賀瑤瑤，荊亮，黃曉鏵，鞠楠，張福全，潘玨宇，邱建峰，邢曉穎，劉雯倩，侯立霞

1.山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院）醫(yī)學工程技術(shù)研究中心，山東泰安271016；2.Imaging-X聯(lián)合實驗室，山東泰安271016；3.山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院）放射學院，山東泰安271016；4.泰安市腫瘤醫(yī)院放療科，山東泰安271000

前言

放射治療是腫瘤治療的重要方法之一，其要求是向腫瘤提供盡可能高的輻射劑量，同時盡量減少病灶周圍正常組織毒性［1-2］。而放療模擬、計劃和劑量實施的高精確性是長期以來對放療的要求［3-4］。因此，了解放射治療計劃系統(tǒng)（Treatment Planning System,TPS）中各種算法對提高三維放療的準確性有著重要意義［5］。而3D打印技術(shù)結(jié)合等效材料可制作出相應的組織等效體模并且可用于比較不同算法的準確性［6-7］。因此，本研究旨在通過制作組織等效肺部體模來比較TPS中蒙卡算法（Monte Carlo,MC）、光子筆形束卷積算法（Pencil Beam Convolution,PBC）和筒串卷積算法（Collapse Cone Convolution,CCC）在計算肺部腫瘤和周圍正常組織輻射劑量的差異。

1 材料與方法

1.1 3D個性化體模設(shè)計

回顧性分析飛利浦模擬定位CT中1例患者胸部圖像。將匿名患者胸部DICOM圖像導入Mimics Research 17.0圖像分析軟件（比利時Materialize公司），劃分出脂肪組織、肌肉組織、肺組織、肋骨及胸骨，并使用閾值法分別對不同組織染色、建模，并對脂肪組織、肺組織進行殼處理，如圖1所示。

如圖1所示，粉紅區(qū)域代表脂肪組織，肌肉組織區(qū)域沒有染色，藍色區(qū)域代表肋骨。紫色區(qū)域代表肺組織，淺紫區(qū)域代表肩胛骨將三維模型進行潤滑處理、噪聲消除（Magic10.0，比利時Materialize公司）后將各個模型轉(zhuǎn)換為立體光刻（Stereolithography,STL）格式，并導入3D打印機（OBJET500，美國Stratasys公司），如圖2所示。

1.2 等效組織材料選擇

對骨組織使用高分子樹脂活性材料打印即可達到仿真目的；對脂肪組織外殼、肺組織外殼使用ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）材料打印。將融化的M3蠟混合CaCO3、MgO（質(zhì)量分數(shù)占比：87%M3蠟、12%MgO、1%CaCO3）灌注至脂肪組織外殼，冷卻凝固，達到脂肪組織仿真目的。使用加入1%NaCl、1%珍珠粉、2.5%瓊脂糖的水凝膠灌注，冷卻凝固，實現(xiàn)肌肉組織仿真。肺組織使用發(fā)泡硅膠填充，并將由3%瓊脂糖制作而成的直徑4 cm球形腫瘤組織擺放至肺內(nèi)合適位置。等效組織材料如表1所示。等效組織材料灌注時對腫瘤組織、脊髓、肺內(nèi)正常組織3個待測點預留插入電離室的位置，并用相對應的等效材料制作用于填補預留位置的仿真塊。體模如圖3所示。

圖2 胸部體模不同組織三維模型圖Fig 2 Three-dimensional model maps of different tissues of the thorax phantom

表1 患者與體模對應模仿組織CT值的比較Tab 1 Comparison of CT values in a patient and the phantom

圖3 等效胸部體模Fig 3 Equivalent thorax phantom

1.3 放療計劃設(shè)計

將已填補空缺的體模放置定位CT機下掃描（層厚3 mm），并對體模定位標記。采集到的CT圖像導入TPS系統(tǒng)（瑞典醫(yī)科達Monaco 5.11），勾畫靶區(qū)，處方劑量2 Gy，并將患者的實際投照計劃應用于體模中。在TPS中，分別使用PBC、CCC和MC算法計算各個組織劑量。處方劑量被要求覆蓋至少95%的計劃靶區(qū)（PTV），如果計劃的PTV滿足處方劑量的要求，則產(chǎn)生劑量-體積直方圖。

1.4 劑量測量

取出預留腫瘤組織的仿真塊，插入電離室（PTW 30013型），采集CT圖像，經(jīng)影像融合與最初采集到的CT圖像圖層一一配準，使靶區(qū)和最初采集到的CT圖層上勾勒一致。將投照計劃用至腫瘤組織插入電離室掃描CT圖像上，找到測量點，在TPS中用3種算法（即PBC、CCC、MC算法）計算腫瘤組織測量點劑量大小。將體模移至醫(yī)用直線加速器（醫(yī)科達）下，如圖4所示，執(zhí)行照射計劃。通過電離室鏈接劑量儀（PTW UNIDOS E型）得到腫瘤組織測量點的實際測量值。同樣，應用影像融合將投照計劃用至正常組織與脊髓的測量點，記錄并比較算法計算劑量與實際測量劑量偏差。

