1、综述59现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9卷第4期3D打印技术在放射治疗中的研究进展王志强朱俐颖刘志强2（1.复旦大学附属华山医院放射治疗中心，上海2 0 0 0 8 2；2.宁波大学附属第一医院医学工程部，宁波3150 0 0）【摘要】3D打印是一种能够将医学图像进行数字化处理，并将其实体化三维重建的技术，可用来高度模拟人体解剖结构，对于临床研究有重要意义。放射治疗是利用放射线杀死靶区肿瘤细胞，同时尽可能降低对正常组织的损伤，治疗过程需要对肿瘤病灶实现精确的三维定位和剂量投射，从而达到临床治疗要求。近年来，随着3D打印技术在放射治疗领域的逐步应用，临床上已成功实现个体化和高精度的治疗方案
2、，并取得良好的效果。本文将从组织补偿应用、个体化模具及剂量验证模体三个方向综述3D打印技术在放射治疗中的研究进展，总结目前所存在的问题，给出解决方法。【关键词】3D打印技术；放射治疗；研究进展【中图分类号】R730.55;TH774【文献标志码】1ADOI10.11876/mimt202304011Research progress of 3D printing technology in radiotherapyWang Zhiqiang,Zhu Liying,Liu Zhiqiang(1.Radiation Therapy Center,Huashan Hospital Affiliate
3、d to Fudan University,Shangai 200082,China;2.Department of MedicalEngineering,The First Affiliated Hospital of Ningbo University,Ningbo 31500,China)Corresponding author:Liu Zhiqiang,E-mail:Abstract 3D Printing is a technology that can digitize medical images and physically reconstruct them in three
4、dimensions,which can be used to highly simulate human anatomy and is of great importance for clinical research.Radiation therapy is the use ofradiation to kill tumor cells in the target area while minimizing damage to normal tissues.The treatment process requires precise three-dimensional positionin
5、g and dose projection of the tumor lesion to achieve clinical treatment requirements.In recent years,with thegradual application of 3D printing technology in the field of radiotherapy,individualized and high-precision treatment plans have beensuccessfully achieved in clinical practice with good resu
6、lts.In this paper,we will review the research progress of 3D printing technologyin radiation therapy from three directions:tissue compensation application,individualized molds and dose verification molds,summarizethe current problems and give solutions.Keywords3D Printing;Radiation therapy;Research
7、progress3D打印是一种能够将数字模型转化为三维实体结构的技术，结合不同原材料和方法，能够精确地制造出符合形态和功能需求的产品。该技术最早可追溯于上世纪8 0 年代，由CharlesHull发明三维立体光刻技术，并成功制造第一台商业3D打印机。之后麻省理工学院于1993年成功获得3D印刷技术专利，并将之授权ZCorporation公司进行研究开发。2 0 0 5年该公司生产出世界第一台高清晰彩色3D打印机，自此3D打印在各行业领域的应用得到快速发展，包括日常应用、工业制造以及医学等方面。得益于开源共享，90 年代以来国内开始对3D打印进行研究和应用，发展前期主要集中于高校实验室，并在获取
