3D打印头膜对X射线治疗剂量的影响

河北省沧州中西医结合医院 放疗科，河北 沧州 061000

引言

热塑膜是在肿瘤放疗中应用广泛的一种体位固定工具[1]，其在制作过程中是人为加热拉伸塑型，膜的受拉伸程度不同，进而影响放疗定位精度和剂量测量的准确性[2-3]。近年来，3D打印技术在肿瘤放疗中已经得到广泛应用，其优势在于体膜的个性化定制，可实现对于患者的精准治疗[4]，我院将3D打印技术应用于放疗头部固定，为头部肿瘤放疗患者定制个体化头膜。目前关于3D打印头膜对于X线治疗剂量的影响研究较少，本文我们使用胶片测量在6 MV X线能量下3D打印头膜对患者治疗剂量的影响。

1 材料与方法

1.1 膜材料和结构

我院应用于临床的3D打印头膜如图1所示，3D打印中心利用患者CT图像精准建模，并在口、鼻、眼、耳处进行开孔设计，使头膜和患者体表精准贴合，该装置目前已获得国家实用新型专利（专利号：201821253994.8）；其材质为均匀打孔的环氧树脂，它是一种质地均一、易于成型、密度为1.076 g/cm3的合成树脂。临床测试中使用3D打印中心建模打印出两种均匀厚度的环氧树脂模板，0.15 cm厚度的模板形态结构分为无孔和有孔两种，其中有孔膜的网孔直径分别为0.2、0.4 cm；0.20 cm厚度的膜网孔直径为0.4 cm，膜的孔间距均为0.15 cm；国产热塑头膜材质为密度为1.12 g/cm3的合成高分子聚酯。为模拟临床固定膜的实际厚度，我们将国产热塑膜放入恒温水箱加热至65 ℃，取出热塑膜拉伸一定长度，定型后测量其厚度介于0.13～0.17 cm，均值约为0.15 cm、网孔直径约为0.4 cm，孔间距为0.15 cm，模板尺寸规格均为100 mm×100 mm×1.5 mm，如图2。

图1 3D打印环氧树脂头膜

图2 测试用膜体

1.2 测量方法

采用EBT3胶片（GafchromicTMEBT3，美国国际特种产品ISP）测量固体水表面及不同深度剂量。将扫描图像的光学密度转换为吸收剂量分布，对胶片进行标定，得到光学密度—剂量曲线。方法如下：加速器机架角为0，模体中心轴与射束中心轴重合，源皮距100 cm，将胶片放到固体水模体下1.5 cm深度处，从0到300 cGy，每隔30 cGy对胶片进行一次曝光，共计得到11张胶片影像。将上述胶片通过扫描仪导入到RIT113软件中，根据每张胶片的光学密度和实际剂量的对应关系，建立光学密度剂量曲线。使用医科达（Elekta）公司的Synergy型直线加速器，射束能量为常规6 MV X射线，剂量率600 MU/Min，机架角为0，源皮距100 cm，射野面积大小10 cm×10 cm，将固体水模体的中心与加速器等中心重合，胶片放置于固体水模体上表面射野中心处，照射500 MU，取出胶片。扫描胶片得到相应的剂量，在胶片中心位置选择5×5像素（1.75 mm×1.75 mm）的矩形范围的平均剂量作为射野中心的吸收剂量。用同样的方法测量固体水模体下0.5、1.0、1.5 cm深度处的剂量。固体水模体为30 cm×30 cm，远大于照射野以减少周围材料电子密度差异对测量结果的干扰。

1.3 计算方法

在X射线治疗过程中，头膜的使用会影响X线治疗剂量的建成区，导致表面剂量增加，对百分深度剂量曲线的建成区的剂量基本无影响。因此，以下部分只研究3D打印环氧树脂头膜和国产热塑头膜对剂量曲线的建成部分影响及其对皮肤表面的影响。图3～5为各种情况下固体水模体在不同深度（模体表面、模体下0.5、1.0、1.5 cm）处吸收剂量点的拟合曲线，其中吸收剂量拟合曲线以无膜时射线入射到固体水中的最大剂量点（6 MV为1.5 cm）处的剂量归一。

