CN108888876B - 基于3d打印的放疗射野外杂散辐射防护装置及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置及制作方法，用于医疗辐射防护领域，包括防护结构，防护结构基于人全部或部分体表轮廓的三维形态采用非金属材料利用3D打印技术成型，防护结构具有与人体表轮廓匹配的内表面。制作步骤：进行全身CT扫描或局部CT扫描；利用工具软件，基于患者CT图像，生成患者体表轮廓；依据患者体表轮廓，生成防护结构的内轮廓；在内轮廓基础上，生成防护结构外轮廓；防护结构图纸设计完成后，利用工具软件生成3D打印文件，通过3D打印机，打印出防护结构，对打印好的防护结构的边角位置均进行圆角过渡处理。本发明可以减少放疗过程中对人体非受检、非治疗部位重要敏感器官的辐射剂量。

Description

基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置及制作方法

技术领域

本发明用于医疗辐射防护领域，特别是涉及一种基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置及制作方法。

背景技术

近年来，随着医用加速器高能X射线放疗技术的进步，肿瘤患者的生存率得到了大幅提升，患者治疗后的生存质量也随之改善。例如，早期鼻咽癌放疗后5年生存率可达80-90％，中晚期鼻咽癌的5年生存率也能达到70-80％，而放疗的后遗症，如口干、张口困难等都得到了有效的控制。

在利用射线治疗癌症的同时，也伴随着辐射致癌的忧虑，特别是儿童、年轻患者，或者放疗后能长期生存的患者，放射照射部位之外(即射野外)低剂量杂散辐射的二次致癌问题，受到越来越多的放疗专家的关注。因为，根据国内外大量研究表明，这种射野外辐射剂量少则10mSv左右,多则可达2000-3000mSv，远高于国家对公众设定的辐射防护限制剂量标准(5年平均有效剂量不超过1mSv/年)，对一些敏感器官，如甲状腺、乳腺、晶体、性腺等，具有潜在诱发恶性肿瘤的可能。因此，如何减少放疗射野外的辐射剂量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置及制作方法，以减少放疗过程中对人体非受检、非治疗部位重要敏感器官的辐射剂量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置，包括防护结构，所述防护结构基于人全部或部分体表轮廓的三维形态采用非金属材料利用3D打印技术成型，防护结构具有与所述人体表轮廓匹配的内表面。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述防护结构的厚度为5mm-15mm，所述防护结构的边角位置均采用圆角过渡。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述防护结构上设有能够安放剂量测试元件的安装位。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述安装位在防护结构成型时预制而成。

进一步作为本发明技术方案的改进，剂量测试元件包括热释光剂量计、半导体实时多道剂量探测器、电离室、剂量胶片中的一种或多种。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述安装位包括孔或槽，防护结构在安装位所在部位设置等厚补偿材料。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述防护结构具有敞口的半封闭内腔，所述防护结构能与治疗床或防护底板配合封闭敞口从而形成封闭的防护空间。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述防护结构与治疗床或防护底板之间设有能够调节防护结构与体表间隙的高度调节装置，所述防护结构内表面上设有软质衬层。

基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置制作方法，包括以下步骤：

S10.对患者进行体位固定后，进行全身CT扫描或局部CT扫描，若进行局部扫描时，扫描范围必须包括照射部位及需要防护的部位边沿外至少5cm；

S20.利用工具软件，基于患者CT图像，生成患者体表轮廓；S30.利用工具软件，依据患者体表轮廓，外扩0.5-2.0mm，生成防护结构的内轮廓；在内轮廓基础上，外扩5-15mm，生成防护结构外轮廓；

S40.对防护结构轮廓进行修剪，防护结构的边沿至少超过被防护的器官、组织的外沿5cm；

S50.防护结构图纸设计完成后，利用工具软件生成3D打印文件，通过3D打印机，打印出防护结构，对打印好的防护结构的边角位置均进行圆角过渡处理。

进一步作为本发明技术方案的改进，步骤S10中对患者进行体位固定后，在需要监测的器官、组织表面的适当位置，放置剂量测试元件；然后进行全身CT扫描或局部CT扫描；步骤S30中同时生成安放剂量测试元件的安装位；步骤S50中在防护结构内表面上设有软质衬层，同时加装高度调节装置、防护底板。