8、新型材料、提高打印精度方面取得一定成果。随后国内企业如南京紫金立德等开始实现商业3D打印机的生产和销售，但相较于国外先进技术仍有一定差距。2012年苏格兰科学家首次打印出人造肝脏组织，标志着3D打印开始应用于医疗领域。近年第一作者：王志强，男，硕士研究生，技师，研究方向：图像处理、放射治疗，E-mail:通讯作者：刘志强，男，硕士研究生，工程师，研究方向：设备信息化、图像处理，E一mail：z h i q i a n g l i u 1990 16 3.c o m60ModernInstruments&MedicalT,Vol.29 No.4来，随着材料科学、算法模型及打印设备的发展，3D打印
9、技术在医疗领域的应用逐渐增多，在多个临床方向上实现较好的融合使用，尤其是在放射治疗领域2 。放射治疗作为临床医学的重要组成部分，其目标是在最大限度地消灭肿瘤的同时，尽可能减少对正常组织的损伤。人体的解剖结构和生理功能较为复杂多变，肿瘤的形态和位置也具有不确定性,因此保证精确位置定位、剂量计算和质量控制就显得尤为重要。利用自身精确三维重建的优势,3D打印技术能够为放射肿瘤患者提供个性化治疗方案，使病人获得更精确、更安全有效的治疗。本文将参阅近几年相关文献，从三个方面表述3D打印在放射治疗中的研究现状,并对所存在的问题进行总结。1组织补偿应用组织补偿物是一种用于改善浅表肿瘤射线剂量分布的材料，它可
10、以消除剂量建成效应，增加肿瘤受照剂量，减少正常组织受损。传统的组织补偿物，如石蜡、橡皮泥、聚凝胶等，往往不能与皮肤表面完全贴合，存在空气间隙，影响剂量精度。依据计算机断层扫描（ComputedTomograph，CT）、磁共振扫描（M a g n e t i c Re s o n a n c e Im a g i n g,M RI）等医学图像,3D打印技术可以制作出与皮肤表面完美贴合的组织补偿物，提高放射治疗的适形和均匀性。2014年，国外Kim等3 学者率先利用3D打印成功设计出平面和定制两种组织补偿膜，并评估其在放射治疗中的可行性，研究发现平面补偿膜可与市售补偿膜达到同样的剂量递增效果；而
11、定制补偿膜则兼具剂量递增和皮肤贴合的优势，推测3D打印补偿膜可替代市售产品。2 0 15年，Zou等4 尝试采用两种打印技术制备电子补偿膜和质子补偿器，经剂量验证后发现两种产品具备一定几何均匀性，不会引起明显的剂量偏差，证实3D打印可用于放疗中组织补偿物的设计制作；但同时也需考虑打印技术的随机不均性特点而引起打印物体的特性变化。同年,Burleson等5 验证了两种3D打印材料的物理和剂量特性，并采用聚乳酸进行补偿膜的设计制作；经过平面剂量比较和伽马分析后发现，剂量偏差为5%时，所制作的补偿膜有8 5%的点通过率，再次证明3D打印技术在补偿膜替代制造上的优势。2020年Kang等6 学者利用苹
12、果手机结合光学表面重建及3D打印技术，分别用平面和3D打印补偿膜对皮肤下肿瘤进行模拟治疗，结果比较发现3D打印补偿膜剂量覆盖率和均匀性指数分别为0.8 17 和0.91，具有更好的剂量分布，优于平面补偿膜。Albantow等7 也在其研究中比较了鼻部传统蜡质和3D打印补偿膜的剂量表现，结果发现10 0%填充密度打印外壳且注水之后，可以获得参考计划的剂量值；并且与传统蜡质膜，生产成本更低，可在临床上推广应用。与此同时，国内学者盛成阳等8 通过对乳腺癌根治术后患者剂量研究发现,放疗过程中3D打印补偿膜生成的建成效应要比传统补偿膜更优；在提高靶区剂量分布、均匀性的同时，也能降低危及器官的高剂量体积和
13、平均剂量，减轻心脏损伤及放射性肺炎等不良反应。2 0 2 1年，李进等9 采用3D打印技术定制个性化的组织补偿块来治疗早期鼻腔NK/T淋巴瘤患者，研究发现其切实提高了靶区的均匀性、适形度以及优化体表靶区的剂量分布。2022年王教成等10 1分别利用传统和3D打印对乳腺癌术后患者实现定位，经剂量学参数比较后，结果发现后者在剂量和靶区适形度上明显优于传统组，证明3D打印补偿膜在提高乳腺癌术后放疗效果有一定作用。之后肖青等11 则针对不同厚度的3D打印补偿膜进行研究，结果发现随者厚度的增加，适形指数逐渐减少，而机器跳数减少而后增加，其中厚度为5mm组的机器跳数最少；同时厚度增加会导致心脏的受量增加，
