Material selection for a 3D-printed tissue-equivalent cost-effective phantom for radiotherapy quality assurance

يعد العلاج بالإشعاع أداة قوية لعلاج السرطان، حيث يستخدم حزماً عالية الطاقة لتدمير الأورام مع الحفاظ على الأنسجة السليمة المحيطة بها. ولأن هذه الحزم غير مرئية وتُقاس آثارها بأجزاء ضئيلة جداً من الطاقة، يعتمد الأطباء على فحوصات صارمة قبل علاج المريض. إنهم يستخدمون نماذج، تسمى "الأشباح" (phantoms)، لمحاكاة كيفية امتصاص جسم مريض معين للإشعاع. تقليدياً، تُصنع هذه النماذج من كتل بلاستيكية قياسية تشبه جسماً بشرياً عاماً. ورغم أنها موثوقة، إلا أن هذه الكتل القياسية لا يمكنها تجسيد الشكل الفريد لكل مريض أو المزيج المعقد من الأنسجة بداخله. ولحل هذه المشكلة، لجأ العلماء إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد، وهي تقنية تبني الأجسام طبقة تلو الأخرى، لإنشاء نماذج مخصصة تطابق التشريح الدقيق للمريض. ومع ذلك، لا تزال هناك عقبة رئيسية: البلاستيك المستخدم في الطابعات ثلاثية الأبعاد لا يتصرف طبيعياً مثل اللحم البشري عند تعرضه للإشعاع. فإذا امتص البلاستيك طاقة أكثر أو أقل مما ينبغي مقارنة بالأنسجة الحقيقية، فستكون فحوصات السلامة خاطئة، مما قد يؤدي إلى خطط علاجية غير صحيحة.

لقد وضع فريق من الباحثين هدفاً لحل هذه المشكلة من خلال إيجاد المواد المناسبة لهذه النماذج المخصصة المطبوعة ثلاثية الأبعاد. كان عليهم تحديد أنواع البلاستيك التي تحاكي الأنسجة الرخوة البشرية ليس فقط في مظهرها، بل أيضاً في كيفية تفاعلها مع الإشعاع عند مستويين مختلفين تماماً من الطاقة. المستوى الأول هو الطاقة المنخفضة المستخدمة في التصوير الطبي، مثل الأشعة المقطعية (CT) القياسية، والتي ترسم خريطة لجسم المريض. والمستوى الثاني هو الطاقة العالية المستخدمة في العلاج الفعلي للسرطان، والتي تخترق عمق الجسم. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم طباعة نموذج يبدو صحيحاً في الأشعة المقطعية ويقدم الجرعة الصحيحة من الإشعاع أثناء العلاج، كل ذلك مع الحفاظ على تكلفة منخفضة بما يكفي لتتمكن المستشاتفيات من استخدامه بانتظام.

ولإيجاد الإجابة، قام الفريق بإنشاء أكثر من ستين مكعباً صغيراً من البلاستيك، تمثل حوالي ثلاثين نوعاً مختلفاً من المواد المستخدمة عادة في الطباعة ثلاثية الأبعاد. واستخدموا ثلاث آلات طباعة مختلفة: اثنتان تعملان على صهر ووضع خيوط رفيعة من البلاستيك، وواحدة تعمل على معالجة الراتنج السائل باستخدام الضوء. طبعوا بعض المكعبات صلبة تماماً وأخرى تحتوي على كميات متفاوتة من المساحات الفارغة بالداخل، وهي ميزة تُعرف باسم "كثافة الحشو" (infill density)، لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم ضبط خصائص المادة. بعد الطباعة، قاموا بفحص كل مكعب باستخدام ماسح أشعة مقطعية سريري لقياس كيفية ظهور المادة في الصورة، وهو ما يُسجل بقيمة تسمى "وحدة هونسفيلد" (Hounsfield Unit). كما قاموا بوزن المكعبات لتحديد كتلتها وحسبوا عدد الإلكترونات الموجودة في كل منها، وهو عامل حاسم لكيفية انتقال الإشعاع عبر المادة. وأخيراً، اختبروا سلوك المواد تحت حزم الطاقة العالية المستخدمة في علاج السرطان الفعلي عن طريق وضع مستشعر صغير داخل ثقب في مركز مكعبات أكبر وقياس الطاقة المترسبة.

