CN105498099B - 一种组织补偿物的制备方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组织补偿物的制备方法及系统，涉及医疗器械领域，所述方法包括：通过CT定位扫描，获取定位扫描图像；对所获取的定位扫描图像进行图像处理，得到相应的皮肤区域图像；利用所得到的皮肤区域图像，建立个体化3D打印组织补偿物的三维模型，并将所建立的三维模型进行逐层切片，得到所述三维模型的多个横截面信息；根据所述三维模型的多个横截面信息，逐层打印，得到个体化3D打印组织补偿物。本发明能够针对浅表病变情况及浅表病变位置，制备个性化的密度均匀且与浅表病变皮肤表面紧密贴合的组织补偿物，从而为实现高质量放疗提供可靠保障。

Description

一种组织补偿物的制备方法及系统
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种组织补偿物的制备方法及系统。
背景技术
放射治疗是重要的肿瘤治疗手段，临床上常用高能X(γ)线及电子线等进行治疗。高能X(γ)线及电子线均存在剂量建成效应，即从皮肤表面到最大剂量点深度存在一个剂量逐渐升高的区域，该区域称为剂量建成区，皮肤表面剂量低，然后逐渐升高并达到最大剂量后，射线能量才随着深度增加而逐渐降低。对浅表性病变，如皮肤癌、瘢痕等，将导致靶区剂量不足。
组织补偿物是临床上使用的电子密度接近于人体组织，放疗时放置在特定体表部位，用于提高皮肤表面剂量、补偿人体不规则的外轮廓的一类物质的总称。它能有效的提高皮肤表面射线剂量，例如，添加有效的组织补偿物可以将6MV-X射线皮肤剂量由10％～40％提高到接近100％。
目前临床最常用的放疗等效补偿物为市售的等效组织补偿膜。市售组织等效补偿膜的组织均匀性好，但是具有一定的厚度和硬度，仅适用于平面，当在曲面或不规则体表上使用时，组织等效补偿材料与曲面或不规则体表之间容易形成空气间隙，从而影响剂量分布。小米面袋、石蜡、湿纱布、凡士林(纱布)等不常用的组织补偿材料，由于可手工制作成合适形状，但工艺粗糙，组织均匀性差，与不规则体表之间同样容易存在空气间隙。这种空气间隙的存在可显著降低表面剂量，如图2所示，可见有效缩小空气间隙，可以改善靶区剂量均匀度，提高放疗精准度。进一步地，调强放疗技术是目前最先进的技术，但是目前临床广泛使用的各种调强放疗计划系统，其默认的虚拟组织等效补偿膜都是紧贴皮肤，与临床实际不符，因而其计算的剂量分布必然不准确，这种剂量计算的不准确性影响了调强放疗的精度，可能对患者造成不可接受的损伤。
进一步地，有些病变部位具有特殊性，例如呈不规则类球形头皮血管肉瘤，由于现有的各种组织补偿物均不能满足个体化要求，因此只能采取老式的电子线拼接野的放疗，将其分成不同的小块曲面，使用等效组织补偿膜提高其表面剂量，尽可能地减少空气间隙，剂量分布欠佳，剂量准确性差，难以实现高质量放疗。
放射治疗通常采用分次放疗，应保证组织补偿物在治疗时与定位时、治疗分次间、治疗分次中具有高度的重复性，以保证剂量的准确性。但是目前临床应用的所有组织补偿物由于其本身制作工艺的粗糙、与体表存在不稳定的空气间隙等原因，组织补偿物重复性差影响放疗效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组织补偿物的制备方法及系统，能更好地解决现有组织补偿物可靠性低的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种组织补偿物的制备方法，包括：
通过CT定位扫描，获取定位扫描图像；
对所获取的定位扫描图像进行图像处理，得到相应的皮肤区域图像；
利用所得到的皮肤区域图像，建立个体化3D打印组织补偿物的三维模型，并将所建立的三维模型进行逐层切片，得到所述三维模型的多个横截面信息；
根据所述三维模型的多个横截面信息，逐层打印，得到个体化3D打印组织补偿物。
优选地，所述对所获取的定位扫描图像进行图像处理，得到相应的皮肤区域图像的步骤包括：
按照临床治疗原则，对所述定位扫描图像进行特征勾画，确定浅表病变区域，
