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

La radioterapia es una herramienta poderosa para tratar el cáncer, utilizando haces de alta energía para destruir tumores mientras se preserva el tejido sano que los rodea. Debido a que estos haces son invisibles y sus efectos se miden en fracciones diminutas de energía, los médicos dependen de controles rigurosos antes de tratar a un paciente. Utilizan modelos, llamados maniquíes o fantomas, para simular cómo el cuerpo de un paciente específico absorberá la radiación. Tradicionalmente, estos modelos están hechos de bloques estándar de plástico que tienen la apariencia de un cuerpo humano genérico. Aunque son fiables, estos bloques estándar no pueden capturar la forma única de un paciente individual ni la compleja mezcla de tejidos en su interior. Para solucionar esto, los científicos han recurrido a la impresión 3D, una tecnología que construye objetos capa por capa, para crear modelos personalizados que coincidan con la anatomía exacta de un paciente. Sin embargo, sigue existiendo un obstáculo importante: el plástico utilizado en las impresoras 3D no se comporta naturalmente como la carne humana cuando es impactado por la radiación. Si el plástico absorbe demasiada o muy poca energía en comparación con el tejido real, los controles de seguridad serán erróneos, lo que podría conducir a planes de tratamiento incorrectos.

Un equipo de investigadores se propuso resolver este problema encontrando los materiales adecuados para estos modelos personalizados impresos en 3D. Necesitaban identificar plásticos que imiten el tejido blando humano no solo en su apariencia, sino también en cómo interactúan con la radiación a dos niveles de energía muy diferentes. El primer nivel es la baja energía utilizada para la obtención de imágenes médicas, como una tomografía computarizada (TC) estándar, que crea el mapa del cuerpo del paciente. El segundo es la alta energía utilizada para tratar realmente el cáncer, que penetra profundamente en el cuerpo. Los investigadores querían saber si podían imprimir un modelo que se viera correctamente en una exploración y entregara la dosis correcta de radiación durante el tratamiento, todo ello manteniendo el costo lo suficientemente bajo para que los hospitales puedan usarlo regularmente.

Para encontrar la respuesta, el equipo creó más de sesenta pequeños cubos de plástico, que representaban unos treinta tipos diferentes de materiales utilizados habitualmente en la impresión 3D. Utilizaron tres máquinas de impresión diferentes: dos que funden y depositan hilos finos de plástico, y una que cura resina líquida mediante luz. Imprimieron algunos cubos completamente sólidos y otros con distintas cantidades de espacio vacío en su interior, una característica conocida como densidad de relleno, para ver si podían ajustar las propiedades del material. Después de la impresión, escanearon cada cubo con un escáner de TC clínico para medir cómo aparecía el material en la imagen, registrado mediante un valor llamado Unidad Hounsfield. También pesaron los cubos para determinar su masa y calcularon cuántos electrones contenía cada uno, un factor crítico para la forma en que la radiación viaja a través de la materia. Finalmente, probaron cómo se comportaban los materiales bajo los haces de alta energía utilizados en el tratamiento real del cáncer, colocando un pequeño sensor dentro de un agujero en el centro de cubos más grandes y midiendo la energía depositada.

Los resultados revelaron que varios plásticos comunes podían, de hecho, imitar muy de cerca el tejido blando humano. Cuando se imprimieron con una densidad del 100%, los materiales mostraron una amplia gama de propiedades. Algunos plásticos aparecieron muy oscuros en la TC, similares a la grasa, mientras que otros aparecieron brillantes, asemejándose a órganos más densos. La densidad de masa de estos cubos sólidos varió desde ligeramente más ligera que el agua hasta aproximadamente un veinte por ciento más pesada. Crucialmente, cuando los investigadores probaron estos materiales bajo los haces de tratamiento de alta energía, la cantidad de radiación que absorbieron coincidió casi perfectamente con las predicciones de la computadora. La diferencia entre lo que las máquinas predijeron y lo que los sensores midieron fue mínima, nunca superando aproximadamente un uno y un tercio por ciento. Este nivel de concordancia sugiere que estos materiales impresos se comportan casi exactamente como el agua, que es la referencia estándar para el tejido humano en la radioterapia.

El estudio también descubrió que cambiar la cantidad de espacio vacío dentro de los objetos impresos permitía a los investigadores ajustar los materiales aún más. Al ajustar la densidad de relleno del diez al noventa por ciento, podían desplazar las propiedades de un solo tipo de plástico para cubrir un amplio espectro. Por ejemplo, un plástico que era demasiado denso para imitar la grasa cuando es sólido podía imprimirse con grandes huecos para imitar la baja densidad de los pulmones llenos de aire. Esta flexibilidad significaba que un solo material podía utilizarse para representar diferentes partes del cuerpo simplemente cambiando la configuración de impresión. Los investigadores descubrieron que combinaciones específicas de tipo de plástico y densidad de relleno podían coincidir estrechamente con las propiedades radiológicas de tejidos humanos específicos, como el hígado, el corazón o el tejido mamario.

Aunque los hallazgos son prometedores, los investigadores señalaron algunas limitaciones. La máquina de alta gama que utilizaba resina líquida produjo excelentes resultados, pero era significativamente más cara que las máquinas que utilizaban hilos de plástico. Además, las muestras de resina líquida mostraron algunos signos de deformación tras ser almacenadas durante varios meses, mientras que las muestras de hilos de plástico se mantuvieron estables. El estudio se centró únicamente en los tejidos blandos, dejando pendiente el desafío de encontrar materiales que imiten el hueso para trabajos futuros. A pesar de estas salvedades, la investigación demuestra que es posible crear modelos personalizados y rentables para los controles de seguridad en radioterapia. Al seleccionar el plástico adecuado y ajustar la estructura interna, los hospitales pueden producir maniquíes que sean tanto asequibles como precisos, garantizando que las dosis de radiación administradas a los pacientes sean seguras y exactas.