基于桌面級3D 打印機的放射性粒子肺癌植入導板的劑量學驗證

方 曙，周金華，楊 涵，金 銘，王 炯

3D 打印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用專用可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的新興技術[1]。該技術在醫學領域的應用范圍廣泛、前景廣闊，如骨骼修復、模擬手術模型和手術導板、肺部小微結節及占位性病變的穿刺活檢導板制作等，同時可以根據患者病變部位、病變范圍等實現個體化設計定制[2-3]。王俊杰等[4-5]將3D 打印共面導板和非共面導板廣泛應用于各種惡性腫瘤的放射性粒子植入治療，大大提高了粒子植入的精準性。但是由于目前臨床多采用工業級3D 打印機，打印材料成本昂貴，限制了其在臨床上的推廣應用。本課題使用桌面級3D 打印機設計打印了聚乳酸（PLA）作為原材料的肺癌放射性粒子125I 植入導板應用于臨床并對植入后驗證劑量與術前計劃劑量進行了比較，現總結報道如下。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 臨床資料 2018 年1 月至2019 年1 月安徽醫科大學第一附屬醫院老年呼吸與危重癥學科確診的10 例肺癌患者，基本資料見表1。入組標準：30～80 歲，原發腫瘤經病理證實為惡性，肺內轉移病灶為單發；無外科手術指征或拒絕外科手術而同意行放射性粒子植入治療；無重要臟器功能障礙，KPS 評分60 分以上；無穿刺部位感染、破潰或者其他不適宜穿刺情況。無精神異常或精神疾病史；征得患者及家屬同意并簽署知情同意書。排除標準：廣泛轉移，預計生存期≤3 個月；嚴重合并癥，感染期、免疫功能低下、肝腎功能不全；嚴重出血傾向和凝血功能紊亂者（血小板計數≤50×109/L，凝血酶原時間（PT）＞18 s，凝血酶原活動度＜40%。

表1 患者基本情況

1.1.2 主要試劑和儀器 ①治療計劃系統（TPS）：北京天航科霖科技發展有限公司；②18G 植入針（批號：國械注進20173156872）；③電子計算機斷層掃描（CT）儀：西門子64 排螺旋CT 機；④3D 打印機：Z-603S，深圳市極光爾沃科技股份有限公司；⑤125I 粒子（批號：國藥準字H20041695，粒子活度：125I粒子0.5～0.7 mCi，寧波君安藥業科技有限公司）；⑥負壓真空墊。

1.2 方法

1.2.1 CT 模擬定位和體位固定 于CT 機床上放置定位平板，在平板上放置負壓真空墊固定患者體位，借助于 CT 定位激光線，在患者體表和真空墊相應位置上，標記定位線。將3 個直徑1 cm 高密度圓柱體放置于合適的體表位置，并用記號筆畫圈，作為導板復位的依據。囑咐患者保護好體表標記。

1.2.2 獲取胸部病變部位圖像數據 數據源為胸部CT 掃描的DICOM 格式影像，包括胸壁各層組織、肺部病變部位、鄰近正常肺組織及血管等，為盡可能提高圖像數據的保真度，選擇1 mm 層厚進行掃描。多層（32 層以上）螺旋CT 圖像組織分辨率高，便于在醫學圖像處理軟件上進行組織分割。如病變較接近血管，則行增強胸部CT 檢查；如果伴有肺不張，則行PET-CT 檢查以確保正確勾畫腫瘤靶區[4]。

1.2.3 靶區勾畫 首先將DICOM 格式的圖像導入醫學圖像處理軟件，選取肺窗，設定好合適的參數，選擇橫斷面為自動分割斷面，通過3D 磁性套索工具能夠自動識別不同灰度值范圍的功能在冠狀面和矢狀面上繪制病變部位輪廓。在完成病變部位的三維勾勒后，生成病變部位的三維輪廓圖。然后通過多層編輯工具對病變輪廓的橫斷面進行修改，對超過病變范圍和未繪制的部分進行修改，提高病變范圍的保真度，保證穿刺的精確性。行125I 粒子植入術需要將勾畫的病變輪廓外擴1 cm 得到臨床靶區。此外，稀疏而狹長的毛刺可以不勾畫，密集而短小的毛刺需勾畫。