圖4 體模在醫(yī)用直線加速器下Fig 4 Phantom under medical linear accelerator

2 結(jié)果

2.1 CT值比較

對患者真實CT值和體模對應組織的CT值進行比較?；颊叩闹窘M織、肌肉組織、骨和腫瘤的CT值分別為（-80±20）、（60±30）、（265±135）和（55±25）HU，等效體模相對應的組織CT值分別為（-100±30）、（40±20）、（210±90）和（33±16）HU。

2.2 劑量比較

電離室實測腫瘤組織劑量為213.70 cGy，肺部正常組織劑量為53.85 cGy，脊髓組織劑量為4.10 cGy。MC、PBC、CCC算法在腫瘤組織所測的劑量分別為214.1、215.1、214.6 cGy，與實測誤差分別為0.18%、0.66%、0.42%；在肺部正常組織所測劑量分別為55.2、52.5、54.4 cGy，與實測誤差分別為2.51%、-2.51%、1.02%；在脊髓組織所測劑量分別為4.5、1.9、4.4 cGy，與實測誤差分別為9.76%、-53.66%、7.32%，如圖5所示。

3 討論

圖5 各算法計算值與實際測量值誤差的比較Fig 5 Comparison of calculated values and measured values

在放射治療中，3D打印技術(shù)可應用于生產(chǎn)組織等效體模，打印等效組織模型［6,9-10］，適用于機器校正、質(zhì)量保證、劑量驗證、教學與科研等［11-13］。Kairn等［9］利用ABS材料及其不同填充密度進行肺部3D打印。同時，3D打印個性化組織等效仿真體模技術(shù)［14］，有助于患者放療計劃的劑量實施［6］。個性化組織等效體模利于對病人個體的放療計劃進行先期驗證，比較不同算法的準確性［6］。一些實驗比較了不同算法對劑量分布的影響［10,15］。Borges等［15］比較4種不同放射治療技術(shù)治療乳腺癌的影響（包括病灶和周圍健康組織），同時比較2種算法對劑量分布的驗證。

本研究通過比較等效體模測量點算法計算值與實際測量值的輻射劑量差異來比較TPS系統(tǒng)中MC、PBC與CCC算法在計算肺癌三維立體定向放療計劃的差異。結(jié)果顯示MC與CCC算法在計算腫瘤組織、肺部正常組織和脊髓的劑量較實測稍高，MC算法計算腫瘤組織劑量的準確度比CCC算法高，但計算肺部正常組織與脊髓劑量的準確度低于CCC算法。PBC算法在計算脊髓組織劑量上誤差較大?？紤]可能因PBC算法在非均勻組織計算中未考慮計算點周圍散射線的影響，使得PBC算法在計算脊髓劑量與實際測量的差異大，此結(jié)果與Borges等［15］和Hoffmann［16］研究類似。Borges等［15］結(jié)果顯示PBC算法高估了PTV的劑量，同側(cè)肺和心臟的劑量高于iMC（commercial Monte Carlo）算法預測的劑量。Hoffmann［16］實驗中發(fā)現(xiàn)，AAA（Anisotropic AnalyticalAlgorithm）算法在大多數(shù)治療計劃中肺和縱隔區(qū)域的劑量計算偏差低于3%。雖然，AAA算法在異質(zhì)性體模中的劑量計算優(yōu)于PBC算法，但該算法低估脊髓的劑量高達7%。本研究中PBC算法的誤差卻達到50%以上，個性化等效體模、體模材料的選擇以及填充體模材料完成度都有可能會造成誤差，對實驗結(jié)果也有一定的影響。

熔融堆積技術(shù)在3D打印領(lǐng)域有廣泛的應用，可能在生產(chǎn)過程中發(fā)生形變［17-18］。因此本研究中肋骨等使用光敏樹脂材料，有助于提高實驗的準確性［19-20］。本研究的體模源于患者的真實數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)良好的組織外部形態(tài)相似性以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真性，體模的精確度高，能確保實驗的準確性并減少對患者一定的電離輻射危害［21-22］。與Mayer等［23］的研究相比，本研究中體模的CT值更接近實際人體組織，且成本更低。

本研究有一定的局限性：（1）3D打印機規(guī)格限制了3D打印體模的尺寸，對于較大的身體區(qū)域（如胸部體模），體模必須分成幾個部分，然后打印出來并粘接成一個完整的部分；（2）等效組織材料多為溶液灌注并冷卻成形，溶液的濃度會影響體模的均勻性和輻射衰減特性；（3）本研究只用1例患者的樣本數(shù)據(jù)來分析，過于單薄片面。

4 結(jié)論

本研究通過比較TPS系統(tǒng)的PBC、CCC、MC算法分別對肺部正常組織、腫瘤組織和脊髓3個測量點進行劑量計算，結(jié)果顯示PBC算法在計算脊髓組織劑量方面誤差很大，因放射治療對精確度的要求高，不推薦使用PBC算法。