鄧官華，羅龍輝，吳偉，張平，戴鵬，羅日順，黃慶，蔡林波

廣東三九腦科醫(yī)院腫瘤綜合治療中心，廣東廣州510510

前言

調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）具有在保證或者提高腫瘤放射劑量的同時，最大限度地減少靶區(qū)周圍正常組織受照射劑量的特點，現(xiàn)已成為頭部腫瘤治療的主要手段［1-3］。精準(zhǔn)的頭部固定則是IMRT實現(xiàn)精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)計劃及精準(zhǔn)治療的前提［4］。目前，博醫(yī)來無框架系統(tǒng)的常規(guī)定位是以碳素平板和標(biāo)準(zhǔn)頭枕組合為底座，結(jié)合熱塑膜聯(lián)合固定。然而，在博醫(yī)來無框架系統(tǒng)常規(guī)固定技術(shù)中，采用的頭枕為標(biāo)準(zhǔn)成年頭枕，枕頭的大小及高度無法與兒童患者頭顱匹配，在治療過程中，兒童患者會因頭枕不適而躁動，從而引起靶區(qū)位置的變化。這種靶區(qū)位置的變化將導(dǎo)致部分靶區(qū)不能得到穩(wěn)定的照射劑量，降低腫瘤局部控制率，影響療效［5-6］。3D打印技術(shù)是以計算機(jī)生成的3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，以逐層打印的形式生產(chǎn)3D實體模型的增量制造技術(shù)，是近年來放射治療領(lǐng)域備受矚目的研究熱點之一［7-10］。針對目前博醫(yī)來無框架系統(tǒng)還沒有一款專門為兒童放療定制的頭枕，本研究以3至7歲中國兒童頭顱的大小為基礎(chǔ)［11-12］，利用3D打印技術(shù)，設(shè)計出一款既能確保腫瘤放療劑量準(zhǔn)確性，還能提高兒童舒適性的放療頭枕。

1 研究對象

選取2016年8月～2017年11月廣東三九腦科醫(yī)院腫瘤綜合治療中心收治的30例3至7歲兒童頭部腫瘤患者作為研究對象，按照隨機(jī)數(shù)字表法將其分為研究組和對照組，每組各15例。其中研究組男性6例，女性9例，平均年齡（5.80±0.77）歲；對照組男性7例，女性8例，平均年齡（5.20±1.50）歲。兩組的一般情況差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。

2 方法

2.1 3D建模

本研究將以祁吉等［12］提供的3至7歲中國兒童頭顱大小的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并與博醫(yī)來標(biāo)準(zhǔn)頭枕模型相結(jié)合，通過Mimics 17.0版軟件（Materialise，比利時）設(shè)計出一款在確保腫瘤放療劑量準(zhǔn)確性的同時，還能提高兒童舒適性的放療頭枕，如圖1所示。

2.2 3D打印

圖1 兒童放療頭枕3D模型示意圖Fig.1 Schematic of 3D printed headrest for pediatric patients

如圖2所示，基于粘結(jié)式3D打印技術(shù)設(shè)計兒童放療頭枕的主要步驟包括［9,13-15］：（1）通過 Mimics 軟件建立兒童放療頭枕的3D模型，輸出打印所需的STL（Standard Template Library）文件，并對STL文件進(jìn)行錯誤檢查和修正。（2）利用Cura 15.0版軟件（Ultimaker,美國）對兒童放療頭枕的3D模型進(jìn)行切片離散、掃描路徑規(guī)劃以及生成相應(yīng)的G代碼文件，同時設(shè)定打印參數(shù)，其中，打印層厚=0.06 mm，殼厚=1 mm，底層/頂層層厚=1.5 mm，填充度=15%，打印速度=50 mm/s，打印溫度=210°C，打印噴嘴大小=0.4 mm。（3）3D打印機(jī)（PMT,中國）接收到G代碼文件后，采集1.75 mm的PLA材料開始打印放療頭枕。3D打印機(jī)工作前需先將打印噴嘴及基板分別預(yù)熱到210°C和55°C，以便PLA材料更好的粘合，提高3D打印質(zhì)量。（4）3D打印完畢后去除多余支撐物料，并對3D打印放療頭枕進(jìn)行拋光打磨處理，以滿足臨床使用要求。

圖2 3D打印流程圖Fig.2 Flow diagram of 3D printing

2.3 頭枕應(yīng)用

研究組采用3D打印放療頭枕加熱塑膜聯(lián)合固定的方式來固定兒童患者體位，對照組則采用標(biāo)準(zhǔn)頭枕加熱塑膜聯(lián)合固定的方式來固定兒童患者體位。記錄并分析研究組與對照組兒童患者放療過程中LAT（左右，X軸）、LNG（頭腳，Y軸）、VRT（背腹，Z軸）及3D矢量方向的位移誤差Vector［16］：

其中，LAT、LNG、VRT分別為X、Y、Z方向位移誤差。

2.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，計量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Mann-WhitneyU檢驗，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果

