3D打印技术在放疗铅挡块制作中的应用研究

阮长利 宋启斌 张军 吴冰 付敬国 周丁屹 郑永法

[摘要] 目的 探讨3D打印技术在放疗铅挡块制作中的应用效果。 方法 患者在模拟机上进行摆位和体位固定，并拍摄定位片，根据医生所勾画靶区进行研发的3D打印技术制作模型用于铅挡块的制作，制作好的铅挡块在验证柜上进行固定，跟定位室拍摄的肿瘤靶区形状比对，检查灯光野及遮挡范围与定位室拍摄肿瘤靶区形状是否一致。 结果 3D打印射野铅挡块的制作，使照射野的形状与靶区形状吻合一致，并且使铅挡块的制作成本更加低廉、更加方便、更加准确。 结论 3D打印技术制作射野铅挡块在放射治疗中被证实为行之有效的、可以推广的、成本更加低廉的铅挡块制作方法。

[关键词] 3D打印技术;射野铅挡块;精确放疗;质量保证

[中图分类号] R815.2          [文献标识码] A          [文章编号] 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打印技术是一种基于使用塑料等粘接材料的数字模型文件或粉末金属，通过一层层打印形式实现物体模型的技术[1]。主要包括喷涂、铺设和去除粘合剂[2]。即通过逐渐增加材料来实现制造，现在研究上都在思考如何利用3D打印技术来提高效率和降低成本。3D打印技术自诞生以来已经有了很大的发展，随着各种材料的应用，它涉及到越来越多的领域。

在制造业中，3D打印技术主要用于模具制造等方面。可以在原始技术条件下生产难以实现的高复杂度产品。在医疗设备中，3D打印技术主要是生产一些可以植入人体的设备和精细零件，如有些个人需要个性化的假牙和假眼等，也可以利用生物医学高分子材料，智能打印出微观结构，主要有血管、大脑等部位植入微小设备如监测仪、支架等[3]。更有学者将人类羊膜液衍生干细胞等各种细胞，作为3D打印机的基础材料制作出人体各种器官[4]，荷兰和比利时的科学家就在2011年为83岁的女性成功地种植加入了3D打印出来的下颌骨，通过简单的手术装入患者身上，现在患者康复状况良好[5];3D打印技术现在也广泛用于肿瘤治疗领域，许多肿瘤医院就是利用3D打印技术将放射粒子植入肿瘤患者体内杀灭癌细胞[6-8]，还有的利用3D打印出体内支架辅助腫瘤治疗等[9]。未来3D打印技术的完善和发展，将逐渐改善医疗环境和促进肿瘤医学的进步。

如上所述，虽然3D打印技术在社会上都已经得到快速发展，在医疗装备领域也得到深入发展，但3D打印技术应用于肿瘤放射治疗领域几乎没有，现代放射治疗技术快速发展，但在斗篷野放疗、电子线放疗等特殊照射野还是只能使用铅挡块放疗，射野挡块可以做到与靶区高度适形，更好地保护重要器官为目的，从而达到精准放疗减少并发症[10]。但对于传统的铅挡块模型切割机，不光投资成本太高而且制作铅挡块很繁琐，为了适应现代放疗的发展，非常有必要研究制作成本更加低廉的铅挡块模型，用更加快捷的设备取代传统的铅挡块模型切割机，因此，本研究通过3D打印技术快速准确地制作铅挡块，并对制作的铅挡块进行严格验证，以便能够取代既昂贵又繁琐的铅挡块切割机，为3D打印技术对肿瘤放疗临床的应用提供实践理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与软件环境

联想Lenovox 200笔记本电脑，深圳极光尔沃小型3D打印机，深圳极光尔沃CURA切片软件，YN2D-A型全自动热丝切割机，瓦里安SLS-23型模拟定位机Acuity，挡块有机玻璃板，低熔点铅，熔铅炉，铅挡验证柜，铅挡浇灌模具。

1.2 铅挡块3D打印的基本步骤

3D打印技术模式，简单来说就是以叠加成型的模式来构造物体[11-12]，尽管3D打印技术的步骤基本相同，但是在分层的形式上有诸多方式。例如，本研究铅挡块3D打印技术就是熔融沉积成型，其工作原理是先将肿瘤靶区形状通过数据转换成三维立体模型图，然后将热熔性材料（ABS）通过加热器熔化，将材料抽成丝状，经送丝机构送进热熔喷头，在喷头内加热融化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，将半流动状态的材料按3D打印机软件分层数据控制的路径挤出，沉积在指定的位置凝固成形，并与周围的材料黏结，层层堆积叠加成预先软件形成的三维立体模型。

