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

Radiotherapie is een krachtig hulpmiddel bij de behandeling van kanker, waarbij hoogenergetische stralen worden gebruikt om tumoren te vernietigen terwijl het omliggende gezonde weefsel wordt gespaard. Omdat deze stralen onzichtbaar zijn en hun effecten worden gemeten in minuscule fracties energie, vertrouwen artsen op strikte controles voordat ze een patiënt behandelen. Ze gebruiken modellen, genaamd fantomen, om te simuleren hoe het lichaam van een specifie�k patiënt de straling zal absorberen. Traditioneel worden deze modellen gemaakt van standaard blokken plastic die lijken op een generiek menselijk lichaam. Hoewel deze standaard blokken betrouwbaar zijn, kunnen ze niet de unieke vorm van een individuele patiënt of de complexe mix van weefsels daarin vangen. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers zich tot 3D-printen gewend, een technologie die objecten laag voor laag opbouwt, om op maat gemaakte modellen te creëren die exact overeenkomen met de anatomie van een patiënt. Er blijft echter een grote hindernis bestaan: het plastic dat in 3D-printers wordt gebruikt, gedraagt zich niet van nature als menselijk vlees wanneer het door straling wordt geraakt. Als het plastic te veel of te weinig energie absorbeert in vergelijking met echt weefsel, zullen de veiligheidscontroles onjuist zijn, wat potentieel kan leiden tot onjuiste behandelplannen.

Een team van onderzoekers zette zich in om dit probleem op te lossen door de juiste materialen voor deze op maat gemaakte 3D-geprinte modellen te vinden. Ze moesten plastics identificeren die menselijk zacht weefsel niet alleen in uiterlijk, maar ook in de manier waarop ze interageren met straling op twee zeer verschillende energieniveaus nabootsen. Het eerste niveau is de lage energie die wordt gebruikt voor medische beeldvorming, zoals een standaard CT-scan, die de kaart van het lichaam van de patiënt maakt. Het tweede is de hoge energie die wordt gebruikt voor de daadwerkelijke behandeling van kanker, die diep in het lichaam doordringt. De onderzoekers wilden weten of ze een model konden printen dat er op een scan juist uitziet en de juiste dosis straling levert tijdens de behandeling, terwijl ze de kosten laag genoeg houden voor regelmatig gebruik in ziekenhuizen.

Om het antwoord te vinden, maakten de onderzoekers meer dan zestig kleine kubussen van plastic, die ongeveer dertig verschillende soorten materialen vertegenwoordigen die veel worden gebruikt in 3D-printen. Ze gebruikten drie verschillende printmachines: twee die plastic smelten en dunne draden neerleggen, en één die vloeibare hars uithardt met licht. Ze printten sommige kubussen volledig solide en andere met variërende hoeveelheden lege ruimte aan de binnenkant, een kenmerk dat infill-dichtheid wordt genoemd, om te zien of ze de eigenschappen van het materiaal konden afstemmen. Na het printen scanden ze elke kubus met een klinische CT-scanner om te meten hoe het materiaal op de afbeelding verscheen, vastgelegd door een waarde die een Hounsfield-eenheid wordt genoemd. Ze woogen ook de kubussen om hun massa te bepalen en berekenden hoeveel elektronen er in elk exemplaar waren gepakt, een cruciale factor voor hoe straling door materie reist. Ten slotte testten ze hoe de materialen zich gedroegen onder de hoogenergetische stralen die worden gebruikt bij de werkelijke behandeling van kanker, door een kleine sensor in een gat in het midden van grotere kubussen te plaatsen en de afgegeven energie te meten.

De resultaten toonden aan dat verschillende veelvoorkomende plastics inderdaad het menselijke zachte weefsel zeer nauwkeurig kunnen nabootsen. Wanneer ze bij een dichtheid van 100% werden geprint, vertoonden de materialen een breed scala aan eigenschappen. Sommige plastics verschenen erg donker op de CT-scan, vergelijkbaar met vet, terwijl andere helder verschenen, wat lijkt op dichtere organen. De massadichtheid van deze solide kubussen varieerde van iets lichter dan water tot ongeveer twintig procent zwaarder. Cruciaal was dat wanneer de onderzoekers deze materialen testten onder de hoogenergetische behandelstralen, de hoeveelheid geabsorbeerde straling bijna perfect overeenkwam met de computervoorspellingen. Het verschil tussen wat de machines voorspelden en wat de sensoren maten was minimaal en kwam nooit boven de één en een derde procent uit. Dit niveau van overeenstemming suggereert dat deze geprinte materialen bijna exact hetzelfde gedrag vertonen als water, wat de standaardreferentie is voor menselijk weefsel in radiotherapie.

De studie ontdekte ook dat het veranderen van de hoeveelheid lege ruimte in de geprinte objecten de onderzoekers in staat stelde om de materialen verder te verfijnen. Door de infill-dichtheid aan te passen van tien tot negentig procent, konden ze de eigenschappen van een enkel type plastic verschuiven over een breed spectrum. Bijvoorbeeld, een plastic dat te dicht was om vet na te bootsen wanneer het solide was, kon met grote tussenruimtes worden geprint om de lage dichtheid van luchtgevulde longen na te bootsen. Deze flexibiliteit betekende dat een enkel materiaal gebruikt kon worden om verschillende delen van het lichaam te representeren, simpelweg door de printinstellingen te wijzigen. De onderzoekers ontdekten dat specifieke combinaties van plastictype en infill-dichtheid nauw konden aansluiten bij de radiologische eigenschappen van specifieke menselijke weefsels, zoals het lever-, hart- of borstweefsel.

Hoewel de bevindingen veelbelovend zijn, merkten de onderzoekers enkele beperkingen op. De geavanceerde machine die gebruikmaakte van vloeibare hars leverde uitstekende resultaten, maar was aanzienlijk duurder dan de machines die gebruikmaakten van plastic draden. Bovendien vertoonden de monsters van de vloeibare hars teken van vervorming na opslag gedurende enkele maanden, terwijl de monsters van de plastic draden stabiel bleven. De studie richtte zich alleen op zachte weefsels, waardoor de uitdaging om materialen te vinden die bot nabootsen een onderwerp voor toekomstig werk blijft. Ondanks deze kanttekeningen toont het onderzoek aan dat het mogelijk is om kosteneffectieve, patiëntspecifieke modellen te maken voor controles op de veiligheid van de straling. Door het juiste plastic te selecteren en de interne structuur aan te passen, kunnen ziekenhuizen phantomen produceren die zowel betaalbaar als accuraat zijn, waardoor de aan de patiënten toegediende stralingsdoses veilig en precies zijn.