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

रेडिएशन थेरेपी (विकिरण चिकित्सा) कैंसर के इलाज के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो ट्यूमर को नष्ट करने के लिए उच्च-ऊर्जा वाली किरणों का उपयोग करती है और साथ ही उनके आस-पास के स्वस्थ ऊतकों को सुरक्षित रखती है। चूंकि ये किरणें अदृश्य होती हैं और इनके प्रभाव ऊर्जा के बहुत सूक्ष्म अंशों में मापे जाते हैं, इसलिए डॉक्टर मरीज का उपचार करने से पहले कठोर जांच पर भरोसा करते हैं। वे मॉडलों का उपयोग करते हैं, जिन्हें 'फैंटम' कहा जाता है, जो यह सिम्युलेट (अनुकरण) करते हैं कि एक विशिष्ट मरीज का शरीर विकिरण को कैसे अवशोषित करेगा। पारंपरिक रूप से, ये मॉडल प्लास्टिक के मानक ब्लॉकों से बने होते हैं जो एक सामान्य मानव शरीर की तरह दिखते हैं। हालांकि ये विश्वसनीय हैं, लेकिन ये मानक ब्लॉक किसी व्यक्ति के अद्वितीय आकार या उनके भीतर मौजूद ऊतकों के जटिल मिश्रण को नहीं दर्शा सकते। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों ने 3D प्रिंटिंग की ओर रुख किया है—एक ऐसी तकनीक जो वस्तुओं को परत-दर-परत बनाकर निर्माण करती है—ताकि मरीज की सटीक शारीरिक संरचना से मेल खाने वाले कस्टम मॉडल बनाए जा सकें। हालांकि, एक बड़ी बाधा अभी भी बनी हुई है: 3D प्रिंटर में उपयोग होने वाला प्लास्टिक विकिरण से टकराने पर स्वाभाविक रूप से मानव मांस की तरह व्यवहार नहीं करता है। यदि प्लास्टिक वास्तविक ऊतक की तुलना में बहुत अधिक या बहुत कम ऊर्जा अवशोषित करता है, तो सुरक्षा जांच गलत हो जाएगी, जिससे उपचार की योजना गलत हो सकती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन कस्टम 3D-प्रिंटेड मॉडलों के लिए सही सामग्री खोजने की दिशा में इस समस्या को हल करने का प्रयास किया। उन्हें ऐसे प्लास्टिक की पहचान करने की आवश्यकता थी जो न केवल दिखावट में, बल्कि दो बहुत ही अलग ऊर्जा स्तरों पर विकिरण के साथ अपनी अंतःक्रिया के मामले में भी मानव कोमल ऊतकों (सॉफ्ट टिश्यू) की नकल कर सके। पहला स्तर कम ऊर्जा वाला है जिसका उपयोग मेडिकल इमेजिंग के लिए किया जाता है, जैसे कि एक मानक सीटी (CT) स्कैन, जो मरीज के शरीर का मानचित्र बनाता है। दूसरा स्तर उच्च ऊर्जा वाला है जिसका उपयोग वास्तव में कैंसर के इलाज के लिए किया जाता है, जो शरीर में गहराई तक प्रवेश करता है। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या वे एक ऐसा मॉडल प्रिंट कर सकते हैं जो स्कैन पर सही दिखे और उपचार के दौरान विकिरण की सही खुराक भी दे, और यह सब किफायती लागत पर हो ताकि अस्पताल इसका नियमित उपयोग कर सकें।

इसका उत्तर खोजने के लिए, टीम ने प्लास्टिक के साठ से अधिक छोटे क्यूब्स बनाए, जो 3D प्रिंटिंग में उपयोग की जाने वाली लगभग तीस विभिन्न प्रकार की सामग्रियों का प्रतिनिधित्व करते हैं। उन्होंने तीन अलग-अलग प्रिंटिंग मशीनों का उपयोग किया: दो जो प्लास्टिक के पतले धागे पिघलाकर बिछाती हैं, और एक जो प्रकाश के माध्यम से तरल रेजिन (liquid resin) को सुखाकर सख्त करती है। उन्होंने कुछ क्यूब्स पूरी तरह से ठोस प्रिंट किए और कुछ को अंदर खाली स्थान के साथ (जिसे इन्फिल डेंसिटी या भराव घनत्व कहा जाता है) प्रिंट किया, ताकि वे सामग्री के गुणों को नियंत्रित कर सकें। प्रिंट करने के बाद, उन्होंने प्रत्येक क्यूब को एक क्लिनिकल सीटी स्कैनर के साथ स्कैन किया ताकि यह मापा जा सके कि वह इमेज में कैसा दिखता है, जिसे 'हौंसफील्ड यूनिट' (Hounsfield Unit) नामक मान द्वारा रिकॉर्ड किया गया। उन्होंने क्यूब्स के द्रव्यमान (mass) को निर्धारित करने के लिए उन्हें तौला और गणना की कि प्रत्येक में कितने इलेक्ट्रॉन भरे हुए थे, जो पदार्थ के माध्यम से विकिरण के सफर के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। अंत में, उन्होंने परीक्षण किया कि उच्च-ऊर्जा वाली किरणों के तहत ये सामग्रियां वास्तव में कैंसर उपचार में उपयोग होने वाली बीम्स के प्रति कैसा व्यवहार करती हैं, जिसके लिए उन्होंने बड़े क्यूब्स के केंद्र में एक छेद के भीतर एक छोटा सेंसर रखा और अवशोषित ऊर्जा को मापा।