1.2.4 三維建模 利用閾值分割工具將胸廓骨骼和胸廓外周分別用不同顏色的蒙版標記出來；然后使用形態學操作工具將胸廓表面進行膨脹編輯（設置厚度為10 mm），再利用布爾運算，相減得到一個胸廓體表的蒙版。最后，將胸廓骨骼、體表蒙版和病變部分進行三維重建，得到如圖1 所示的三維重建圖。

圖1 粒子植入導板設計三維重建圖

1.2.5 導板針道設計 本研究中放射性粒子植入肺部瘤體內使用的穿刺針規格為18 G，直徑約為1.2 mm，考慮3D 打印機的誤差，將導板針道內徑擴大至1.5 mm。針道設計成圓柱體，圓柱體的起點為在腫瘤勾畫區的最長點，終點在體外，兩點之間即為入針路徑；再將圓柱體和胸廓蒙版進行布爾相減運算，胸廓蒙版上即出現空心圓柱，即為實際針道。將針道和粒子排布點導入BTPS 中，進行術前計劃和劑量學計算使針道設計符合安全性和劑量分布的科學性，見圖2。此外，在導板的設計中，定位針的設計至關重要。由于呼吸運動使病灶和胸廓產生相對位移，對穿刺的準確性產生了干擾，故多選取腫瘤最大橫截面，設計2～3 平行針作為定位針，將病灶相對固定住，減少呼吸運動的影響。然后將在CT 模擬定位中放置于體表的3 個圓柱體作為導板復位標記從蒙版中剔除。最后將胸廓蒙版導出為STL 格式以輸入3D 打印機進行打印。

圖2 術前計劃圖

1.2.6 打印標記導板 將STL 格式的導板數據導入切片軟件Cura15.06 中文版，并調整打印速度為45 mm/s，填充度為100%，使用桌面級極光爾沃Z-603S 3D 打印機以PLA 為材料打印制造出帶有附帶有針道信息和復位標記的PLA 粒子植入引導導板。最后送至消毒供應中心環氧乙烷消毒備用。

1.2.7 導板復位 利用CT 機激光線，將患者和真空墊及CT 平板床進行體位復位，再通過體表3 個標記圓圈行導板復位。首先插入部分定位針，行CT 掃描，觀察其針道延長線是否和計劃一致：若有偏差，則需重新調整；若情況良好，則完成插植，見圖3。完成余下針道插植，其后根據TPS 進行術中優化和術后驗證，得出等劑量曲線分布圖及劑量體積直方圖。

圖3 粒子植入圖

1.3 統計學方法

利用SPSS 21.0 統計軟件中的配對t 檢驗方法分析手術前后D90、V90、V100、V150、粒子數量差異有無統計學意義，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 導板設計打印

本研究成功地提煉出一套安全科學、簡單易行的放射性粒子植入導板的設計打印流程，并且使用桌面級3D 打印機制作出附帶有針道信息和復位標記的PLA 放射性粒子植入手術導板。

2.2 手術完成及并發癥情況

10 例患者術中導板復位良好，有效地指導了肺癌放射性粒子植入手術操作，手術均成功實施，術中氣胸1 例，皮下血腫1 例。術中術后無致死性并發癥發生。2.3 10 例患者術前計劃及術后驗證劑量學參數結果

3D 打印PLA 導板引導肺癌放射性粒子植入患者D90、V90、V100、V150 及粒子數量等各項指標術后驗證與術前TPS 治療計劃比較差異均無統計學意義，表明基于桌面級3D 打印機打印的PLA 導板引導下放射性粒子植入均較好地實現了術前TPS治療計劃，見表1，2，圖4。