14、但对患侧肺剂量的影响不明显。曾彪等12 在肛管癌放疗研究中,将传统组织补偿物和3D打印个体化组织补偿物进行剂量验证，发现前者计划剂量与实际测量结果偏差达到12.6%，而后者偏差结果仅为6.9%，证实3D打印组织补偿物可更好的贴合患者皮肤，提高浅表剂量，满足肛管癌放疗要求。2 0 2 3年，Lee等13 研究3D调制电子补偿膜（M o d u l a t e d El e c t r o n Bo l u s，M EB）在左乳癌术后电子放疗中的优势，结果发现左肺和心脏的剂量显著降低,左前降支动脉和肋骨的最大剂量中位数分别下降6.2%和4.5%，研究表明MEB可减少危及器官的受量，提高靶区的适形和
15、均匀性，可在临床上得到应用。目前组织补偿物已经成功应用于鼻腔NK/T肿瘤、乳腺癌、皮肤癌等浅表肿瘤的放射治疗，而3D打印技术的引人能够更好的评估靶区与正常组织所接受的射线剂量，为患者提供最佳的治疗效果。2个体化模具应用为了保证放射治疗的重复性和精确性，需采用合适的模具进行患者体位固定和放射治疗区域标61现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9卷第4期记。传统的模具和模板，如泡沫塑料、塑料片、铅线等，往往不能完全适应患者的身体曲线，存在不适感和移位风险。3D打印技术可以根据患者的个体差异，制作出符合人体工程学原理的模具和模板，提高了放射治疗的舒适性和稳定性。2018年，Haefner等14 学者利
16、用MRI图像数据生成头部表面网格模型，进而打印3D面罩，志愿者配戴面罩后再次进行磁共振扫描，研究发现头部三维位移的平均值为0.9mm，系统随机误差分别为0.20.5mm，具有较高的设置精度，在临床应用上具有一定可行性。2 0 19年，Zaid15则建立了一种为头颈部癌症患者定制3D开口压舌支架的流程，通过采用三维扫描方法设计口腔支架，研究发现所设计的支架与牙齿解剖结构更加吻合，且具有更高的精确度和重复性。邓官华等16 设计制造了37 岁儿童专用放疗头枕，纳人30 例患者进行分组摆位验证，研究结果显示所设计的头枕，能有效降低床升降的误差，提高治疗准确性和舒适性。2 0 2 0 年，林发生等【17
17、 制作出头颈部肿瘤的3D个性化头枕，将其和标准头枕采用相同治疗计划进行模体剂量研究，结果发现在40%聚乳酸材料填充设置时，两种头枕的剂量结果较为相似,3D打印制作的个性化头枕可以达到临床剂量和精度要求。2 0 2 1年，Mattke等学者【18 将3D打印固定面罩应用于在全脑放疗研究中，研究中纳人6 例患者作为实验组接受3D面罩全脑放疗，并与常规热塑膜对照组进行对比，研究发现实验组平均误差在0.6 2.1mm范围内，具有可靠的定位精度和重复性；但学者认为在广泛应用于临床之前,仍需进一步研究。2 0 2 2 年,樊文慧等19评估了口腔支架对舌癌术后放疗中危及器官的影响，结果发现在降低软硬聘等危及
18、器官受照剂量、体积以及口腔黏膜炎等并发症概率方面，3D打印支架具有明显优势。郝芳时等2 0 则在鼻咽癌术后研究中进行患者口腔恢复训练，研究将3D打印开口器与传统恢复用具进行比较，发现前者在确保舒适性的同时,能够有效增大口齿间距,降低张口困难发生率。同年杨文博等2 1 采用192 铱近距离治疗早期阴茎癌的过程中，采用3D打印模板辅助固定阴茎，结果表明3D打印模板能精准的避开尿道，贴合度更好，插植完成后可卸载，能更好的实现个体化治疗。赵秀娟等2 2 探讨了同一患者治疗过程中模具重复使用的可行性，研究纳人10 例宫颈鳞癌患者，联合3D打印模具辅助近距离治疗，通过比较预治疗计划与实际治疗计划的剂量，证
19、实3D打印模具可重复用于同一宫颈癌患者的近距离治疗，治疗次数越多，高危临床靶体积越小，且靶区适形度越好。2023年，Guo等2 3 采用3D打印为患者制作个体化放疗面罩，经锥形束CT摆位验证后，分析传统热塑膜组和3D打印组所引起的摆位误差，结果发现后组在三维方向位移均小于传统组，但只在纵向和垂直平移方向及横向旋转方向具有统计学差异，研究证实3D打印头膜具有可靠重复的交互定位精度。定位模具贯穿于整个放射治疗流程，由于患者性别、体态和病灶等方面的不同，模具的舒适、精度和可重复性十分重要。而3D打印则能够根据患者情况制备出精度高，舒适性较好的模具，这对于放疗质量控制和顺利治疗有着重大意义。3剂量验证
20、模体为了反映出实际放射治疗过程中的剂量分布情况，保证放射治疗计划执行，剂量验证模体是十分必要的。传统的剂量验证模体，如水箱、凝胶等，往往不能真实地模拟人体的解剖结构和密度变化，存在误差和局限性。2015年，Biltekin等2 4 为了全面测量微立体定向体部放射治疗技术（MicroStereotacticBodyRadia-tionTherapy，mi c r o SBRT）的剂量分布情况，借助于3D打印技术成功制造出具有解剖学精度的鼠类模型并用于剂量测定，尽管该解剖模型具有不规则外形,但作者认为仍可作为临床治疗前验证microS-BRT的剂量分布的工具。Mayer等2 5 利用患者的影像数据