圖3a為3D打印放療頭枕實物，圖3b為兒童頭部放療配合3D打印放療頭枕的CT矢狀面圖，從圖3b中可以看出本研究研制的3D打印放療頭枕與兒童患兒頭顱相吻合。此外，在單次照射透射率測試中，3D打印放療頭枕的單次照射透射率為98.90%，略優(yōu)于博醫(yī)來標(biāo)準(zhǔn)頭枕的98.50%。

圖3 3D打印放療頭枕在兒童放療定位中的應(yīng)用Fig.3 Application of 3D printed headrest for pediatric patients in radiotherapy

圖4顯示為研究組與對照組在LAT、LNG、VRT及3D矢量方向的位移誤差箱線圖。研究組在LAT、LNG、VRT及3D矢量方向的位移誤差分別為（0.10±0.07）、（0.04±0.06）、（0.04±0.05）和（0.15±0.04）cm；對照組在LAT、LNG、VRT及3D矢量方向位移誤差分別為（0.10±0.08）、（0.10±0.10）、（0.15±0.05）和（0.23±0.10）cm。在VRT方向及3D矢量方向上，研究組與對照組間的位移誤差差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（VRT方向：P＜0.001；3D矢量方向：P=0.023），而在LAT方向及LNG方向，研究組與對照組間的位移誤差差異無統(tǒng)計學(xué)意義（LAT方向：P=0.950；LNG方向：P=0.137）。

4 討論

IMRT的高適形度劑量分布使其成為頭部腫瘤主要治療手段［1-3］。精確的定位和擺位是確保IMRT療效的關(guān)鍵。針對目前博醫(yī)來無框架系統(tǒng)還沒有一款專門為兒童放療定制的頭枕，本研究以3至7歲中國兒童頭顱的大小為基礎(chǔ)［11-12］，并與博醫(yī)來標(biāo)準(zhǔn)頭枕模型相結(jié)合，利用3D打印技術(shù)，研制出一款適用于3至7歲兒童的放療頭枕。如圖3b所示，3D打印放療頭枕與兒童患兒頭顱大小相吻合，且本研究制作的3D打印放療頭枕有著更高的單次透射率（98.90%vs98.50%），可提高X射線的有效利用率。同時統(tǒng)計學(xué)分析表明，研究組與對照組在VRT方向及3D矢量方向的位移誤差具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），然而在LAT方向及LNG方向的位移誤差無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），如圖4所示。人體頭部的固定效果主要由兩方面決定［17］：（1）人體頭部前方固定，即對人臉輪廓進(jìn)行固定限制；（2）后腦勺位置固定，通過下方枕頭或固定墊進(jìn)行限制。LNG方向及LAT方向的位移主要受面罩的限制較多，因而研究組與對照組的數(shù)據(jù)接近，無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）；在VRT方向，由于標(biāo)準(zhǔn)枕的底部并沒有一個吻合頭部形狀的固定，而3D打印放療頭枕可以適形頭部后方的固定，有效限制由于頭部與枕頭之間不匹配產(chǎn)生的間隙導(dǎo)致的兒童患者在VRT方向上移動的影響，進(jìn)而使得研究組在VRT及3D矢量方向上的位移誤差優(yōu)于對照組。陳心得等［6］利用發(fā)泡膠制作成泡沫頭枕用于腫瘤的放射治療，不僅使得靶區(qū)照射更為準(zhǔn)確，而且提高了患者放療過程中的舒適性，但是泡沫頭枕的制作及擺位過程較為復(fù)雜，臨床上難以推廣。

放射治療擺位技術(shù)越舒適，患者擺位的重復(fù)性越好，擺位精度越高［18-20］。本研究研制的3D打印放療頭枕與兒童患者頭部位高度吻合，兒童患者也反映在放療過程中會感覺更舒適。然而目前，本研究仍存在一些不足之處：（1）未能實現(xiàn)個性化3D打印放療頭枕，本研究研制的3D打印放療頭枕的尺寸是基于3至7歲中國兒童頭顱大小而設(shè)計，對于7至14歲的兒童，其頭顱大小將無法與本研究提出的3D打印放療頭枕適配；（2）兒童放療頭枕打印時間較長、打印料價格較為昂貴［13］，距離個性化3D打印放療頭枕臨床應(yīng)用還存在一定距離，有待于未來3D打印技術(shù)的進(jìn)一步成熟，實現(xiàn)個性化3D打印放療頭枕。

圖4 研究組與對照組位移誤差箱線圖Fig.4 Boxplots of setup errors in research group and control group

5 結(jié)論

本研究以3至7歲中國兒童頭顱的大小為基礎(chǔ)，并與博醫(yī)來標(biāo)準(zhǔn)頭枕模型相結(jié)合，利用3D打印技術(shù)，設(shè)計出一款適用于3至7歲兒童的放療頭枕。實驗結(jié)果表明，本研究提出的3D打印放療頭枕能夠有效改善VRT及3D矢量方向的位移誤差，同時提高兒童放療的舒適性。