根据所确定的浅表病变区域，选定相应的皮肤区域图像；
其中，所述皮肤区域图像包括所述浅表病变区域及以所述浅表病变区域为中心并向外扩大预定范围的区域。
优选地，所述利用所得到的皮肤区域图像，建立个体化3D打印组织补偿物的三维模型的步骤包括：
利用所述皮肤区域图像，确定与所述皮肤区域能够紧密贴合的个体化的组织补偿物的形状；
按照临床治疗原则，确定所述组织补偿物的厚度和组织密度；
根据所述组织补偿物的形状、厚度、组织密度，建立三维模型。
优选地，所述根据三维模型的多个横截面信息，逐层打印，形成个体化3D打印组织补偿物的步骤包括：
3D打印机获取所述三维模型的多个横截面信息；
按照临床治疗原则，选取合适的材料；
利用所选取的材料，对所述多个横截面信息对应的截面进行逐层打印。
优选地，还包括：
对已打印的组织补偿物进行密度均匀性检测；
若检测到所述组织补偿物的密度不均匀，则通知3D打印机重新打印组织补偿物。
优选地，还包括：
若检测到所述组织补偿物的密度均匀，则检测所述组织补偿物与体表之间是否存在空气间隙；
若检测到所述组织补偿物与体表之间存在空气间隙，则确定所述空气间隙的位置及大小；
利用所确定的空气间隙的位置及大小，对所述个体化3D打印组织补偿物的三维模型进行补偿，得到补偿后的三维模型，以便根据所述补偿后的三维模型，重新打印组织补偿物。
根据本发明的另一方面，提供了一种组织补偿物的制备系统，包括：
CT机，用于通过CT定位扫描，获取定位扫描图像；
靶区勾画装置，用于对所获取的定位扫描图像进行图像处理，得到相应的皮肤区域图像；
图像处理装置，用于利用所得到的皮肤区域图像，建立个体化3D打印组织补偿物的三维模型，并将所建立的三维模型进行逐层切片，得到所述三维模型的多个横截面信息；
3D打印机，用于根据所述三维模型的多个横截面信息，逐层打印，得到个体化3D打印组织补偿物。
优选地，所述靶区勾画装置按照临床治疗原则，对所述定位扫描图像进行特征勾画，确定浅表病变区域，并根据所确定的浅表病变区域，选定相应的皮肤区域图像，其中，所述皮肤区域图像包括所述浅表病变区域及以所述浅表病变区域为中心并向外扩大预定范围的区域。
优选地，所述CT机还用于对已打印的组织补偿物进行密度均匀性检测，若监测到所述组织补偿物的密度不均匀，则通知3D打印机重新打印组织补偿物。
优选地，所述CT机还用于在检测到所述组织补偿物密度均匀时，检测所述组织补偿物与体表之间是否存在空气间隙，若检测到所述组织补偿物与体表之间存在空气间隙，则确定所述空气间隙的位置及大小，并由所述图像处理装置利用所确定的空气间隙的位置及大小，对所述个体化3D打印组织补偿物的三维模型进行补偿，得到补偿后的三维模型，以便后续根据所述补偿后的三维模型，重新打印组织补偿物。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
本发明能够针对浅表病变情况及浅表病变位置，制备个性化的密度均匀且与浅表病变皮肤表面紧密贴合的组织补偿物，从而为实现高质量放疗提供可靠保障。
附图说明
图1是现有技术提供的空气间隙与表面剂量之间的关系示意图；
图2是本发明实施例提供的组织补偿物的制备方法原理框图；
图3是本发明实施例提供的组织补偿物的制备装置框图；
图4是本发明实施例提供的组织补偿物密度均匀性检测流程图；
图5是本发明实施例提供的组织补偿物与体表贴合度检测流程图；
图6是本发明实施例提供的组织补偿物的制备流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图2是本发明实施例提供的组织补偿物的制备方法原理框图，如图2所示，步骤包括：
步骤S10：通过CT定位扫描，获取定位扫描图像。
按照临床规范，CT机对模体或假人的目标位置进行CT定位扫描，得到目标图像，即定位扫描图像，例如阴茎部位图像、头皮部位图像、耳廓图像等等，该定位扫描图像包括扫描位置表面的三维数据，还可以包括扫描位置内部的结构数据，并将患者定位扫描图像发送至靶区勾画装置。
步骤S20：对所获取的定位扫描图像进行图像处理，得到相应的皮肤区域图像。
