

[16] ?周理想，陳曉康，武山.淺析3D打印機的新進展和新應用[J].科技創新與應用，2017，28（2）：27-29.

[17] ?夏煜，張和華，向華，等.3D打印技術研究進展及其在醫學裝備中的應用展望[J].醫療衛生裝備，2015，36（4）：108-110.

[18] ?常豐田，黃矗，黃波.3D打印技術對機械工程的影響[J].中國信息化，2013（14）：33.

[19] ?趙秋云，楚恩惠.3D打印機在各領域的發展前景[J].軟件導刊，2015，5（38）：81-82.

[20] ?劉丹.數字化3D打印開啟創新醫療新時代—北京工業大學數字化醫療3D打印技術開發記[J].海峽科技與產業，2015（1）：90-92.

[21] ?李東陽，郝萱語.3D打印技術在臨床醫學中的應用進展[J].山東醫藥，2015，48（9）：100-102.

（收稿日期：2018-08-31 ?本文編輯：封 ? 華）