CN110509545A - 一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，包括装置设计、三维建模、模型确认、打印预处理、模型制作、打印后处理和装置验证，其中打印预处理包括位置调整、模型修正、支撑生成和模型切片；本发明基于3D打印技术现有应用，结合粒子治疗的特点，提出了一套可用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印解决方案，以满足粒子治疗中精准化、个性化的需求；本发明的辅助装置设计程序使用商用3D打印机和软件，其应用有助于降低生产成本，加快交付速度，提高精度而改进质量，扩大了3D打印应用范围，使放射治疗物理师能够快速开发和制作新的放射治疗辅助装置以治疗病患。

Description

一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法
技术领域
本发明涉及医疗领域，具体为一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法。
背景技术
随着粒子（质子、重离子）治疗精准化、病患个性化发展的需求，放射治疗物理师希望能在治疗过程中根据不同患者、不同靶区位置以及肿瘤变化的特点，及时定制一些高精度的辅助装置以调控粒子束照射的强度。这些辅助装置包括脊型滤波装置（ridgefilter）、纹波滤波装置（ripple filter）、组织补偿物（bolus）等。脊型滤波装置是一种由数个脊型物构成的射程调制器。这些脊型物在面对粒子束时具有不同的材料厚度，用以改变粒子束进入病人体内的穿透深度。纹波滤波装置是另一种射程调制器，可以对进入人体的轻离子能量做适当变化，使得当加速器能量级数目减少时，在深度剂量分布上能不产生纹波。组织补偿物一种放置于患者皮肤上，用以增加表面剂量或降低带电粒子束穿透深度的物体。为方便说明，在此我们将脊形滤波装置，纹波滤波装置及组织补偿物统称为过滤器。
本发明提出了一种用于粒子治疗辅助装置——过滤器设计制造的新方法。在设计过滤器时，考虑了粒子传输过程中过滤器本身的散射效应和粒子核之间相互作用。并且利用模拟程序预测过滤器与粒子系统结合后的三维剂量分布——展宽布拉格峰（spread outBragg peak，SOBP），从而获得物理剂量区域均匀的剂量分布。过滤器打印完成后，对构造的过滤器进行测量以验证物理剂量区域的均匀性，并将这些与模拟程序的预测进行比较，若验证通过则供临床使用；若不通过，则返回重新设计。在粒子束传输系统中，脊形滤波装置用作粒子穿透深度范围调制器；纹波滤波装置用作剂量均匀分布的调制器；组织补偿物用作调节病人肿瘤远端表面的粒子剂量。这三种过滤器可以根据治疗病人的需要，选择一到三种结合使用。
因其精度高、可定制、可重复加工的特点，近年来3D打印技术正逐步被用于各个领域。在医疗行业，三维（3D）打印技术主要用于制作一些患者特异性模型以辅助手术方案的制订，也有用于制作一些医疗器械的原型，待测试反馈后优化设计最终产品。
目前粒子治疗所需的辅助装置在制造过程中存在个性化和精准度不足的情况，不能很好地满足使用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，包括如下具体步骤：
S1：装置设计：由放疗物理师初步设计出辅助装置的形状和尺寸参数，再利用模拟软件预估该装置在实际使用时可能对治疗的影响，进行设计优化；
S2：三维建模：在放疗物理师的完成设计后，利用计算机辅助设计软件建模出该装置的三维模型；
S3：模型确认：三维建模后，经放疗物理师确认无误，以标准三角面片语言格式保存文件待用；
S4：打印预处理：在模型制作之前，还需对三维模型做下述预处理：
S41：位置调整：将建模得到的标准三角面片语言格式文件的三维模型导入打印预处理软件后，先将其平移至Z轴默认位置，再平移到工作平台的中心处；
S42：模型修正：对模型中存在的缝隙、孔洞、重叠、三角面片交叉、坏边等几何拓扑错误逐一进行自动检查，并利用打印预处理软件提供的修复工具对错误进行修复；
S43：支撑生成：为三维模型添加支撑结构，利用打印预处理软件提供自动生成相应支撑结构的工具，并根据需要做修改；
S44：模型切片：对三维模型及其对应的支撑结构进行切片，并将两者的切片数据分别以通用层接口CLI文件格式保存为*.cli和*_s.cli文件；
S5：模型制作：以光敏树脂材料为原料在3D打印机内完成模型的自动制作，具体为：开始时，工作平台处于树脂液面以下一个层厚高度，该层液态光敏树脂被激光束扫描而固化，并形成所需的第一层固态截面轮廓薄层，然后工作台下降一个分层厚度，树脂槽内的液态光敏树脂流入已固化的截面轮廓层，刮刀按照设定的分层厚度往复移动，刮去多余的液态树脂，再对新铺上的一层液态树脂进行激光束扫描固化，形成第二层所需的固态截面轮廓层，新固化的一层黏结在前一层上，如此反复，直至整个模型制作完成；