靶区勾画装置从CT机获取定位扫描图像后，按照临床治疗原则，对所述定位扫描图像进行特征勾画，具体包括勾画肿瘤和体表轮廓，从而确定浅表病变区域。根据所确定的浅表病变区域，选定相应的皮肤区域图像，所选定的皮肤区域图像包括所述浅表病变区域及以所述浅表病变区域为中心并向外扩大预定范围的区域，一般向外扩大1cm至5cm，例如3cm。
靶区勾画装置将所得到的皮肤区域图像作为模版，发送至图像处理装置。
步骤S30：利用所得到的皮肤区域图像，建立个体化3D打印组织补偿物的三维模型，并将所建立的三维模型进行逐层切片，得到所述三维模型的多个横截面信息。
图像处理装置从靶区勾画装置获取皮肤区域图像后，利用所获取的皮肤区域图像，确定与所述皮肤区域能够紧密贴合的个体化的组织补偿物的形状。按照临床治疗原则，确定所述组织补偿物的厚度和组织密度，然后根据所述组织补偿物的形状、厚度、组织密度，建立三维模型。
作为替代的实施方式，还可以对模体或假人的目标位置进行二位图像拍摄，从而利用基于图像的建模和绘制技术，进行三维模型构建。
步骤S40：根据所述三维模型的多个横截面信息，逐层打印，得到个体化3D打印组织补偿物。
3D打印机从图像处理装置获取所述三维模型的多个横截面信息，并按照临床治疗原则，选取合适的材料，然后利用所选取的材料，将多个横截面信息对应的截面进行逐层打印，再通过粘结所打印的各层截面得到个体化3D打印组织补偿物。
本发明能够提高组织补偿物的性能，具有均匀性好、与体表间无空气间隙、个体化程度高、摆位重复性好的特点，为复杂病例提供放疗治疗可能，并可根据肿瘤变化情况随时调整组织补偿物，适用于先进的调强放疗。
图3是本发明实施例提供的组织补偿物的制备装置框图，如图3所示，包括：CT机10、靶区勾画装置20、图像处理装置30和3D打印机40。
CT机10用于通过CT定位扫描，获取定位扫描图像。具体地说，CT机10通过对模体或假人的目标位置进行CT定位扫描，得到定位扫描图像，并将患者定位扫描图像发送至靶区勾画装置20。其中，定位扫描图像中包括扫描位置表面的三维数据。
靶区勾画装置20用于对所获取的定位扫描图像进行图像处理，得到相应的皮肤区域图像。靶区勾画装置20接收CT机10传送的定位扫描图像，按照临床治疗原则，对该定位扫描图像进行特征勾画，具体包括勾画肿瘤和体表轮廓，从而确定浅表病变区域。根据所确定的浅表病变区域，选定相应的皮肤区域图像，所选定的皮肤区域图像包括所述浅表病变区域及以所述浅表病变区域为中心并向外扩大预定范围的区域，一般向外扩大1cm至5cm，例如3cm。也就是说，靶区勾画装置20实际上是根据定位扫描图像，勾画出虚拟靶区及其外轮廓。
图像处理装置30用于利用所得到的皮肤区域图像，建立个体化3D打印组织补偿物的三维模型，并将所建立的三维模型进行逐层切片，得到所述三维模型的多个横截面信息。图像处理装置30从靶区勾画装置20获取皮肤区域图像，利用所获取的皮肤区域图像，确定与所述皮肤区域能够紧密贴合的个体化的组织补偿物的形状，按照临床治疗原则，确定所述组织补偿物的厚度和组织密度，然后根据所述组织补偿物的形状、厚度、组织密度，建立三维模型。
3D打印机40用于根据所述三维模型的多个横截面信息，逐层打印，得到个体化3D打印组织补偿物。
本发明的个体化3D打印组织补偿物可以使浅表肿瘤获得更加精准的照射，提高疗效，具有很高的临床应用价值。
图4是本发明实施例提供的组织补偿物密度均匀性检测流程框图，如图4所示，步骤包括：
步骤S50：在图2所示步骤S40之后，还需要对已打印的组织补偿物进行密度均匀性检测。本实施例，通过CT扫描，确定已打印的组织补偿物的密度是否均匀。
步骤S60：若检测到所述组织补偿物的密度不均匀，则通知3D打印机重新打印组织补偿物。
需要说明的是，当3D打印机重新打印的组织补偿物仍存在密度不均匀的问题时，首先确定密度不均匀的区域及该区域组织补偿物的密度值，然后根据该区域组织补偿物的密度值及目标密度值，对所述个体化3D打印组织补偿物的三维模型进行补偿，得到补偿后的三维模型，后续对补偿后的三维模型进行切片，得到多个横截面信息，然后重复执行步骤S40、S50、S60，直至得到密度均匀的组织补偿物。
图5是本发明实施例提供的组织补偿物与体表贴合度检测流程图，如图5所示，步骤包括：
