放射性粒子组织间近距离治疗肿瘤具有创伤小、定位精确、并发症低等优点，目前临床主要用于治疗前列腺癌、胰腺癌、肝癌、复发性直肠癌、颅内肿瘤等，且疗效显著^[1]。超声、CT和治疗计划系统(treatment planning system, TPS)被广泛应用于放射性粒子植入，通过TPS术前计划在手术前选择恰当的进针路径可使粒子合理分布，从而优化靶区剂量、降低危及器官受照。目前前列腺癌等粒子植入治疗均是在共面模板导下进行，对于解剖结构复杂、器官运动和骨结构干扰时无法实现平行插植和剂量高度适形。3D打印技术又称快速成型技术，是一种根据计算机数据，将金属粉末、光敏树脂等可粘合材料逐层打印，最终叠加为3D实体的技术，具有个性化、精准化、远程化等优点，非常适用于医学模板设计领域^[2-4]。

本研究探索一种3D打印的个体化非共面模板引导放射性¹²⁵I粒子组织间近距离治疗盆腔恶性肿瘤的可行性和在实现模板与患者体表个性化特征的匹配与固定，按照术前TPS设计的计划进行放射性粒子的精准植入。

1.软件和设备：应用软件包括放射性粒子组织间近距离治疗计划系统(Brachytherapy Treatment Planning System, B-TPS)，设备型号：KL-SIRPS-3D (北京天航科霖科技发展有限公司提供)；三维医学影像学Magics 19.01(比利时Materialise公司)。应用硬件包括CT机(荷兰Philips公司，Brilliance Bigbore)和3D打印机(上海联泰三维科技有限公司，RS6000)，打印精度0.02~0.1 mm。打印材料均符合欧洲经济共同体(EEC)标准的医用光固化树脂IMAGINE 8 000。

2. 3D打印模板设计：以直肠癌术后盆腔复发患者为例，阐述3D打印模板的设计与制作方法。

(1) 获取三维重建数据及术前计划设计：所有患者，体位俯卧，真空垫固定，体表标记定位线，使用CT扫描，层厚0.5 cm。将扫描的数据导入近距离治疗计划系统(BTPS)行术前计划设计，勾画靶区肿瘤体积(gross tumor volume, GTV)及周围危及器官(organs at risk, OAR)，设定处方剂量和粒子活度，设计插植针道路径(方向、分布、深度)，计算粒子数目和模拟粒子空间位置分布，计算GTV与OAR剂量。通过优化，使GTV D₉₀尽量达到处方剂量。添加预留针道。

(2) 穿刺引导柱与导板板体设计：在B-TPS 7.3.5.5软件当中，选择3D视窗，三维显示功能菜单显示病灶区三维模型，选择适形模板，根据患者外轮廓的形状设置模板范围，点击生成按钮，即可生成带有穿刺引导柱、预留针道及导板板体信息的个性化模板(图 1)图像，并输出带有相关信息m文件。¹²⁵I粒子植入专用穿刺针直径为18 G，引导孔内径设计预留后期三维打印的精度损失，同时保证穿刺针平滑无阻碍插入，又不会在导向孔内产生摆动。模板板体设计考虑因素包括：① 板体需要覆盖导向孔及预留针道分布范围，且板体边缘距离导向孔大于5 mm的距离，以保证导向孔结构的刚度。② 根据患者解剖形态特点，设计出具有一定固定功能的结构。③ 模板厚度3 mm。

图 1 带有针道信息的设计模型 Figure 1 A designed model with channel information

(3) 个体化模板后处理：TPS生成的m文件为适形模板的不同组成部分。TPS厂商接收到医院发送的m文件后，首先利用专有方法将m文件合成为stl格式的适形模板文件，然后利用3D打印建模和编辑软件Magics 19.01进行3D模型的后处理。其中后处理的内容包括：① 根据TPS对针道的排序，在模板针道旁边添加数字编号。② 在模板上添加相交于定位针道的十字基准线，手术时通过将十字基准线与CT激光灯对齐来实现模板在患者身上的摆位。③ 添加患者和医院名称以及模板序号。④ 根据模板形状及患者体位特征，在模板上开设大小不一的圆形孔洞，用于增加模板在患者体表上的稳固性。⑤ 最后对3D模型进行平滑处理，去除边缘毛刺和倒角等。处理后的3D模型被输入到激光快速成型机进行3D打印(图 2)。

