3D 打印钛合金植入物结构对6 MV X 线剂量的影响

管凯，陈贞霞，史训莹，赵晓岚，陈凯琪，郑凤标，王爱民（通信作者）

漳州市第三医院 （福建漳州 363005）

截至2020 年，全世界范围内新增头颈部癌症（head and neck cancer，HNC）患者数量已近100 万例，包括上消化道区域的多种恶性肿瘤，其中约有60%～70%患者治疗期间需进行放射放疗[1-2]。根据美国放射肿瘤学会（American Society for Radiation Oncology，ASTRO）提供的劳动力人口统计等数据预测，2015—2025 年放射治疗的需求量将增长约19%[3]。放射治疗作为抗肿瘤治疗的局部治疗手段，在临床中得到广泛应用，且随着放射技术的不断发展和精确放疗的应用，放射治疗的疗效得到显著提高[4-6]。

近年来，金属植入物在医学领域的应用日益普及，其广泛用于修复受损组织。钛合金因其优异的耐腐蚀性、机械性能和生物相容性，在骨科、牙科和外科等领域广泛应用[7-9]。但是当具有高原子序数和密度的生物医用金属植入物位于肿瘤区域附近或射束方向时，由于金属材料对射线的衰减、金属前向散射效应等，会在辐射场中引起剂量散射和变化，进而对放射治疗的剂量分布产生影响[10-13]。因此，随着精确放疗时代的来临，研究钛合金植入物对放射治疗剂量的影响对于提高放射治疗剂量精度非常重要。本研究主要采用指型电离室测量方法，辅以放射治疗计划系统（treatment planning system，TPS）算法，探索3D 打印钛合金植入物结构对6 MV X 线剂量分布的影响，以更准确地评估患者的放射治疗效果，提高治疗疗效并减少并发症。

1 材料与方法

1.1 实验设计

选取医用钛合金Ti6Al4V 作为基体材料，利用激光选区熔化技术进行植入物典型特征结构3D 打印，打印后采用激光抛光的方式进行植入物表面处理。使用Elekta Precise System 医用电子直线加速器产生的6 MV X 线，分别对抛光前后的钛合金植入物进行照射，通过德国IBA FC65-G 指型电离室辅以IBA DOSE 1 静电计进行剂量测量。针对3D打印表面积为30 mm×30 mm 的钛合金植入物，就厚度（1 mm 和3 mm）、网格密度（0%、20%和50%）及表面情况（是否抛光）3 个方面在6 MVX线照射下进行剂量测量，同时在CT 模拟机下扫描水箱及样本，并导入TPS 进行计算。

1.2 实验材料

本实验采用医用钛合金Ti6Al4V 材料作为金属植入物，包括未经表面激光抛光处理和已经表面激光抛光处理的2 种板状样品，尺寸分别为30 mm×30 mm×1 mm 和 30 mm×30 mm×3 mm。其中，同一尺寸下的钛合金植入物分为网格密度为0%、20% 和50%。钛合金植入物经激光抛光处理后，其表面粗糙度由2.301 μm 降至0.332 μm，表面变得平整、光洁，并避免了表面粉末粘接等问题，厚度基本无变化。抛光层组织由α+β 相转变为α' 相，且抛光层优势生长方向为（002）方向。

1.3 方法

（1）照射方法：采用Elekta Precise System 医用电子直线加速器产生的6 MV X 线，在30 cm×30 cm×30 cm 的测量水箱中进行照射钛合金Ti6Al4V植入物实验。实验过程中保持源皮距为100 cm，照射野为10 cm×10 cm，医用电子直线加速器的出束量为100 MU，指型电离室置于水箱水平面下5.2 cm 处，分别将表面抛光处理前后不同尺寸和网格密度的钛合金植入物置于指型电离室前后表面。需要注意，水箱的水面高度可通过添加或排放实验用水改变。（2）测量方法：测量过程中，实验使用的IBA FC65-G 指型电离室固定于水箱中的某一位置；将钛合金Ti6Al4V 植入物分别置于指型电离室的前方或后方，且植入物与电离室之间的垂直距离为1 cm；指型电离器连接到用于测量吸收剂量的IBA DOSE 1 静电计上，分组测量剂量数值，将读数乘以校准后的修正因子，得到最终吸收剂量值；每组植入物测量5 次，并取其平均值。（3）TPS算法：将导入TPS 的数据分别在样本前后表面勾画靶区，采用Collapsed Cone 算法（照射野为10 cm×10 cm，处方剂量为100 cGy），计算靶区的机器跳数。

