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

La radiothérapie est un outil puissant pour traiter le cancer, utilisant des faisceaux de haute énergie pour détruire les tumeurs tout en épargnant les tissus sains environnants. Comme ces faisceaux sont invisibles et que leurs effets se mesurent en d'infimes fractions d'énergie, les médecins s'appuient sur des vérifications rigoureuses avant de traiter un patient. Ils utilisent des modèles, appelés fantômes, pour simuler la manière dont le corps d'un patient spécifique absorbera la radiation. Traditionnellement, ces modèles sont fabriqués à partir de blocs de plastique standard qui ressemblent à un corps humain générique. Bien que fiables, ces blocs standard ne peuvent pas capturer la forme unique d'un patient individuel ou le mélange complexe de tissus à l'intérieur de celui-ci. Pour remédier à cela, les scientifiques se sont tournés vers l'impression 3D, une technologie qui construit des objets couche par couche, afin de créer des modèles personnalisés qui correspondent exactement à l'anatomie du patient. Cependant, un obstacle majeur subsiste : le plastique utilisé dans les imprimantes 3D ne se comporte pas naturellement comme la chair humaine lorsqu'il est frappé par les radiations. Si le plastique absorbe trop ou trop peu d'énergie par rapport aux tissus réels, les vérifications de sécurité seront erronées, ce qui pourrait conduire à des plans de traitement incorrects.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de résoudre ce problème en trouvant les bons matériaux pour ces modèles personnalisés imprimés en 3D. Ils devaient identifier des plastiques capables de mimer les tissus mous humains non seulement en apparence, mais aussi dans leur interaction avec les radiations à deux niveaux d'énergie très différents. Le premier niveau est la basse énergie utilisée pour l'imagerie médicale, comme un scanner CT standard, qui crée la carte du corps du patient. Le second est la haute énergie utilisée pour le traitement effectif du cancer, qui pénètre profondément dans le corps. Les chercheurs voulaient savoir s'ils pouvaient imprimer un modèle qui soit fidèle sur un scanner et qui délivre la dose de radiation correcte lors du traitement, tout en maintenant un coût suffisamment bas pour que les hôpitaux puissent l'utiliser régulièrement.

Pour trouver la réponse, l'équipe a créé plus de soixante petits cubes de plastique, représentant environ trente types différents de matériaux couramment utilisés dans l'impression 3D. Ils ont utilisé trois machines différentes : deux qui font fondre et déposent de fins filaments de plastique, et une qui polymérise une résine liquide à l'aide de la lumière. Ils ont imprimé certains cubes complètement solides et d'autres avec des quantités variables d'espaces vides à l'intérieur, une caractéristique appelée densité de remplissage (infill), afin de voir s'ils pouvaient ajuster les propriétés du matériau. Après l'impression, ils ont scanné chaque cube avec un scanner CT clinique pour mesurer l'apparence du matériau sur l'image, enregistrée par une valeur appelée Unité Hounsfield. Ils ont également pesé les cubes pour déterminer leur masse et ont calculé combien d'électrons étaient concentrés dans chacun d'eux, un facteur critique pour la façon dont la radiation voyage à travers la matière. Enfin, ils ont testé le comportement des matériaux sous les faisceaux de haute énergie utilisés dans le traitement réel du cancer en plaçant un minuscule capteur à l'intérieur d'un trou au centre de cubes plus larges et en mesurant l'énergie déposée.

Les résultats ont révélé que plusieurs plastiques courants pouvaient effectivement mimer très étroitement les tissus mous humains. Lorsqu'ils étaient imprimés à une densité de 100 %, les matériaux présentaient une large gamme de propriétés. Certains plastiques apparaissaient très sombres sur le scanner CT, semblables à de la graisse, tandis que d'autres apparaissaient brillants, ressemblant à des organes plus denses. La densité de masse de ces cubes solides variait d'un poids légèrement inférieur à celui de l'eau à environ vingt pour cent de plus. Crucialement, lorsque les chercheurs ont testé ces matériaux sous les faisceaux de traitement à haute énergie, la quantité de radiation absorbée correspondait presque parfaitement aux prédictions informatiques. La différence entre ce que les machines prédisaient et ce que les capteurs mesuraient était infime, ne dépassant jamais environ un tiers de pour cent. Ce niveau d'accord suggère que ces matériaux imprimés se comportent presque exactement comme l'eau, qui est la référence standard pour les tissus humains en radiothérapie.

L'étude a également découvert que modifier la quantité d'espace vide à l'intérieur des objets imprimés permettait aux chercheurs d'affiner davantage les matériaux. En ajustant la densité de remplissage de dix pour cent à quatre-vingt-dix pour cent, ils pouvaient faire varier les propriétés d'un seul type de plastique pour couvrir un vaste spectre. Par exemple, un plastique trop dense pour mimer la graisse lorsqu'il est solide pouvait être imprimé avec de larges interstices pour mimer la faible densité des poumons remplis d'air. Cette flexibilité signifiait qu'un seul matériau pouvait être utilisé pour représenter différentes parties du corps simplement en changeant les paramètres d'impression. Les chercheurs ont constaté que des combinaisons spécifiques de type de plastique et de densité de remplissage pouvaient correspondre étroitement aux propriétés radiologiques de tissus humains spécifiques, tels que le foie, le cœur ou le tissu mammaire.

Bien que les résultats soient prometteurs, les chercheurs ont noté certaines limites. La machine haut de gamme utilisant la résine liquide produisait d'excellents résultats mais était nettement plus coûteuse que les machines utilisant des filaments de plastique. De plus, les échantillons de résine liquide ont montré certains signes de déformation après avoir été stockés pendant plusieurs mois, alors que les échantillons de filaments de plastique sont restés stables. L'étude s'est concentrée uniquement sur les tissus mous, laissant le défi de trouver des matériaux imitant l'os pour des travaux futurs. Malgré ces réserves, la recherche démontre qu'il est possible de créer des modèles personnalisés et rentables pour les contrôles de sécurité en radiothérapie. En sélectionnant le bon plastique et en ajustant la structure interne, les hôpitaux peuvent produire des fantômes qui sont à la fois abordables et précis, garantissant que les doses de radiation délivrées aux patients sont sûres et précises.