1.3 方法

1.3.1 铅挡块的制作及固定  通过模拟定位机确定肿瘤靶区的形状，并通过网络传输到3D打印机相应的计算机里，在计算机上保存并打出相对应的3D图案，然后将其直接传送到3D打印机的CURA软件系统。3D模型的3D重建需要通过软件打印，并通过3D打印机打印出肿瘤靶区相应阳模具的泡沫形状，并在泡沫阳模中标记十字线的中心线，泡沫阳模与粘贴后的有机板的十字中心线对齐，在有机板中用电钻钻3～5个孔。安装可调铅块浇注模，固定阳模，倒入低熔点，冷却后移去泡沫并修剪铅块，最后用螺杆螺帽通过准备的孔固定铅块，这样中路放疗铅挡块就生产完成。

1.3.2 铅挡块的验证  将定位板放置在验证柜的灯相台板规定的位置上，再将铅挡块插入到验证柜中，在灯光野下和模拟定位机拍摄肿瘤形状进行比较。最后，采用验证胶片检查定位胶片是否与射野及遮挡范围一致，并验证误差在允许的治疗范围内或无误差。

2 结果

通过铅块验证柜的灯光野检测制作的铅块形状跟肿瘤靶区边界偏差只要小于2 mm就是合格的铅挡块。3D打印技术制作电子线射野铅挡块如图1A与自动切割机制作的铅块如图1B所示，很容易看出3D打印技术制作铅挡块与传统的铅挡块切割机相比，3D打印技术制作的铅挡块切面更具有平整、光滑、准确等优点，开展该项技术以来对3D打印技术所制作的铅挡块和切割机制作的铅挡块随机各抽取221块，在验证柜上核对，结果见表1，最终3D打印技术制作的铅块合格率（合格铅挡块数/铅挡块总数×100%）为91%，自动切割机制作的铅块合格率为79%，有明显的差异。

3 讨论

随着肿瘤治疗发展到现代的数字化精准放疗时代，多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC）在现代放疗中的应用日益廣泛，但对有些不规则野，MLC肯定不能很好的适形，如大型“斗篷野”、电子线射野等其遮挡效果不如铅挡块[13]。射野铅挡的应用，较好地保护了正常组织和重要器官，并能铸造出各种形状的挡块，使得靶区形状与照射野形状的高度一致，使肿瘤的放疗更加灵活方便、准确性更高、重复性更好，最终使放疗过程误差更小[14]。传统的国产挡铅模具自动切割机市场售价10万元左右，而一台小型3D打印机市场售价2万左右，使用3D打印技术制作铅挡块比传统的切割机制作铅挡块成本更加低廉，铅挡块断面更加平滑、更加准确、更加快捷所示。随着放射治疗质量要求的不断提高，铅块的生产对质量要求也越来越高，因此，铅块生产的质量控制就显得尤为重要，3D打印技术制作的铅挡块合格率明显高于切割机制作的铅挡块合格率。铅挡块的制作往往由于各种原因存在不同程度的偏差[15]，其质量保证需注意以下问题：①主要生产商必须熟练使用和调试3D打印机;②确保治疗机灯光野中心和有机板十字线完全一致;③在生产铅块前设定3D打印机的机械和比例参数，确保预设模型能够很快打印;④泡沫阳模固定后十字线应与有机板中心十字线完全吻合;⑤浇注铅时确保射野挡铅内无空泡，铅的浇注温度控制在85～90℃;⑥将铅块固定在验证柜内，在模拟器下取验证片进行检验，经验证合格后即可用于临床。只有较好的控制射野铅挡的质量，提高射野铅挡的制作精度，才能确保放射治疗的准确性及精确性。铅屏蔽在照射野中的应用，使靶区的形状与照射野的形状高度一致，对重要组织器官具有保护作用。因此，在常规放疗和三维适形放疗中，铅挡块的制作仍占有重要地位。如今3D打印技术在各行各业都有新的应用与进展，3D打印技术制作铅挡块取代传统的切割机制作铅挡块是精确放疗的大势所趋[16]。

虽然肿瘤放疗铅挡块的3D打印有很多优点，但是本研究铅挡块的3D打印时间还是比较慢。目前3D打印已在医学领域得到广泛应用，但在应用过程中仍存在问题[17]。首先，现在3D打印机所用的材料普遍都比较昂贵，应该尽量降低耗材成本，减少打印耗材的损耗，消耗品应重复使用，3D打印技术最适合开发新产品，从制造角度来看，并不能满足大批量生产，至少它不是最合适的。其次，应将3D打印技术与流水线生产模式相结合，以提高效率、降低成本、提高质量[18]。同时，还存在着其他深远的人文问题，例如，可以允许所有打印对象打印吗？我们怎样才能避免犯罪分子使用它呢？这些都是发展中需要考虑的问题。

总之，3D打印技术在放疗铅挡块中应用将会在肿瘤放射治疗领域上日益得到推广[19]。肿瘤医疗行业作为3D打印技术的最有价值领域，这种技术的不断成熟将使医疗工程的开发、生产、维护等方面得到改善和升级[20-21]。

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（收稿日期：2018-08-31  本文编辑：封   华）