1.4 统计学处理

采用Excel 软件对经测量得到的剂量值进行统计学分析并计算其平均值，再采用Origin 2019b 软件对平均剂量值与剂量变化数据进行绘图和比较分析。

2 结果

在20 ℃、标准大气压环境条件下，对30 mm×30 mm 的钛合金植入物进行照射处理，测量结果如图1 所示。由图1（a1）和（b1）可知，当钛合金植入物位于电离室前表面时，无论是否进行抛光处理，测得的平均剂量值都会随网格密度的增加而增加。同时，比较图1（a1）和（b1）发现，当植入物厚度增加时，植入物后方的平均剂量值反而降低，即植入物厚度为3 mm 时测得的平均剂量值均低于厚度为1 mm 时测得的剂量值。此外，结合图1（a2）和（a2）的剂量变化可以发现，随着植入物网格密度的增加和厚度的减小，植入物后方平均剂量的降低幅度逐渐减小，即被植入物吸收的剂量会随网格密度增加和厚度减小而减少，测得的平均剂量越靠近空白测试剂量。当植入物厚度为3 mm、网格密度为0%、未进行抛光处理时，剂量变化出现了最大降幅，为-3.74%，如图1（b2）所示。需要注意的是，本研究所述的空白测试剂量是指未放入植入物时测得的剂量值，而剂量变化是指测得的平均剂量相对空白测试剂量降低的百分比。如图1（c1）（c2）（d1）（d2）所示，当植入物位于电离室后表面时，测得的平均剂量值和剂量变化与植入物网格密度和厚度之间无明显的单调关系。当植入物厚度为1 mm、网格密度为0%、进行抛光处理时，剂量变化出现了最大增幅，为+0.56%，如图1（c2）所示。

图1 不同厚度钛合金植入物对剂量的影响

综合图1（a）（b）（c）（d）的数据可得，由于金属植入物的吸收或散射作用，植入物后表面测得的平均剂量往往低于植入物前表面测得的平均剂量。植入物后表面的剂量变化往往为正值，即剂量降低；而植入物前表面的剂量变化则有正有负，情况较为复杂。另外，对钛合金植入物进行抛光处理后，植入物后表面剂量降低幅度变小，测得的剂量更接近空白测试剂量。通过TPS 计算可知，对比无样本时机器跳数，当样本位于电离室前表面时，抛光前增加0.70%，抛光后增加0.66%；当样本位于电离室后表面时，抛光前减少0.3%，抛光后减少0.1%，其结果与电离室直接测量值相近。

3 讨论

放射治疗的最优效果是将X 线、电子束等射线剂量尽可能集中在肿瘤靶区，在杀死肿瘤细胞的同时，尽可能避免对肿瘤附近正常组织和器官产生不必要的照射[14-15]。研究表明，在放射治疗过程中，如果射线的照射剂量变化超过原本范围的一定值，将影响肿瘤的控制率并对周围正常组织产生一定程度的辐射，可能导致并发症[16-18]。

金属植入物界面处的剂量变化已得到国内外学者的广泛关注。研究表明，在金属植入物受到照射的界面处存在剂量增强效应，尤其是原子序数较高的金属物质，其表现会更加显著。模拟结果表明，在受到射线照射的入射面处产生了十分强烈的剂量增强现象[19]。Hsu 等[20]也以实验的方式发现了植入物表面剂量增强现象，并总结分析了金属植入物材料和入射光子能量两种不同因素对剂量的影响规律。此外，相较于其他金属植入物，钛在放射治疗过程中对射线剂量的影响较小[21]。这一点在Ozen 等[22]的研究中也得到验证，其研究发现，医用钛合金的表面剂量增强效应最高可达18%。入射面剂量增强现象在本研究结果中也有体现，当植入物位于电离室后表面时，测量的剂量值即为入射面的剂量值，其往往高于空白测试剂量。