图3 覆盖不同种类膜后水模体的吸收剂量拟合曲线

图4 覆盖不同厚度3D打印环氧树脂头膜后水模体中的吸收剂量拟合曲线

图5 覆盖不同网孔大小的3D打印环氧树脂头膜后水模体的吸收剂量拟合曲线

2 结果

2.1 相同厚度的3D打印环氧树脂头膜和国产热塑头膜对表面剂量的影响

6 MV X射线能量下，测得无膜时射线入射到固体水中最大剂量为450.01 cGy。在膜厚度均为0.15 cm时，以最大剂量点归一，其中覆盖3D打印环氧树脂头膜、国产热塑头膜、无膜时的表面剂量分别为38%、40%、22%，如图3。

2.2 不同厚度的3D打印环氧树脂头膜对表面剂量的影响

6 MV X射线能量下，网孔大小相同的3D打印环氧树脂头膜在厚度分别为0.15、0.20 cm时，以最大剂量点归一，其中覆盖0.15、0.20 cm厚度膜、无膜时的表面剂量分别为38%、49%、22%，如图4。

2.3 相同厚度不同网孔大小的3D打印环氧树脂头膜对表面剂量的影响

6 MV X射线能量下，相同厚度的3D打印环氧树脂头膜分别为无孔、网孔直径为0.2、0.4 cm时，以最大剂量点进行归一，其中覆盖无孔、网孔直径0.2、0.4 cm、无膜时表面剂量分别为50%、44%、38%、22%，见图5。

3 讨论

放疗过程中，患者固定体位是影响放疗精度的重要因素之一[5]，由于头部结构相对复杂，肿瘤往往临近重要的正常器官（如视神经、视交叉、脑干等），因此对于头部肿瘤的体位固定及摆位精度要求很高[6-9]。热塑膜是头部肿瘤患者放射治疗中应用广泛的一种体位固定工具[10]，在其制作过程中部分区域拉伸程度大小不一，导致收缩的幅度不同，进而影响定位精度；相较于普通的国产热塑膜，3D打印技术可以根据患者头部CT图像打印出个体化均质头膜，实现头膜和患者体表精准贴合，在头部肿瘤患者放射治疗中具有一定优势。

对于X射线，加膜主要影响剂量曲线的建成部分，提升皮肤表面剂量[11]。Lee等[12]报道调强治疗中使用热塑膜表面剂量平均提升18%；Hadley等[13]报道在6 MV X 射线束产生的表面剂量在不使用膜时为16%～27%，使用热塑膜为16%～61%。实验测量结果表明6 MV X射线条件下头膜的使用主要影响X线治疗剂量的建成区，不使用膜时皮肤表面剂量为最大剂量的22%左右，覆盖相同规格的3D打印头膜和国产热塑头膜后皮肤表面剂量分别为38%、40%，两者对皮肤剂量的影响相似，测量结果和上述学者的结论一致；0.15、0.20 cm两种厚度的3D打印头膜表面剂量相差11%，膜厚度越大表面剂量增加越多；相同厚度3D打印头膜，使用无孔膜和两种不同孔径大小的头膜表面剂量分别增加了28%、15%和22%。膜对皮肤剂量的影响与膜材料密度、厚度、孔径大小等因素有关[14]，以上现象原因可能为：①X射线在经过不同密度的两种物质界面时，原来建立的次级电子平衡被打破，次级电子较多堆积在密度较小一侧，致使界面处剂量发生改变。在临床应用中，固定膜的密度大于皮肤及软组织的密度，较多次级电子堆积在皮肤及软组织一侧，导致皮肤表面剂量增加；② 膜使皮肤剂量增加的一个重要原因是在射线入射路径上、水模体中同一深度处覆盖膜后的有效深度比不加膜时大，而在百分深度剂量曲线建成区剂量大小随深度增加而增大；③ 光子束穿过物质的厚度、密度越大与物质发生相互作用的光子数越多，物质的吸收剂量越大，这使得近膜处皮肤的表面剂量增值越大；测试用的相同厚度3D打印环氧树脂无孔膜与有孔膜相比，相当于膜的平均厚度或平均密度值大，因此无孔膜比有孔膜导致的表面剂量增量大；同理，小孔径膜比大孔径膜使表面剂量增量大。

随着医疗领域个体化制定的需求越来越显著，3D打印技术以其个性化、精准化的优势医疗行业拥有广泛的应用前景[15-18]，其在放射治疗领域也显现出一定的优势，Laycock等[19]论证了将3D打印技术应用于放疗头膜制作的可行性，并对不同的3D打印材质的物理剂量特性进行了测试；Robertson等[20]使用3D打印技术为17名志愿者制作个体化头膜，通过测量头膜在不同方位的位移来评估其摆位重复性，实验结果为3D打印头膜摆位精度符合临床使用标准；王斌等[21]研究表明3D打印头膜体位固定技术符合现代放疗的精确摆位要求。在头部肿瘤患者制膜中，3D打印技术可个体化制作不同材质、厚度、孔径的均质头膜来减少头部肿瘤患者皮肤表面剂量或者增加受侵皮肤剂量；但头膜厚度过小、网孔过大也会降低头膜的强度，影响头膜的固定性和重复性，因此，在设计3D打印头膜时要兼顾体位的良好固定；另外，3D打印材质价格普遍较高，舒适性较差也是其目前不能广泛应用于临床的原因，因此，3D打印体膜材质的选择也是我们目前面临的主要问题。总之，3D打印技术可根据放疗需求定制个体化头膜，相较于热塑头膜具有一定的临床优势，值得进一步的研究。