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

A radioterapia é uma ferramenta poderosa para o tratamento do câncer, utilizando feixes de alta energia para destruir tumores enquanto preserva o tecido saudável ao redor deles. Como esses feixes são invisíveis e seus efeitos são medidos em frações minúsculas de energia, os médicos dependem de verificações rigorosas antes de tratar um paciente. Eles utilizam modelos, chamados de fantasmas, para simular como o corpo de um paciente específico absorverá a radiação. Tradicionalmente, esses modelos são feitos de blocos padrão de plástico que se parecem com um corpo humano genérico. Embora confiáveis, esses blocos padrão não conseguem capturar a forma única de um paciente individual ou a mistura complexa de tecidos dentro dele. Para corrigir isso, cientistas recorreram à impressão 3D, uma tecnologia que constrói objetos camada por camada, para criar modelos personalizados que correspondam à anatomia exata de um paciente. No entanto, um grande obstáculo permanece: o plástico usado em impressoras 3D não se comporta naturalmente como a carne humana quando atingido pela radiação. Se o plástico absorver energia demais ou de menos em comparação ao tecido real, as verificações de segurança estarão erradas, podendo levar a planos de tratamento incorretos.

Uma equipe de pesquisadores partiu para resolver esse problema, buscando encontrar os materiais certos para esses modelos personalizados impressos em 3D. Eles precisavam identificar plásticos que mimetizassem o tecido mole humano não apenas em aparência, mas em como interagem com a radiação em dois níveis de energia muito diferentes. O primeiro nível é a baixa energia usada para imagem médica, como uma tomografia computadorizada (TC) padrão, que cria o mapa do corpo do paciente. O segundo é a alta energia usada para tratar o câncer propriamente dito, que penetra profundamente no corpo. Os pesquisadores queriam saber se poderiam imprimir um modelo que parecesse correto em um exame de imagem e entregasse a dose correta de radiação durante o tratamento, tudo isso mantendo o custo baixo o suficiente para que os hospitais possam utilizá-lo regularmente.

Para encontrar a resposta, a equipe criou mais de sessenta pequenos cubos de plástico, representando cerca de trinta tipos diferentes de materiais comumentmente usados na impressão 3D. Eles utilizaram três máquinas de impressão diferentes: duas que derretem e depositam fios finos de plástico, e uma que cura resina líquida através de luz. Eles imprimiram alguns cubos completamente sólidos e outros com quantidades variadas de espaço vazio no interior, uma característica conhecida como densidade de preenchimento (infill), para ver se poderiam ajustar as propriedades do material. Após a impressão, escanearam cada cubo com um scanner de TC clínico para medir como o material aparecia na imagem, registrado por um valor chamado Unidade Hounsfield. Eles também pesaram os cubos para determinar sua massa e calcularam quantos elétrons estavam compactados em cada um, um fator crítico para como a radiação viaja através da matéria. Por fim, testaram como os materiais se comportavam sob os feixes de alta energia usados no tratamento real do câncer, colocando um pequeno sensor dentro de um orifício no centro de cubos maiores e medindo a energia depositada.

Os resultados revelaram que vários plásticos comuns poderiam, de fato, mimetizar o tecido mole humano de forma muito próxima. Quando impressos com 100% de densidade, os materiais mostraram uma ampla gama de propriedades. Alguns plásticos pareciam muito escuros na TC, semelhantes à gordura, enquanto outros pareciam brilhantes, assemelhando-se a órgãos mais densos. A densidade de massa desses cubos sólidos variou de ligeiramente mais leve que a água até cerca de vinte por cento mais pesada. Crucialmente, quando os pesquisadores testaram esses materiais sob os feixes de tratamento de alta energia, a quantidade de radiação que absorveram coincidiu quase perfeitamente com as previsões do computador. A diferença entre o que as máquinas previram e o que os sensores mediram foi ínfima, nunca excedendo cerca de um terço de um por cento. Esse nível de concordância sugere que esses materiais impressos se comportam quase exatamente como a água, que é a referência padrão para o tecido humano na radioterapia.

O estudo também descobriu que alterar a quantidade de espaço vazio dentro dos objetos impressos permitia que os pesquisadores ajustassem os materiais ainda mais. Ao ajustar a densidade de preenchimento de dez por cento a noventa por cento, eles podiam deslocar as propriedades de um único tipo de plástico para cobrir um vasto espectro. Por exemplo, um plástico que fosse denso demais para mimetizar a gordura quando sólido poderia ser impresso com grandes lacunas para mimetizar a baixa densidade de pulmões cheios de ar. Essa flexibilidade significava que um único material poderia ser usado para representar diferentes partes do corpo, simplesmente alterando as configurações de impressão. Os pesquisadores descobriram que combinações específicas de tipo de plástico e densidade de preenchimento podiam corresponder de perto às propriedades radiológicas de tecidos humanos específicos, como o fígado, o coração ou o tecido mamário.

Embora os achados sejam promissores, os pesquisadores observaram algumas limitações. A máquina de alto desempenho que utilizava resina líquida produziu excelentes resultados, mas era significativamente mais cara do que as máquinas que utilizavam fios de plástico. Além disso, as amostras de resina líquida mostraram alguns sinais de deformação após serem armazenadas por vários meses, ao passo que as amostras de fios de plástico permaneceram estáveis. O estudo focou apenas em tecidos moles, deixando o desafio de encontrar materiais que mimetizem o osso para trabalhos futuros. Apesar dessas ressalvas, a pesquisa demonstra que é possível criar modelos personalizados e de baixo custo para verificações de segurança em radioterapia. Ao selecionar o plástico correto e ajustar a estrutura interna, os hospitais podem produzir fantasmas que são tanto acessíveis quanto precisos, garantindo que as doses de radiação administradas aos pacientes sejam seguras e precisas.