日本利用3D打印技术和移动机器人平台进行实时肿瘤追踪和质量保证

        中国3D打印网5月21日讯，日本山口大学的研究人员让三名肺癌患者参加了一项研究，该研究评估了动态运动幻影系统，该系统可以使用肿瘤追踪系统执行患者特定的质量保证，从而可以再现患者的解剖结构和3D肿瘤运动。呼吸门控放射疗法。他们在“一种新颖的动态机器人运动体模系统上进行了报告，该系统可在实时肿瘤跟踪放射治疗中确保针对患者的质量。”
        当使用立体定向放射疗法（SBRT）进行癌症治疗时，呼吸过程中位于腹部或胸腔区域的肿瘤运动可能会导致精确的剂量输送问题。您需要较大的内部余量或IM，以覆盖自由呼吸期间发生的几何形状变化，但是此修复方法会导致另一个问题–对健康组织的毒性。这项研究的重点是通过管理Varian的TrueBeam放射治疗系统与实时跟踪放射治疗（RTRT）系统SyncTraX组合而成的新型系统，以管理由呼吸引起的肿瘤运动。该小组写道：“进行这项研究的目的是评估一种可重现患者3D肿瘤运动和患者解剖结构的新型动态动态幻象系统，并使用SyncTraX对患者进行呼吸门控放射治疗的QA。”

X射线管的位置和颜色I.I.s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。
        您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（I.I.s）可帮助计算TrueBeam系统中肿瘤附近的基准标记物的3D坐标。他们说：“在一项初步研究中，我们的小组报告说，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。”
        在2015年进行这项研究时，研究人员表示，SyncTraX日志文件和电子门户图像设备能够验证治疗中的“几何和位置准确性”，但无法“确认可能的剂量范围”。易受危险器官辐射毒性的影响。4此外，还没有建立治疗前针对患者的质量保证（QA）。”同时，已经实现了“针对患者的门控放射疗法剂量学质量保证法”，但是商业移动的肿瘤体模无法复制复杂的运动体模可以产生的3D呼吸运动，这很重要，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定制提供了可能性。它能够产生个性化的模仿肺部的幻像，因此对于研究使用SyncTraX进行的门控放射疗法的准确性有潜在的帮助。”本研究中的三名患者“对患有肺肿瘤的患者进行了SyncTraX呼吸门控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。

   新型动态机器人运动模型和实验装置。将机器人操纵器固定在治疗床上。指定了机械手的姿势。 WEP设置在机械臂的尖端。三个运动轴沿左右方向（LR，X），上下方向（SI，Y）和前后方向（AP，Z）。
       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6.1千克水当量幻影（WEP），带有3D打印板肺部幻影。 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打印机上从PLA进行3D打印，制作患者专用的幻像，并填充木粘土。设计了个性化的体模，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。

 创建3D打印板的肺部幻影

       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，然后记录下来。研究人员解释说：“记录肺肿瘤3D位置的日志文件被用作动态机器人运动体模的输入。用于驱动每个关节的命令值已从机器人控制器发送到动态机器人运动体模。然后，动态的机器人移动体模再现了肺肿瘤的3D呼吸运动。”

  示意图显示了如何使用动态机器人运动幻象系统再现3D呼吸运动
        每个机器人运动幻影关节的驱动信号都发送到机器人控制器。然后，通过“正向运动学计算”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来测量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，以确定解剖学准确性。研究小组写道：“ 3D打印的肿瘤的体积与患者CT图像的体积一致。在3D打印的肿瘤的HU和质量密度方面观察到很小的差异。 3D打印肺的HU和质量密度与患者CT图像几乎一致。 3D打印技术可以高精度地复制患者的身体。”


例1的3D打印板肺部幻影插入冠状，轴向和矢状平面的WEP CT图像示例
       为了确定患者特定的QA，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。进行了呼吸门放射疗法以驱动WEP。”该团队写道。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“驾驶模型”的剂量分布进行了测量，“未进行呼吸门放射治疗以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％。” “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％，对于所有患者。此外，对于所有患者，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。

等中心平面中的3D打印板肺部体模，其中数字表示在编号位置处的各个nanoDot OSL测量值。
      他们评估了SyncTraX的跟踪精度，并将其与“测量位置和基准标记的实际位置用作内部替代物”进行比较，以确定几何质量保证。“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。该团队写道：“ SyncTraX系统可以高精度地跟踪基准标记。
       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。该团队的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。

       中国3D打印网点评： 这项研究表明，可商购的3D打印可用于制造逼真的肺板假体，其质量密度和肿瘤体积与患者非常相似。需要注意的重要一件事是，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，可以使用SyncTraX对患者进行门控放射治疗的QA”。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。