步骤S70：在得到密度均匀的组织补偿物之后，检测所述组织补偿物与体表之间的贴合情况，确定是否存在影响放疗效果的空气间隙。本实施例，通过CT扫描，检测所述组织补偿物与体表之间是否存在空气间隙。
由于组织补偿物具有一定的柔软度，因此可以通过手动调整，消除空气间隙，若手动调整无法消除空气间隙，则通过步骤S80和S90重新生成三维模型。
步骤S80：若检测到所述组织补偿物与体表之间存在空气间隙，则确定所述空气间隙的位置及大小。
步骤S90：图像处理装置利用所确定的空气间隙的位置及大小，对所述个体化3D打印组织补偿物的三维模型进行补偿，得到补偿后的三维模型，后续对补偿后的三维模型进行切片，得到多个横截面信息，以便根据所述横截面信息，重新打印组织补偿物。
需要说明的是，重新打印的组织补偿物需要再次进行密度均匀性检测，以得到符合性能要求的组织补偿物。
图6是本发明实施例提供的组织补偿物的制备流程图，如图6所示，步骤包括：
步骤S101：采用临床治疗时的CT定位扫描图像，得到目标位置的图像，并将该目标位置的图像发送至靶区勾画装置。
步骤S102：按临床治疗原则，靶区勾画装置勾画肿瘤和体表轮廓。
步骤S103：靶区勾画装置以浅表病变为中心、适度向外扩大1-5cm左右的区域作为皮肤区域图像，并将选定的皮肤区域图像作为制作个体化3D打印组织补偿物的图像模板传输至图像处理系统。
步骤S104：图像处理系统设计与选定的皮肤区域图像紧密贴合、能使体表变平滑、厚度适宜(0.5cm-1cm)的组织补偿物的形状、厚度、组织密度等重要参数，并根据组织补偿物的形状、厚度、组织密度等重要参数，建立三维模型，设计的三维模型由医生、物理师审核通过之后，图像处理系统对所建立的三维模型进行逐层切片，得到所述三维模型的多个横截面信息，并发送至3D打印机。
需要说明的是，对于病变体表比较复杂和/或肿瘤形状不规则的情况，主要使用将体表轮廓“修平”的技术，同时设定肿瘤隆起最高的表面最薄厚度为0.5cm。若使用高能X线放疗，组织补偿物将使体表曲面变平滑；若使用电子线放疗技术，则尽可能地使射线能够垂直入射，并使其射程可以包括全部肿瘤区域。
步骤S105：3D打印机从图像处理装置获取所述三维模型及多个横截面信息，并按照临床治疗原则，选取合适的材料，然后利用所选取的材料，将多个横截面信息对应的截面进行逐层打印，再通过粘结所打印的各层截面得到个体化3D打印组织补偿物成品。
步骤S106：判断所述个体化3D打印组织补偿物成品的密度是否均匀，若密度均匀，则执行步骤S107，否则执行步骤S105。
物理师通过CT扫描结果，确定个体化3D打印组织补偿物成品密度均匀。
步骤S107：个体化3D打印组织补偿物成品交由医生按初始设计位置，放置于患者肿瘤表面并固定，进行二次CT定位扫描，以评估该个体化3D打印组织补偿物成品与肿瘤表面间是否存在空气间隙，适当修整。若有空气间隙，则执行步骤S105，否则执行步骤S108。
步骤S108：判断是否符合临床放疗要求，若符合临床放疗要求，则执行步骤S109，否则执行步骤S101。
该个体化3D打印组织补偿物成品具有一定柔软度，放疗期间，若肿物大小发生变化不明显，则判断基本符合临床放疗要求，必要时可以适度调整；若肿物缩小明显，则判断不符合临床放疗要求，需要重新进行CT扫描和制作新的组织补偿物，同时使用新的组织补偿物的CT图像，重新进行治疗计划设计。
步骤S109：根据加用组织补偿物的CT图像进行治疗计划设计，开始放疗。
综上所述，本发明具有以下技术效果：
本发明可以为浅表肿瘤提供组织密度均匀、个体化程度高、重复性好的组织补偿物，使得浅表肿瘤获得更加精准的照射，提高疗效，具有很高的临床应用价值。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种组织补偿物的制备方法，其特征在于，包括：
通过对模体或假人的目标位置进行CT定位扫描，获取定位扫描图像；
对所获取的定位扫描图像进行图像处理，得到相应的皮肤区域图像，所述皮肤区域图像包括浅表病变区域及以所述浅表病变区域为中心并向外扩大预定范围的浅表病变区域的扩展区域；