图 2 3D打印个体化模板成品 Figure 2 3D-printing personalized template products

3.临床数据获取：选择2015年12月至2016年12月于北京大学第三医院肿瘤放疗科就诊的51例盆部肿瘤患者(男性23例，女性28例)，患者全部签署了知情同意书。按照病灶部位选择手术体位，真空垫固定，体表标记定位线，行术前CT检查，手术后即刻行CT扫描，以DICOM格式输出扫描数据。

将患者CT数据导入B-TPS软件，完成放射性粒子植入术前治疗计划设计，术后验证计划。获取术前、术后计划中的如下参数：靶区的D₉₀(90%的靶区体积受照剂量)、V₁₀₀、V₁₅₀、V₂₀₀、(V_x为x%的处方剂量所占体积)、最小周边剂量(mPD)。以适形度指数(conformation index, CI)评价剂量分布的适形度^[5], CI=(V_Tref/V_T)×(V_Tref/V_ref)。式中, V_T为GTV体积, cm³；V_Tref为GTV接受处方剂量的体积, cm³；V_ref为处方剂量包含的总体积, cm³。CI为1时，处方剂量正好覆盖GTV，而GTV外体积接受剂量均低于处方剂量；CI越接近1，GTV内接受处方剂量体积越大而GTV外接受处方剂量的体积越小。以靶区外体积指数(external volume index, EI)描述靶区外接受超过处方剂量体积占靶区体积的百分比^[9]：EI=(V_ref-V_Tref)/V_T×100%，EI为0时，说明GTV外组织接受剂量均小于处方剂量；EI越大，说明GTV外接受处方剂量体积越大。均匀性指数(homogeneity index, HI)用于评价剂量分布均匀性^[5]，HI=(V_Tref-V_T1.5ref)/V_Tref×100%，式中V_T1.5ref为GTV接受150%处方剂量的体积, cm³。HI越接近100%, 说明GTV剂量分布越均匀。

4.统计学处理：采用SPSS 20.0软件进行数据处理。所有数据符合正态分布。对术后实际验证结果与术前所对应的参数进行配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

应用上述方法，完成51位盆腔部放射性粒子植入个体化模板的设计，模板佩戴效果如图 3所示。51例模板术中就位良好，粒子植入后扫描CT图像导入治疗计划系统进行术后验证。术后粒子数量66.67颗、D₉₀、mPD分别为136.42、70.23 Gy, V₁₀₀、V₁₅₀、V₂₀₀的均值分别为为90.43%、65.55%、49.33%，与术前的各项比较，mPD和V₂₀₀的差异有统计学意义(t=-2.29、-2.23，P＜0.05)，其余参数差异均无统计学意义(P＞0.05)。术后CI、EI和HI参数与术前比较，差异均无统计学意义(P＞0.05)。见表 1。

图 3 盆腔肿瘤患者实际佩戴3D打印个体化模板效果 Figure 3 The effect of using 3D-printing personalized template in patients with pelvic tumor

表 1(Table 1)

表 1 盆腔肿瘤患者125I粒子植入治疗术前、术后靶区及剂量学参数比较x±s) Table 1 Comparison of preoperative and postoperative dosimetric parameters with pelvic tumor (x±s)

表 1 盆腔肿瘤患者125I粒子植入治疗术前、术后靶区及剂量学参数比较x±s) Table 1 Comparison of preoperative and postoperative dosimetric parameters with pelvic tumor (x±s)