परिणामों से पता चला कि कई सामान्य प्लास्टिक वास्तव में मानव कोमल ऊतकों की बहुत बारीकी से नकल कर सकते हैं। जब उन्हें 100% डेंसिटी (घनत्व) पर प्रिंट किया गया, तो सामग्रियों ने गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला दिखाई। कुछ प्लास्टिक सीटी स्कैन पर बहुत गहरे दिखे, जो वसा (fat) के समान थे, जबकि अन्य चमकीले दिखे, जो घने अंगों के समान थे। इन ठोस क्यूब्स का मास डेंसिटी (द्रव्यमान घनत्व) पानी से थोड़ा कम से लेकर लगभग बीस प्रतिशत भारी तक था। महत्वपूर्ण रूप से, जब शोधकर्ताओं ने वास्तविक कैंसर उपचार में उपयोग होने वाली उच्च-ऊर्जा बीम्स के तहत इन सामग्रियों का परीक्षण किया, तो उनके द्वारा अवशोषित विकिरण की मात्रा कंप्यूटर के अनुमानों से लगभग पूरी तरह मेल खाती थी। मशीनों द्वारा किए गए अनुमान और सेंसर द्वारा मापे गए मान के बीच का अंतर बहुत कम था, जो कभी भी लगभग एक और एक तिहाई प्रतिशत से अधिक नहीं हुआ। यह स्तर का तालमेल यह सुझाव देता है कि ये प्रिंट की गई सामग्रियां पानी की तरह व्यवहार करती हैं, जो रेडिएशन थेरेपी में मानव ऊतक के लिए मानक संदर्भ है।

अध्ययन में यह भी पता चला कि प्रिंट की गई वस्तुओं के भीतर खाली स्थान की मात्रा को बदलकर शोधकर्ता इन सामग्रियों को और अधिक सूक्ष्मता से ट्यून (सुधार) कर सकते हैं। इन्फिल डेंसिटी को दस प्रतिशत से नब्बे प्रतिशत तक समायोजित करके, वे एक ही प्लास्टिक प्रकार के गुणों को एक विस्तृत स्पेक्ट्रम में बदल सकते थे। उदाहरण के लिए, एक प्लास्टिक जो ठोस होने पर वसा की नकल करने के लिए बहुत घना था, उसे हवा से भरे फेफड़ों के निम्न घनत्व की नकल करने के लिए बड़े अंतराल के साथ प्रिंट किया जा सकता था। इस लचीलेपन का अर्थ था कि एक ही सामग्री का उपयोग शरीर के विभिन्न हिस्सों का प्रतिनिधित्व करने के लिए केवल प्रिंटिंग सेटिंग्स बदलकर किया जा सकता था। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्लास्टिक के प्रकार और इन्फिल डेंसिटी के विशिष्ट संयोजन मानव ऊतकों, जैसे कि लीवर, हृदय या स्तन ऊतक के रेडियोलॉजिकल गुणों से बारीकी से मेल खा सकते हैं।

हालांकि परिणाम उत्साहजनक हैं, शोधकर्ताओं ने कुछ सीमाओं का भी उल्लेख किया। तरल रेजिन का उपयोग करने वाली उच्च-स्तरीय मशीन ने उत्कृष्ट परिणाम दिए लेकिन वह प्लास्टिक धागे का उपयोग करने वाली मशीनों की तुलना में काफी महंगी थी। इसके अतिरिक्त, तरल रेजिन के नमूनों में कुछ महीनों के भंडारण के बाद विरूपण (deformation) के कुछ संकेत मिले, जबकि प्लास्टिक धागे के नमूने स्थिर रहे। अध्ययन केवल कोमल ऊतकों (soft tissues) पर केंद्रित था, जिससे भविष्य के कार्यों के लिए हड्डियों (bone) की नकल करने वाली सामग्रियां खोजने की चुनौती बनी हुई है। इन सावधानियों के बावजूद, यह शोध प्रदर्शित करता है कि रेडिएशन सुरक्षा जांच के लिए लागत प्रभावी, रोगी-विशिष्ट मॉडल बनाना संभव है। सही प्लास्टिक का चयन करके और आंतरिक संरचना को समायोजित करके, अस्पताल ऐसे फैंटम तैयार कर सकते हैं जो किफायती और सटीक दोनों हों, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि मरीजों को दी जाने वाली रेडिएशन की खुराक सुरक्षित और सटीक है।