كشفت النتائج أن العديد من أنواع البلاستيك الشائعة يمكنها بالفعل محاكاة الأنسجة الرخوة البشرية بدقة كبيرة. فعند طباعتها بكثافة 100%، أظهرت المواد نطاقاً واسعاً من الخصائص؛ حيث ظهرت بعض أنواع البلاستيك داكنة جداً في الأشعة المقطعية، بشكل يشبه الدهون، بينما ظهرت أنواع أخرى ساطعة، مما يشبه الأعضاء الأكثر كثافة. وتراوحت الكثافة الكتلية لهذه المكعبات الصلبة من أخف قليلاً من الماء إلى أثقل بنسبة عشرين بالمائة تقريباً. والأهم من ذلك، عندما اختبر الباحثون هذه المواد تحت حزم العلاج عالية الطاقة، كانت كمية الإشعاع التي امتصتها تطابق توقعات الكمبيوتر بدقة شبه تامة. وكان الفرق بين ما توقعته الأجهزة وما قاسته المستشعرات ضئيلاً للغاية، حيث لم يتجاوز أبداً واحداً وثلاثة أعشار في المائة. ويشير هذا المستوى من التوافق إلى أن هذه المواد المطبوعة تتصرف تماماً مثل الماء، وهو المرجع القياسي للأنسجة البشرية في العلاج الإشعاعي.

كما اكتشفت الدراسة أن تغيير كمية المساحة الفارغة داخل الأجسام المطبوعة سمح للباحثين بضبط المواد بشكل أدق. فمن خلال تعديل كثافة الحشو من عشرة بالمائة إلى تسعين بالمائة، استطاعوا تحويل خصائص نوع واحد من البلاستيك لتغطي طيفاً واسعاً. فعلى سبيل المثال، النوع الذي كان شديد الكثافة بحيث لا يمكنه محاكاة الدهون عندما يكون صلباً، يمكن طباعته بفجوات كبيرة لمحاكاة الكثافة المنخفضة للرئتين المملوءتين بالهواء. تعني هذه المرونة أنه يمكن استخدام مادة واحدة لتمثيل أجزاء مختلفة من الجسم ببساً بتغيير إعدادات الطباعة. وجد الباحثون أن تركيبات محددة من نوع البلاستيك وكثافة الحشو يمكن أن تطابق عن كثب الخصائص الإشعاعية لأنسجة بشرية معينة، مثل الكبد أو القلب أو أنسجة الثدي.

وعلى الرغم من أن النتائج واعدة، فقد أشار الباحثون إلى بعض القيود. فالآلة المتطورة التي استخدمت الراتنج السائل أنتجت نتائج ممتازة ولكنها كانت أغلى ثمناً بشكل ملحوظ من الآلات التي تستخدم خيوط البلاستيك. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت عينات الراتنج السائل بعض علامات التشوه بعد تخزينها لعدة أشهر، بينما ظلت عينات خيوط البلاستيك مستقرة. كما ركزت الدراسة فقط على الأنسجة الرخوة، مما يترك تحدي إيجاد مواد تحاكي العظام للعمل المستقبلي. وبالرغم من هذه التحفظات، فإن البحث يثبت أنه من الممكن إنشاء نماذج مخصصة للمريض ومنخفضة التكلفة للتحقق من سلامة الإشعاع. فمن خلال اختيار البلاستيك المناسب وضبط الهيكل الداخلي، يمكن للمستشفيات إنتاج "أشباح" تكون اقتصادية ودقيقة في آن واحد، مما يضمن أن جرعات الإشعاع المقدمة للمرضى آمنة ودقيقة.