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癌症患者福音!日本利用3D打印技术开发的新型系统可提高肿瘤治疗效果

来源:原创

发布时间:2020-05-21 17:20:31

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aau讯(编辑 卢晶)据外媒报道,日本山口大学的研究人员携三名肺癌患者开展了一项关于动态运动幻影系统评估的研究。该系统可以使用追踪系统执行对患者肿瘤的追踪,从而可以再现患者肿瘤的解剖结构和3D运动。此研究被命名为呼吸门控放射疗法,且研究员发表了题为“可以保证患者治疗质量的一种实时跟踪肿瘤放射治疗的新型动态机器人运动体模系统。”的研究报告。


据悉,当使用立体定向放射疗法(SBRT)进行癌症治疗时,位于患者腹部或胸腔区域的肿瘤会随呼吸而运动,这可能会导致精确的剂量输送问题。基于此,医生需要给患者较大的内部余量或IM,以覆盖自由呼吸期间肿瘤发生的几何形状变化,但是此修复方法会导致另一个问题–对健康组织的损伤。这项研究的重点是将TrueBeam放射治疗系统与实时跟踪放射治疗(RTRT)系统SyncTraX相结合以开发一种新型系统,用于处理呼吸引起的肿瘤运动。


该研究员写道:“进行这项研究的目的是评估一种可重现患者肿瘤运动和3D解剖结构的新型动态幻影系统,并使用SyncTraX对患者进行呼吸门控放射治疗的QA。”



X射线管和颜色II的位置可以从三个选项中选择。在用非共面光束进行放射治疗的过程中,可以使用荧光检查法观察基准标记。该图基于SyncTraX的图形用户界面。



据了解,该系统需要在内部肿瘤运动与外部标记或传感器之间进行交互以使用运动管理策略,例如肿瘤跟踪放疗、屏气和呼吸门控放疗。SyncTraX系统可通过使用内部基准标记物进行呼吸门控来减少IM,而X射线管和两个彩色图像增强器(IIs)可帮助计算TrueBeam系统中肿瘤附近的基准标记物的3D坐标。


研究小组说:“在初步研究过程中,该系统可以跟踪基准标记的运动并以合理的精度控制辐射的传输。”


研究人员表示,在2015年进行这项研究时,SyncTraX日志文件和电子门户图像设备能够验证治疗中的“几何形状和位置准确性”,但无法确认“可能的剂量范围”。这很容易导致健康组织受辐射影响。此外,此前研究还没有建立起针对患者的质量保证(QA)。”


但现在,该研究实现了“针对患者的门控放射疗法剂量学质量保证法”,但是3D体模无法复制因呼吸而移动的复杂的肿瘤体模,这点非常重要,因为运动的替代体或体模会导致放射光束触发信号。


该团队指出:“最近,3D打印技术为医疗领域的各种应用提供了定制可能性。它能够产生个性化的模仿肺部的幻像,因此对于研究员使用SyncTraX进行的门控放射疗法的准确性有潜在的帮助。”





此次研究对患有肺肿瘤的三名患者进行了SyncTraX门控呼吸SBRT,每位患者的肿瘤附近均植入了一些直径1.5 mm的基准标记。当他们屏住呼吸约15秒钟时,使用西门子CT扫描仪扫描其肺部,并使用“各向异性分析算法”进行剂量计算。





使用6轴机器人移动平台进行3D呼吸运动,并在机器人手臂的尖端设置了6.1千克水量当幻影(WEP),带有3D打印肺部幻影。CT图像用于设计四个平板肺部体模和内部替代物,这是一个基准标记。在FDM 3D打印机上使用PLA进行3D打印,制作患者专用的幻像,并填充木粘土。设计个性化的体模,以便可以将光学模拟发光(OSL)剂量计放置在肺部区域内,并将四个3D打印的体模插入WEP。





