Material selection for a 3D-printed tissue-equivalent cost-effective phantom for radiotherapy quality assurance
本研究通过系统评估 30 多种塑料在诊断和治疗能量范围内的放射学特性与剂量学准确性，确定了适用于制造患者特异性、组织等效放射治疗体模的具有成本效益的 3D 打印材料。
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放射治疗是治疗癌症的一种强大工具，它利用高能射线来摧毁肿瘤，同时保护周围的健康组织。由于这些射线是肉眼看不见的，且其效应是以极微小的能量单位来衡量的，因此医生在为患者进行治疗前必须进行严格的检查。他们使用被称为“仿体”（phantoms）的模型来模拟特定患者的身体将如何吸收辐射。传统上，这些模型是由标准塑料块制成的，看起来像是一个通用的类人躯干。虽然这些标准块很可靠，但它们无法捕捉到个体患者独特的形状或其内部复杂的组织构成。为了解决这个问题，科学家们转向了 3D 打印技术——这种技术通过逐层构建物体的方式，来创建与患者精确解剖结构相匹配的定制化模型。然而，一个主要的障碍仍然存在：3D 打印机使用的塑料在受到辐射时，其表现并不自然地像人类肌肉组织。如果塑料吸收的能量过多或过少，与真实组织不符，那么安全检查就会出错，可能导致错误的治疗方案。
一个研究小组致力于通过寻找合适的材料来解决这一问题，以用于这些定制的 3D 打印模型。他们需要识别出不仅在外观上，而且在两种截然不同的能量水平下与人体软组织相互作用方式都能够模拟人类组织的塑料。第一个能量水平是用于医学成像（如标准 CT 扫描）的低能级，用于绘制患者身体的地图；第二个是用于实际治疗癌症的高能级，这种能量可以深入人体内部。研究人员想要了解，他们是否可以打印出一个既能在扫描中呈现正确影像，又能在治疗过程中传递正确剂量的模型，同时还要保持足够低的成本，以便医院能够定期使用。
为了找到答案，该团队制作了 60 多个小型塑料立方体，代表了 30 多种在 3D 打印中常用的材料类型。他们使用了三种不同的打印机：两台是熔化并铺设薄塑料丝的机器，另一台是利用光固化液态树脂的机器。他们打印了一些完全实心的立方体，另一些则具有不同程度的内部空隙（即称为“填充密度”的特征），以观察是否可以调节材料的特性。打印完成后，他们使用临床 CT 扫描仪对每个立方体进行了扫描，以测量材料在图像上的表现（由“亨斯菲尔德单位”记录）；他们还称量了立方体的重量以确定其质量，并计算了每个立方体中包含的电子数量，这是辐射在物质中传播的关键因素。最后，他们通过将传感器放置在较大立方体中心的孔洞内并测量沉积的能量，测试了这些材料在实际癌症治疗所用的高能射线下的表现。
结果显示，几种常见的塑料确实可以非常紧密地模拟人体软组织。当以 100% 的密度打印时，这些材料表现出广泛的特性。有些塑料在 CT 扫描中显得非常暗，类似于脂肪；而另一些则显得明亮，类似于较密的器官。这些实心立方体的质量密度范围从略轻于水到比水重约 20% 不等。至关重要的是，当研究人员在用于实际癌症治疗的高能射线下测试这些材料时，它们吸收的辐射量与计算机预测几乎完美吻合。机器预测值与传感器测量值之间的差异极小，从未超过约 1.3%。这种高度的一致性表明，这些打印材料的行为几乎与水（放射治疗中人体组织的标准参照物）完全一致。
研究还发现，通过改变打印对象的内部空隙量，研究人员可以进一步精细调节材料。通过将填充密度从 10% 调整到 90%，他们可以让同一种塑料的特性在广阔的光谱中发生偏移。例如，一种在实心状态下因密度过高而无法模拟脂肪的塑料，可以通过打印较大的间隙来模拟充满空气的肺部的低密度特性。这种灵活性意味着，只需改变打印设置，单一材料就可以用来代表身体的不同部分。研究人员发现，特定的塑料类型与填充密度的组合，可以紧密匹配特定的人体组织，如肝脏、心脏或乳腺组织。
尽管研究结果令人鼓舞，但研究人员也指出了一些局限性。那台使用液态树脂的高端机器效果极佳，但其成本明显高于使用塑料丝的机器。此外，液态树脂样本在存放数月后表现出了一些变形迹象，而塑料丝样本则保持稳定。该研究仅侧重于软组织，对于寻找模拟骨骼的材料，仍留下了未来的挑战。尽管存在这些限制，这项研究仍证明了创建具有成本效益的、针对特定患者的安全性检查模型的可能性。通过选择合适的塑料并调整内部结构，医院可以生产出既经济又准确的仿体，从而确保交付给患者的辐射剂量既安全又精准。
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