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

Die Strahlentherapie ist ein leistungsstarkes Instrument zur Behandlung von Krebs, bei dem hochenergetische Strahlen eingesetzt werden, um Tumore zu zerstören, während das umliegende gesunde Gewebe geschont wird. Da diese Strahlen unsichtbar sind und ihre Auswirkungen in winzigen Bruchteilen von Energie gemessen werden, verlassen sich Ärzte vor der Behandlung eines Patienten auf strenge Kontrollen. Sie verwenden Modelle, sogenannte Phantome, um zu simulieren, wie der Körper eines spezifischen Patienten die Strahlung absorbieren wird. Traditionell bestehen diese Modelle aus Standardblöcken aus Kunststoff, die wie ein generischer menschlicher Körper aussehen. Obwohl diese Standardblöcke zuverlässig sind, können sie nicht die einzigartige Form eines einzelnen Patienten oder die komplexe Mischung der Gewebe in ihm erfassen. Um dies zu beheben, hat sich die Wissenschaft der 3D-Drucktechnologie zugewandt – einer Technologie, die Objekte Schicht für Schicht aufbaut –, um maßgeschneiderte Modelle zu erstellen, die der exakten Anatomie eines Patienten entsprechen. Ein großes Hindernis besteht jedoch weiterhin: Der Kunststoff, der in 3D-Druckern verwendet wird, verhält sich von Natur aus nicht wie menschliches Fleisch, wenn er von Strahlung getroffen wird. Wenn der Kunststoff zu viel oder zu wenig Energie absorbiert als das echte Gewebe, werden die Sicherheitsprüfungen fehlerhaft sein, was potenziell zu inkorrekten Behandlungsplänen führen kann.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, dieses Problem zu lösen, indem es die richtigen Materialien für diese maßgeschneiderten 3D-gedruckten Modelle fand. Sie mussten Kunststoffe identifizieren, die menschliches Weichgewebe nicht nur in der Erscheinung, sondern auch in der Art und Weise nachahmen, wie sie mit Strahlung bei zwei sehr unterschiedlichen Energieniveaus interagieren. Das erste Niveau ist die niedrige Energie, die für die medizinische Bildgebung verwendet wird, wie etwa einen Standard-CT-Scan, der die Karte des Körpers des Patienten erstellt. Das zweite ist die hohe Energie, die für die eigentliche Krebsbehandlung verwendet wird und tief in den Körper eindringt. Die Forscher wollten wissen, ob sie ein Modell drucken könnten, das in einem Scan richtig aussieht und die korrekte Strahlendosis während der Behandlung liefert, und dies gleichzeitig kostengünstig genug hält, damit Krankenhäuser es regelmäßig nutzen können.

Um die Antwort zu finden, erstellte das Team über sechzig kleine Kunststoffwürfel, die etwa dreißig verschiedene Arten von Materialien repräsentieren, die häufig im 3D-Druck verwendet werden. Sie nutzten drei verschiedene Druckmaschinen: zwei, die Kunststoff schmelzen und dünne Fäden ablegen, und eine, die flüssiges Harz mit Licht aushärtet. Sie druckten einige Würfel vollständig massiv und andere mit variierenden Mengen an Leerraum im Inneren, einer Eigenschaft, die als Infill-Dichte bekannt ist, um die Eigenschaften des Materials abstimmen zu können. Nach dem Drucken scannten sie jeden Würfel mit einem klinischen CT-Scanner, um zu messen, wie das Material im Bild erschien, was durch einen Wert namens Hounsfield-Einheit aufgezeichnet wurde. Sie wogen die Würfel auch, um ihre Masse zu bestimmen, und berechneten, wie viele Elektronen in jedem von ihnen gepackt waren – ein entscheidender Faktor dafür, wie Strahlung durch Materie reist. Schließlich testeten sie, wie sich die Materialien unter den hochenergetischen Strahlen verhielten, die bei einer tatsächlichen Krebsbehandlung zum Einsatz kommen, indem sie einen winzigen Sensor in ein Loch in der Mitte größerer Würfel platzierten und die deponierte Energie maßen.

Die Ergebnisse zeigten, dass mehrere gängige Kunststoffe in der Tat menschliches Weichgewebe sehr genau nachahmen können. Wenn sie bei 100 % Dichte gedruckt wurden, zeigten die Materialien eine breite Palette von Eigenschaften. Einige Kunststoffe erschienen im CT-Scan sehr dunkel, ähnlich wie Fett, während andere hell erschienen und somit dichteren Organen entsprachen. Die Massendichte dieser soliden Würfel reichte von etwas leichter als Wasser bis hin zu etwa zwanzig Prozent schwerer. Entscheidend war, dass die Forscher, als sie diese Materialien unter den hochenergetischen Behandlungsstrahlen testeten, feststellten, dass die absorbierte Strahlungsmenge fast perfekt mit den Computerprognosen übereinstimmte. Die Differenz zwischen dem, was die Maschinen vorhersagten, und dem, was die Sensoren maßen, war winzig und überschritt nie etwa ein Drittel Prozent. Dieses Maß an Übereinstimmung deutet darauf hin, dass sich diese gedruckten Materialien fast exakt wie Wasser verhalten, welches der Standardreferenz für menschliches Gewebe in der Strahlentherapie ist.

Die Studie ergab auch, dass die Änderung der Menge an Leerraum im Inneren der gedruckten Objekte es den Forschern ermöglichte, die Materialien weiter fein abzustimmen. Durch die Anpassung der Infill-Dichte von zehn bis neunzig Prozent konnten sie die Eigenschaften eines einzigen Kunststofftyps über ein breites Spektrum verschieben. Beispielsweise konnte ein Kunststoff, der im soliden Zustand zu dicht war, um Fett nachzuahmen, mit großen Lücken gedruckt werden, um die geringe Dichte von luftgefüllten Lungen nachzuahmen. Diese Flexibilität bedeutete, dass ein einzlich Material verwendet werden konnte, um verschiedene Teile des Körpers darzustellen, indem man einfach die Druckeinstellungen änderte. Die Forscher fanden heraus, dass spezifische Kombinationen aus Kunststofftyp und Infill-Dichte die radiologischen Eigenschaften spezifischer menschlicher Gewebe, wie etwa des Lebers, des Herzens oder des Brustgewebes, eng nachbilden konnten.

Obwohl die Ergebnisse vielversprechend sind, wiesen die Forscher auch auf einige Einschränkungen hin. Die High-End-Maschine, die flüssiges Harz verwendete, lieferte exzellente Ergebnisse, war jedoch deutlich teurer als die Maschinen, die Kunststofffäden verwendeten. Zudem zeigten die Proben aus dem flüssigen Harz nach der Lagerung über mehrere Monate hinweg Anzeichen von Deformation, während die Kunststofffaden-Proben stabil blieben. Die Studie konzentrierte sich ausschließlich auf Weichteile, wodurch die Herausforderung, Materialien für Knochen zu finden, für zukünftige Arbeiten offen blieb. Ungeachtet dieser Vorbehalte zeigt die Forschung jedoch, dass es möglich ist, kosteneffiziente, patientenspezifische Modelle für Strahlensicherheitsprüfungen zu erstellen. Durch die Auswahl des richtigen Kunststoffs und die Anpassung der internen Struktur können Krankenhäuser Phantome produzieren, die sowohl erschwinglich als auch präzise sind, wodurch sichergestellt wird, dass die an Patienten abgegebenen Strahlendosen sicher und exakt sind.