利用所得到的包括浅表病变区域及其扩展区域的皮肤区域图像，建立个体化3D打印组织补偿物的三维模型，并将所建立的三维模型进行逐层切片，得到所述三维模型的多个横截面信息；
根据所述三维模型的多个横截面信息，逐层打印，得到个体化3D打印组织补偿物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所获取的定位扫描图像进行图像处理，得到相应的皮肤区域图像的步骤包括：
按照临床治疗原则，对所述定位扫描图像进行特征勾画，确定浅表病变区域，
根据所确定的浅表病变区域，选定相应的皮肤区域图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所得到的皮肤区域图像，建立个体化3D打印组织补偿物的三维模型的步骤包括：
利用所述皮肤区域图像，确定与所述皮肤区域能够紧密贴合的个体化的组织补偿物的形状；
按照临床治疗原则，确定所述组织补偿物的厚度和组织密度；
根据所述组织补偿物的形状、厚度、组织密度，建立三维模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据三维模型的多个横截面信息，逐层打印，形成个体化3D打印组织补偿物的步骤包括：
3D打印机获取所述三维模型的多个横截面信息；
按照临床治疗原则，选取合适的材料；
利用所选取的材料，对所述多个横截面信息对应的截面进行逐层打印。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：
对已打印的组织补偿物进行密度均匀性检测；
若检测到所述组织补偿物的密度不均匀，则通知3D打印机重新打印组织补偿物。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
若检测到所述组织补偿物的密度均匀，则检测所述组织补偿物与体表之间是否存在空气间隙；
若检测到所述组织补偿物与体表之间存在空气间隙，则确定所述空气间隙的位置及大小；
利用所确定的空气间隙的位置及大小，对所述个体化3D打印组织补偿物的三维模型进行补偿，得到补偿后的三维模型，以便根据所述补偿后的三维模型，重新打印组织补偿物。
7.一种组织补偿物的制备系统，其特征在于，包括：
CT机，用于通过对模体或假人的目标位置进行CT定位扫描，获取定位扫描图像；
靶区勾画装置，用于对所获取的定位扫描图像进行图像处理，得到相应的皮肤区域图像，所述皮肤区域图像包括浅表病变区域及以所述浅表病变区域为中心并向外扩大预定范围的浅表病变区域的扩展区域；
图像处理装置，用于利用所得到的包括浅表病变区域及其扩展区域的皮肤区域图像，建立个体化3D打印组织补偿物的三维模型，并将所建立的三维模型进行逐层切片，得到所述三维模型的多个横截面信息；
3D打印机，用于根据所述三维模型的多个横截面信息，逐层打印，得到个体化3D打印组织补偿物。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述靶区勾画装置按照临床治疗原则，对所述定位扫描图像进行特征勾画，确定浅表病变区域，并根据所确定的浅表病变区域，选定相应的皮肤区域图像。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述CT机还用于对已打印的组织补偿物进行密度均匀性检测，若监测到所述组织补偿物的密度不均匀，则通知3D打印机重新打印组织补偿物。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述CT机还用于在检测到所述组织补偿物密度均匀时，检测所述组织补偿物与体表之间是否存在空气间隙，若检测到所述组织补偿物与体表之间存在空气间隙，则确定所述空气间隙的位置及大小，并由所述图像处理装置利用所确定的空气间隙的位置及大小，对所述个体化3D打印组织补偿物的三维模型进行补偿，得到补偿后的三维模型，以便后续根据所述补偿后的三维模型，重新打印组织补偿物。
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