放射性粒子植入的疗效直接取决于剂量分布，粒子植入前需要制定术前计划，评估靶区和正常组织剂量分布，术前计划是临床疗效与安全的保证。TPS软件系统具有成熟的软件算法，在患者CT影像数据上准确合理地规划粒子空间分布与剂量分布，已发展成为放射性粒子植入治疗的常规技术，可信度高^[6-8]。因此, 如何在术中达到术前计划的目标，成为粒子植入技术研究的主要方向之一。霍彬等^[9]采用平面模板治疗肺癌，取得了较好的效果。平面模板可提高穿刺针位置的精确度，但其在植入方向上无法灵活调整，多用于病灶形态较规则，穿刺方向单一、进针路径无危及器官阻挡的病变。刘树明等^[10]报道了应用3D打印模板辅助进行头颈部肿瘤的放射性粒子植入。盆腔区域进行放射性粒子植入治疗，与头颈部相比有类似特殊与复杂的因素：① 解剖结构相对复杂，对针道的控制精度要求高。② 为达到病灶所需处方剂量，同一患者需要不同角度进针，甚至头颈方向进针。③ 对于一些相对特殊的病灶，针间距相差并非0.5、1 cm等，需要根据具体病灶进行调整。上述问题影响了盆腔肿瘤放射性粒子植入治疗的效果，临床迫切需要一种新的个体化模板弥补现有不足，实现术中准确按照术前计划实施的目的。本研究个体化模板的设计理念恰恰可以解决上述问题，满足手术高精度、高安全性、易操作性和可重复性的临床需求。

3D打印非共面模板设计充分体现个体化特点，个性化模板的形态设计是模板是否成功的一个重要环节。“个性化”主要体现在术前定位、扫描CT影像、制定术前计划。本研究所用模板的设计理念综合考虑了以下3方面因素。① 稳定性。术前、术中患者的体位重复性至关重要，3D打印非共面模板与患者体表紧密贴合是模板稳定固定的重要保证。本研究中，个体化模板的打印完全由患者CT数据提取的个体化体表三维形态，保证了模板与患者体表完全贴合。此外，模板形态设计时尽量保留一些组织变形量较小且曲率变化较大的区域(髂前上棘、尾骨)，可以提供更加稳定和可靠的固定保证。② 精确复位。模板精度的保证，除了依靠精确固定，还需要准确的复位。术前利用激光十字线在患者体表标记，模板上标记该十字线，术中利用该激光十字线进行复位。该方法理念出自外放疗的定位、复位技术，重复性得到极大提高，同时可简化手术流程，减少手术时间。③ 节约材料。3D打印模板的材料成本占有很大比重。本研究在非针道区域设计了镂空结构，该镂空结构距离导向孔大于1 cm，且不影像模板的固定作用，可有效减轻导板重量，降低材料成本。

应用3D打印技术制作个体化模板。相比于传统制造技术，3D打印在小批次、设计复杂的物件制造上具有成本和效率优势，这也使得3D打印技术在医学领域中拥有极佳的应用前景^[11]。现有的快速成形技术在3D打印方面可达到10~20 μm的加工精度^[12]。本研究使用的3D打印设备，采用光固化立体印刷技术，使用的原料为液态的光敏树脂，打印精度0.02~0.1 mm，基本满足3D打印非共面模板引导放射性粒子植入治疗的精度要求。

本研究结果表明，通过3D打印非共面模板引导，粒子植入后的剂量分布，能较好地满足术前计划的要求，术前术后的多数剂量学参数差异并无统计学意义。术后mPD均值比术前增加18.5%，表明术后低于处方剂量的区域减少，更有利于对肿瘤的控制。术后V₂₀₀比术前增加14.4%，主要分布在靶区中央区域，对周围正常组织的影响较小。形成两种差异的原因主要有：盆腔内肠管运动、阻挡，对插植针方向，深度会产生一定影响；呼吸运动也会引起病灶位置变化，导致穿刺针植入病灶的相对位置出现偏差；病灶局部有骨骼阻挡，导致穿刺不到位；对于骨病灶或存在液化坏死的病灶，实际植入的粒子数目、空间分布与术前计划存在差异。手术过程中充分考虑上述情况对手术的影响，会大大降低术后与术前的不一致性。

精确计划、精准插植是粒子治疗的关键。3D打印非共面模板具有定位、定向准确的特点，术后验证实际靶区各项剂量学参数均较好的达到了术前计划的设计要求，为标准化、规范化粒子植入治疗提供了有效工具，有很好的应用前景。