机器人运动幻影系统用于再现肺部肿瘤的3D呼吸运动,这是在患者进行治疗前首先用SyncTraX测量的。基准标记的3D坐标以30 Hz的频率记录下来的。


对此,研究员解释说:“动态机器人运动体模系统输入记录肺肿瘤3D位置的文件,用于驱动从机器人控制器发送到动态机器人运动体模的每个关节的命令值。然后,动态的机器人移动体模再现了肺肿瘤的3D呼吸运动。”


每个机器人运动体模关节的驱动信号都发送到机器人控制器。然后,通过“正向运动学”将关节坐标系中的信号传输到治疗室的系统中,并记录在日志文件中。研究人员使用TPS测量3D打印体模的肿瘤和肺的质量密度、体积和Hounsfield单位(HU),然后将数据与患者的实际CT图像进行比较,以确定解剖结构准确性。





此外,研究员写道:“ 3D打印的肿瘤的体积与患者CT图像的体积一致。3D打印肿瘤的HU和质量密度方面与患者CT图像几乎一致,只存在很小的差异。基于此,3D打印技术可以高精度地复制患者的身体。”





为了保证患者的治疗质量,将呼吸门控SyncTraX放射疗法发送至进行3D呼吸运动的机器人幻影,并设置特定条件,以便团队可以识别WEP中的标记。


“ WEP被驱动来跟踪3D呼吸运动,以进行呼吸门放射疗法”该研究团队说到。


使用NanoDot OSL剂量计和Gafchromic膜来测量绝对剂量和剂量分布,以得出剂量学QA,并将测得的剂量与TPS计算的计划剂量进行比较。最后,对没有进行呼吸门控放射治疗的“驾驶体模”的剂量分布来评估运动管理的效率。





他们解释说:“计划和测量的绝对剂量之间的差异在等中心点处<1.0%,在肺部地区<4.0%。通过试用所有患者,在选通和不选通条件下,γ3mm / 3%和γ2mm / 2%的伽玛通过率分别为99.9±0.1%和90.1±8.5%,以及97.5±0.9%和68.6±17.8%。此外,在LR、AP和SI方向上,位置误差的均方根平均值的均值±SD分别为0.11±0.04 mm,0.33±0.04 mm和0.20±0.04 mm。





他们评估了SyncTraX的跟踪精度,并将其与“用作内部替代物的测量位置和基准标记的实际位置”进行比较,以确定几何质量保证。


该团队写道:“由于WEP上的重力,AP方向的RMS值大于其他方向的RMS值。但是,无论机架,床架角度和SyncTraX位置如何,SyncTraX在所有方向和3D方向上的跟踪精度均<0.60 mm。 该系统可以高精度地跟踪基准标记。”


他们解释说:“计划和测量绝对剂量之间的差异在等中心点处<1.0%,在肺部地区<4.0%。大多数运动体模只能执行1D或2D目标运动,或者具有简单的形状而没有重要的解剖细节。动态机器人运动幻影能够准确地再现复杂的3D呼吸运动,并分别在SI、AP和LR方向上覆盖高达34 mm、24 mm和16 mm的肺肿瘤运动。”


“此外,我们开发的系统包括一个工业机器人。随着工业机器人的大量生产,可以期望降低成本。因此,我们开发的系统将比其他幻像系统便宜。”该团队补充道。


这项研究表明,3D打印可用于制造逼真的肺部假体,其质量密度和肿瘤体积与患者非常相似。需要注意的一点是,患者特定的QA是在接近临床的情况下进行的,而不是真正的情况。但是收集的其余数据表明,在使用动模的现实条件下,可以确保使用SyncTraX对患者进行门控放射治疗的QA。


研究人员总结道:“将来,我们计划使用SyncTraX进行呼吸门控强度调制放射疗法(IMRT)。开发的幻象系统对于执行针对患者的门控IMRT QA很有用。此外,它对于新型运动管理技术的接受、调试和质量保证将非常有用,例如CyberKnife,30千伏内分数监测数据为36、38,DMLC跟踪的是39。”





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