表1 10 例患者手術前后劑量學參數結果

表 2 手術前后患者各指標比較

圖4 術后DVH 圖

3 討論

放射性粒子植入治療惡性腫瘤為近10 年來開展的一項新技術，是一種將放射源植入腫瘤內部，通過連續釋放有效劑量γ 射線破壞腫瘤細胞的DNA鏈而使絕大部分腫瘤細胞失去增殖能力，使腫瘤由間歇性治療變為持續性治療，由于其精確的靶向定位、不良反應少、新興微創、療效確切可靠等顯示了良好的臨床應用前景，在支氣管肺癌治療上取得了良好的治療效果[6]。最初放射性粒子瘤體內植入主要采用徒手穿刺，容易導致粒子分布不均、形成放射“熱點”、“冷點”，難以達到放射學劑量要求及治療效果。近年來臨床上開始探索使用3D 技術打印的個體化導板指導放射性粒子瘤體內植入取得了良好的應用效果[7-10]。目前3D 打印放射性粒子植入導板的主流材料是醫用樹脂，但是光敏樹脂打印機價格不菲，打印耗材更是昂貴，限制了其臨床推廣應用；其次，技術門檻要求高，TPS 輸出的導板數據均由系統加密，強制在廠商處打印，不利于價格談判和科學研究。近年來，桌面級3D 打印機的興起為此提供了解決思路。桌面級3D 打印機是指可以放在普通桌面上打印立體實物的打印機，它運用的材料以廉價的PLA、ABS 為主，成本低，易維護，工藝簡潔，臨床醫生只需簡單培訓即可操作打印。本研究根據患者肺部病變部位、病變范圍，基于醫學圖像處理軟件設計3D 模型，采用桌面級3D 打印機，設計打印出個性化PLA 肺癌放射性粒子植入引導導板并試用于臨床，術中使用復位良好，有效地指導了粒子植入手術操作，術后劑量學驗證也較好地實現了術前TPS 治療計劃，說明具有良好的臨床應用效果。本研究采用PLA 為原材料，價格不到醫用樹脂材料的十分之一，使用桌面級3D 打印機即可獲得較好打印效果，速度快，效率高，1 d 內即可完成，能夠滿足臨床快速應用的要求，在一般3D 打印實驗室即可實現，更適合在基層醫院推廣應用。

胸部CT 掃描層厚直接影響病變輪廓的識別，層厚越小，識別度越高。本研究采用1 mm 層厚進行靶區掃描，肺窗下進行靶區修正，簡化了靶區輪廓線提取過程，保證了重建3D 模型的高保真性。3D打印不同于普通二維平面打印，參數設置對于打印效果至關重要。肺部惡性腫瘤放射性粒子植入手術對導板的硬度、針道內壁的光滑度要求很高。本研究采用桌面級3D 打印機打印時采用填充度設置為100%，打印速度設置為45 mm/s，甚至30 mm/s，即可以提高打印質量，保證PLA 導板的硬度，也保證導板穿刺針道內壁的光滑度，這些參數選擇均為成功構建及精準打印3D 放射性粒子植入導板奠定了良好基礎。

在研究過程中發現PLA 導板臨床應用中也存在一些不足之處。與目前主流的樹脂材料導板相比，PLA 導板硬度相對較大，與皮膚貼合欠密切，復位時易發生偏差，需仔細調整，這可能由以下因素導致：①在打印過程中熔融的PLA 材料會受到重力因素的影響導致打印軌跡產生偏移影響導板的精度，所以在導板打印時需要尋找到最佳導板擺放姿態以減少誤差；②由于人體CT、MRI 數據獲取和重建過程以及打印過程存在的系統誤差。1 例患者由于腫瘤直徑超過10 cm，導板體積較大，壓迫時容易發生導板翹起針道位移，故而不利于壓迫止血，術后發生了皮下血腫，未予特殊處理后自行吸收。另有1 例患者在第一針穿刺時即發生氣胸，所幸氣胸量不多，腫瘤位移改變不明顯，仍在導板引導下完成了粒子植入。減少穿刺針數目及縮短手術時間可能會降低氣胸發生率[11-14]。同時也發現存在術前術后粒子數量不一致情況，可能的原因有：①由于肺部腫瘤容易受到呼吸運動的影響，盡管對患者進行相應的呼吸訓練、體位訓練，但是不足以完全消除其影響從而導致實際操作中不可避免地出現誤差；②阻塞性肺炎的存在也可能影響術前臨床腫瘤靶區的勾畫，增加了粒子數量。此外，國內研究發現125I 粒子植入后處方劑量與縮小速度相同時相同時間點大腫瘤D90和高劑量區均大于小腫瘤[15-16]，本研究也需加強對大體積腫瘤進行后續隨訪，進行進一步對照研究。

總之，本研究探索建立了一種基于醫學圖像處理軟件設計并采用桌面級3D 打印機打印的PLA 肺癌放射性粒子植入手術導板的新方法，臨床使用中也取得了較好的應用效果，值得臨床進一步推廣應用。