刘明等[23]采用电离能量为6 MV 的X 线对植入钛合金板和不锈钢板的人体标本开展了分次照射，用热释光仪测量射线剂量，发现植入金属后植入物入射表面处的吸收剂量比未植入金属时分别增强了15.46% 和21.65%。邓小武等[24]则以8 MV X 线对含有镍钛合金支架的体膜进行照射实验，发现相较于单纯空腔的前点剂量，存在镍钛合金支架体膜的前点剂量增加了1.4%左右。倪昕晔等[25]基于蒙特卡罗算法模拟了6 MV X 线照射位于水箱水平面下方5 cm 处的不锈钢钢板，发现不锈钢钢板入射表面处的剂量值增加了19.6%。姜瑞瑶等[26]的研究表明，以单一方向照射测量钛合金板材时，其测量结果与治疗计划系统中的剂量计算值有6.6%的偏差。

由于金属植入物会吸收或散射放射治疗过程中的射线，导致人体正常组织和器官受到的额外照射剂量增多，进而增加放射治疗过程中的风险[27-28]。此外，金属植入物会对照射过程中的原射线产生衰减作用，同时与散射线和次级电子等物质发生相互作用，导致放射治疗过程中剂量不均匀，严重影响治疗方案的设计和临床治疗效果[29-30]。对于剂量升高的现象，Das 等[31]将其定义为背散射效应，其研究表明，在聚乙烯组织填充模体中铅交界面处测得的剂量较之前的空白测试剂量提高了50%～70%。通常来说，人体内存在不均匀组织，也会对放射治疗过程的剂量分布产生影响，其影响一般分为两种：一是放射过程中对原射线产生衰减作用，二是系统或植入物产生的散射线与次级电子造成不平衡现象[32]。本研究结果显示，当植入物位于电离室前方时，测得的平均剂量随着植入物厚度的减小而增加。原因可能为，厚度的降低减弱了放射过程中金属植入物对原射线的衰减作用，剂量（降低）变化幅度因厚度的减小而减小的原因也是如此；而测得的平均剂量随网格密度的增加而增加，剂量变化幅度随网格密度的增加而减小，其原因则是镂空面积的增加使射线束穿过网格，不再发生射线散射效应，减少了散射过程中被吸收的部分。当植入物位于电离室后表面时，测得的平均剂量值和剂量变化与植入物网格密度和厚度之间不存在明显的单调关系。这种现象可能由系统或植入物产生的散射线与次级电子导致。

目前，因钛合金对射线剂量产生的影响较小，且具有优良的生物相容性和高强度，被广泛应用于牙科等领域。随着精准医疗的快速发展，个性化3D 打印钛合金植入物的临床应用日趋普遍[22，33]。Zhuang 等[34]对植入3D 打印钛合金椎体的14 例患者进行了35、40 Gy/5 次的赛博刀治疗，14 例患者的毒性反应多为1～2 级，仅有1 例患者出现了3 级食管炎，但相关症状在治疗后1 周内得到缓解。后续随访期间，13 例患者的肿瘤局部控制效果较好，仅1 例患者术后复发（该患者术后未行放射治疗），但该患者在接受局部放射治疗后疗效确切。

本研究结果显示，随着钛合金植入物网格密度的增加，不管是电离室前方还是后方，其对剂量的影响均呈下降趋势。当植入物位于电离室前方时，测得的平均剂量会随植入物厚度的减小而增加。这意味着放射治疗过程中需考虑植入物的厚度和网格密度，以避免对放射剂量产生不利影响。此外，对钛合金表面进行激光抛光处理后，放射过程中剂量变化幅度会减小，即植入物对剂量的影响进一步下降。本研究的剂量变化范围为-3.74%～+0.56%，与邓小武等[24]的研究结果相似，表明抛光处理可有效减少钛合金植入物对剂量的影响。本研究结果还显示，钛合金植入物样本位于电离室后方时，无论是否进行抛光处理，都会使剂量值因金属背向散射效应而增加，意味着放射治疗过程中需对这种效应进行更细致的考虑。

综上所述，本研究通过直接测量同时辅以TPS计算方式，探讨了钛合金植入物对放射治疗的影响，钛合金植入物网格密度增加、厚度减小时，对放射治疗剂量的影响变小；若对钛合金植入物表面进行抛光处理，则影响会进一步减小，可为临床治疗提供参考依据，有助于医师制定更精准的治疗方案，优化放射治疗效果。