21、和3D打印技术生成胸腔体模，采用程序化三维线性平台模拟病人呼吸和肿瘤运动；在Eclipse计划系统和六兆伏光子照射下进行而移动肿瘤和肺替代组织的剂量验证，结果发现测量剂量和计算剂量非常接近一致，不合格率小于10%，证实该体模可用于胸部肿瘤的剂量验证，并且后续也可扩展应用于呼吸门控、心脏运动等研究。Gallas等2 6 同样利用3D打印和环氧树脂材料制作出头颅模型，并用组织替代材料模拟脑组织及肿瘤，经图像扫描结果显示，头部模型的CT值与替代材料的参考值一致，且MRI显示出较好的组织对比度，可应用于整个放疗流程；但学者发现剂量计的亮度轮廓并没有显示出布拉格峰，推测是由于部分容积检测引起的，后续研究
22、中仍需进行定量剂量验证。Ma-damesila等2 7 则是具体描述了3D打印低密度模型62Modern Instruments&MedicalT023.Vol.29 No.4制作流程及应用，利用填充物电子密度校准图，可以获得不同电子密度范围的体模；同时研究使用各向异性算法（Anisotropic AnalyticalAlgorithm，A A A）和辐射变色薄膜对密度为0.57 的模体进行剂量比较，发现计算和实际测量的一致性可达95%，可满足小型诊所的质量保证需求。2 0 17 年，国内学者高莹等2 8 描述了个体化仿真体模制作及验证方法并将之申请专利，这对国内后续的进一步模体研究提供了思路
23、。同年张琛等2 9 依据患者CT图像采用3D打印和组织等效材料制作颅脑体模，经治疗计划验证证实体模的辐射等效性与人体组织相近，且等效剂量分布符合临床治疗要求，个体化程度高，可用于放疗验证。2 0 2 0 年，杨元佳等30】也在获得患者三维立体结构空壳之后，采用各组织的辐射等效材料进行填充，得到包含有患者特征的个体化剂量验证体模；经与患者实际CT图像对比后发现，模体的肺、软组织和肿瘤病灶的CT值误差均小于10%，所设计的胸部体模在能够较为准确地体现个体之间的差异，满足组织辐射等效要求，可用于实际剂量验证。2 0 2 1年，孙海涛等31 学者借鉴于专利技术，结合3D打印技术成功制造出用于放疗剂量验
24、证的个体化三维模体，通过将患者和模体进行影像数据对比，结果发现在辐射等效性方面，所制作的体模与实际组织表现出近似结果；同时模体所表现出等效剂量分布，达到临床治疗要求，证实其可作为一种可靠的剂量验证方式。3D打印技术极大限度模拟了患者肿瘤及危及器官的解剖结构，在此基础上利用组织等效材料制作填充可制作出个体化体模，这对于剂量验证和治疗实施有重要价值。4总结与展望本文从组织补偿、个体化模具和剂量验证模体三个方面讲述了3D打印技术在放射治疗中的应用现状,其中也存在一些问题如：（1)3D打印材料和参数选择：聚碳酸酯、聚乳酸等常规材料打印产品质地较硬，贴合性一般，可寻找更好人体组织等效材料；填充百分比，重
25、量等也会影响产品剂量与物理特性，临床应根据实际需要进行合理设置参数。（2）打印时间：现有3D打印产品耗费时间较长，后续可通过优化图像重建程序以及高精度的打印设备，缩短打印时间。（3）临床研究样本量：体外照射和近距离治疗需要更多的病例数，由此才可形成3D打印适用数据库，确保3D打印技术得到临床支持和应用。随着这些问题的逐步解决,3D打印技术会在放射治疗领域得到进一步应用，其所带来临床效益将会越来越多参考文献1王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析J.中国高新技术企业，2 0 16,2 3（2 6）：3-5.2刘宸希，康红军，吴金珠，等.3D打印技术及其在医疗领域的应用J.材料工程,2 0 2
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34、人研究的样本量较少。针对此问题，本课题组后期将持续纳人符合标准的冠心病患者或联合其他医院进行多中心研究，通过增加样本量提高结果的可信度。其次，纳入研究的冠心病患者年龄跨度较大，本研究虽然通过随机化方法消除了两组患者间的年龄因素干扰，但缺少对不同年龄分段患者间应用IVUS或CAG引导的临床效果对比。后续我们将以年龄为分组依据，在补充病例数的基础上进行不同年龄冠心病患者间接受IVUS或CAG指导下PCI手术的比较研究。尽管如此，本研究发现相比于应用CAG,IVUS引导下进行PCI手术更有利于改善冠心病患者的管腔直径，在一定程度上降低术后不良心脏事件的发生率,对于需接受PCI治疗的冠心病患者具有较良
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