本发明的有益效果：防护装置的主体结构采用非金属材料，利用3D打印技术制作而成。该防护装置可以只对照射野外局部的重要的器官组织进行防护，也可以对放疗照射范围之外的所有器官、组织进行防护。因医用加速器产生的高能射线进行放疗时，照射野外的杂散射线的能谱中，低于500kV的射线和热中子占的份额最大，根据射线与物质的相互作用原理，采用一定厚度的类似组织的非金属材料，不但可吸收大部分射野外低能辐射，同时，还能避免野外的高能射线(如10MV及以上的X射线)与金属(如铅)通过光核反应，产生危害更大的中子的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例颈部(甲状腺、腮腺)防护装置侧面示意图；

图2是本发明实施例颈部(甲状腺、腮腺)防护装置背面示意图；

图3是本发明实施例防护装置乳腺部位横断面轮廓示意图。

具体实施方式

参照图1至图3，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各部件的结构特点。

研究表明，采用医用加速器产生的高能射线进行放疗时，照射野外杂散射线的能谱虽然是连续谱，但低于500kV的射线和热中子占的份额最大，根据低能射线与物质的相互作用原理及实验研究结果，采用一定厚度的类似软组织的材料(下称组织等效材料)，即可吸收大部分射野外低能辐射，同时，还可避免野外的高能射线(如10MV及以上的X射线)与金属元素(如铅等)通过光核反应产生危害更大的中子的问题。

由于不同的放疗技术和不同的放疗部位，野外辐射对正常组织、器官的影响不同，防护重点也就不一样，因此，防护装置要进行个体化设计和使用，包括：因人而异、因部位而异、因技术而异、因射线能量和种类等而异。比如，头、颈部放疗时，重点防护对象是乳腺；乳腺癌放疗时，重点防护对象是对侧乳腺、甲状腺、腮腺、晶体等；肺癌、食道癌、纵膈肿瘤放疗时，重点防护对象是甲状腺、腮腺、晶体等。腹部、盆腔放疗时，重点防护性腺、乳腺、甲状腺等。

参见图1、图2，本发明提供了一种基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置，包括防护结构，所述防护结构基于人全部或部分体表轮廓的三维形态采用非金属材料利用3D打印技术成型，非金属材料优选为组织等效材料，目的是减少金属元属(如铅)等与野外辐射的散射作用，并避免高能射线与重金素元素发生光核反应，产生危害更大的中子。防护结构具有与所述人体表轮廓匹配的内表面。防护结构内表面与患者体表形态一致，避免了非体化设计时防护装置与患者体表不匹配，消除了防护装置与体表间的过大间隙对防护效果的不利影响。

所述防护装置可根据不同患者、不同照射部位的需要制成不同大小、厚度、形态，以满足患者个体化的需求。作为优选，所述防护结构的厚度为5mm-15mm，也可根据所用材质、防护部位、防护射线的能量等改变厚度。所述防护结构的边角位置均采用圆角过渡，以避免锐利的边角损伤患者、操作者或其它器物。

所述防护结构上设有能够安放剂量测试元件的安装位。所述安装位在防护结构成型时预制而成。剂量测试元件包括热释光剂量计、半导体实时多道剂量探测器、电离室、剂量胶片中的一种或多种。所述安装位包括孔或槽等，防护结构在安装位所在部位设置等厚补偿材料，使这些部位的防护效果不因安放剂量测试元件而减弱。

所述防护结构具有敞口的半封闭内腔，所述防护结构能与治疗床或防护底板配合封闭敞口从而形成封闭的防护空间。即所述防护结构的截面呈向防护空间外侧隆起的弧形，所述防护结构可直接放于平板治疗床上，与治疗床一构成半封闭空间(治疗床可屏蔽部分野外辐射)；也可根据治疗床的材质和防护需求，在治疗床上附加一块防护底板，与防护装置一起，构成有效的防护空间。

所述防护装置内表面与患者体表之间，通常预留一定间隙(比如0.5mm-2mm)，同时，当装置较大、较重时，在防护装置与底板(或治疗床)之间设有高度调节装置，可微调防护装置与体表的间隙，并在防护装置与人体的接触面上内衬一层软质衬层，软质衬层优选为软质衬布，以便吸收体液，这样既确保防护效果，又不直接挤压患者，以增加患者的舒适感。

本发明还提供了一种基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置制作方法，包括以下步骤：

S10.按照放疗要求，对患者进行体位固定后，并在需要监测的器官、组织表面的适当位置，放置测量元件；然后，进行全身CT扫描或局部CT扫描，若进行局部扫描时，扫描范围必须包括照射部位及需要防护的部位边沿外至少5cm；

S11.患者CT扫描后，利用放疗计划系统，进行放疗照射方案设计，以明确照射野的方向、路径及范围等；

S20.放疗照射方案设计完成后，利用工具软件，基于患者CT图像，生成患者体表轮廓(也可通过其它方式，获取患者体表三维轮廓)；S30.利用工具软件，依据患者体表轮廓，外扩0.5-2.0mm，生成防护结构1的内轮廓；在内轮廓基础上，外扩5-15mm，生成防护结构1外轮廓，对防护装置内的测试元件轮廓进行修整，使测试孔、槽、浅坑等与元件规格一致，确保测试元件与孔、槽、浅坑等密切结合，便于精确测量和定位；

S40.对防护结构1轮廓进行修剪，根据需要防护的重要组织器官的范围，剪除多余的部分，只留下足够的防护区域；一般情况下，防护结构1的边沿至少超过被防护的器官、组织的外沿5cm；

S41.利用工具软件系统，对患者体表附加防护材料后的射野通路进行模拟分析，若射野会照射到防护装置上，则对防护装置相应边沿进行适当修剪，使射野不直接接触防护装置的任何部分，以免模体散射，减弱防护效果。比如，参见图3，防护结构1罩在胸部体表轮廓2外侧，对一侧乳腺进行切线照射时，特别将防护装置在内乳区域(两乳之间)的边沿设计为梯形(斜面与射野边沿尽量平行)，使防护装置尽可能多覆盖体表，同时又不会进入射线野内。同时，在乳腺放疗前的体位固定过程中，还可通过特定装置，轻轻牵拉、下压对侧乳腺，使对侧乳腺尽量远离射野，从而减少防护装置进入射线区内的可能，增加防护效果；

S50.防护结构1图纸设计完成后，利用工具软件生成3D打印文件，通过3D打印机，打印出防护结构1，并在防护装置与人体的接触面上内衬一层软质衬布，以便吸收体液，同时，按需要加装高度调节装置、防护底板，对打印好的防护结构1的边角位置均进行圆角过渡处理，再用放疗模拟装置，进行应用前的模拟验证、测试，经验证无误后方可投入使用。

为了折衷防护材料重量与防护效果的问题，对于目前常用高能X射线，如能量为6MV、8MV、10MV、15MV高能X射线，本发明防护装置厚度以10-15mm为宜，当然，也可随照射能量和患者要求，适当变更厚度，以达到最理想的防护效果。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置，其特征在于：包括防护结构，所述防护结构基于人全部或部分体表轮廓的三维形态采用非金属材料利用3D打印技术成型，防护结构具有与所述人全部或部分体表轮廓匹配的内表面，所述防护结构上设有能够安放剂量测试元件的安装位，所述安装位在防护结构成型时预制而成，所述安装位包括孔或槽，防护结构在安装位所在部位设置等厚补偿材料。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置，其特征在于：所述防护结构的厚度为5mm-15mm，所述防护结构的边角位置均采用圆角过渡。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置，其特征在于：剂量测试元件包括热释光剂量计、半导体实时多道剂量探测器、电离室、剂量胶片中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置，其特征在于：所述防护结构具有敞口的半封闭内腔，所述防护结构能与治疗床或防护底板配合封闭敞口从而形成封闭的防护空间。

5.根据权利要求4所述的基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置，其特征在于：所述防护结构与治疗床或防护底板之间设有能够调节防护结构与体表间隙的高度调节装置，所述防护结构内表面上设有软质衬层。

6.基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10.对患者进行体位固定后，在需要监测的器官、组织表面的适当位置，放置剂量测试元件，然后进行全身CT扫描或局部CT扫描，若进行局部扫描时，扫描范围必须包括照射部位及需要防护的部位边沿外至少5cm；

S20.利用工具软件，基于患者CT图像，生成患者体表轮廓；

S30.利用工具软件，依据患者体表轮廓，外扩0.5-2.0mm，生成防护结构的内轮廓；在内轮廓基础上，外扩5-15mm，生成防护结构外轮廓，同时生成安放剂量测试元件的安装位；

S40.对防护结构轮廓进行修剪，防护结构的边沿至少超过被防护的器官、组织的外沿5cm；

S50.防护结构图纸设计完成后，利用工具软件生成3D打印文件，通过3D打印机，打印出防护结构，对打印好的防护结构的边角位置均进行圆角过渡处理。

7.根据权利要求6所述的基于3D打印的放疗射野外杂散辐射防护装置制作方法，其特征在于：步骤S50中在防护结构内表面上设有软质衬层，同时加装高度调节装置、防护底板。

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