S6：打印后处理：完成模型制作后，用铲子将已成型的辅助装置从3D打印机的工作平台上取下，在95%浓度的乙醇溶液中清洗干净，同时移除其所携带的支撑结构并用砂纸打磨平整，将清洗过的辅助装置从乙醇溶液中取出，待晾干后放入紫外线固化箱中进一步固化成型，固化时间为10-20min即可。
作为本发明的一种优选方案，所述尺寸参数包括层数、层高、层宽等。
作为本发明的一种优选方案，所述计算机辅助设计软件为CAD。
作为本发明的一种优选方案，所述标准三角面片语言格式为STL格式。
作为本发明的一种优选方案，步骤S41中，在打印时间、支撑结构等因素的影响下，需对三维模型进行旋转。
作为本发明的一种优选方案，模型打印处理完成后，使用构造的过滤器进行测量以验证物理剂量区域的均匀性，并与设计程序的预测进行比较，若验证通过则投入使用，若不通过，则返回到步骤S1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于3D打印技术现有应用，结合粒子治疗的特点，提出了一套可用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印解决方案，以满足粒子治疗中精准化、个性化的需求。3D打印已经成为用于生产医疗装置的有效的方式。本发明的辅助装置的设计程序使用商用3D打印机和软件，其应用有助于降低生产成本，加快交付速度，提高精度而改进质量，扩大了3D打印应用范围，使放射治疗物理师能够快速开发和制作新的放的射治疗的辅助装置以治疗病患。
附图说明
图1为本发明的整体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，包括如下具体步骤：
S1：装置设计：由放疗物理师初步设计出辅助装置的形状和尺寸参数，再利用模拟软件预估该装置在实际使用时可能对治疗的影响，进行设计优化；（以脊型滤波装置为例，物理师先将单个脊型体设计成金字塔状，利用蒙特卡洛N粒子传输代码（Monte Carlo N-Particle Transport Code, NCNP）优化得到金字塔的层数、层高、层宽等尺寸参数。）
S2：三维建模：在放疗物理师的完成设计后，利用计算机辅助设计软件建模出该装置的三维模型；
S3：模型确认：三维建模后，经放疗物理师确认无误，以标准三角面片语言格式保存文件待用；
S4：打印预处理：在模型制作之前，还需对三维模型做下述预处理：
S41：位置调整：将建模得到的标准三角面片语言格式文件的三维模型导入打印预处理软件后，先将其平移至Z轴默认位置，再平移到工作平台的中心处（3D打印机工作台中心处精度相对较高）；
S42：模型修正：对模型中存在的缝隙、孔洞、重叠、三角面片交叉、坏边等几何拓扑错误逐一进行自动检查，并利用打印预处理软件提供的修复工具对错误进行修复；
S43：支撑生成：为三维模型添加支撑结构，利用打印预处理软件提供自动生成相应支撑结构的工具，并根据需要做修改；（本解决方案由于使用光固化成型（StereolithographyApparatus, SLA）3D打印机，故需要为三维模型添加支撑结构，支撑结构在工作平台于三维模型间建立一个缓冲，便于制作完成时从工作平台上取下；同时，支撑结构还能对悬空部分进行依托、对悬臂结构进行约束以防止变形、对模型进行加固以防止因重心而坍塌。）
S44：模型切片：对三维模型及其对应的支撑结构进行切片，并将两者的切片数据分别以通用层接口CLI文件格式保存为*.cli和*_s.cli文件；
S5：模型制作：以光敏树脂材料为原料在3D打印机内完成模型的自动制作，具体为：开始时，工作平台处于树脂液面以下一个层厚高度，该层液态光敏树脂被激光束扫描而固化，并形成所需的第一层固态截面轮廓薄层，然后工作台下降一个分层厚度，树脂槽内的液态光敏树脂流入已固化的截面轮廓层，刮刀按照设定的分层厚度往复移动，刮去多余的液态树脂，再对新铺上的一层液态树脂进行激光束扫描固化，形成第二层所需的固态截面轮廓层，新固化的一层黏结在前一层上，如此反复，直至整个模型制作完成；
S6：打印后处理：完成模型制作后，用铲子将已成型的辅助装置从3D打印机的工作平台上取下，在95%浓度的乙醇溶液中清洗干净，同时移除其所携带的支撑结构并用砂纸打磨平整，将清洗过的辅助装置从乙醇溶液中取出，待晾干后放入紫外线固化箱中进一步固化成型，固化时间为10-20min即可。
进一步的，所述尺寸参数包括层数、层高、层宽等。
进一步的，所述计算机辅助设计软件为CAD。
进一步的，所述标准三角面片语言格式为STL格式。
进一步的，步骤S41中，在打印时间、支撑结构等因素的影响下，需对三维模型进行旋转。
进一步的，模型打印处理完成后，使用构造的过滤器进行测量以验证物理剂量区域的均匀性，并与设计程序的预测进行比较，若验证通过则投入使用，若不通过，则返回到步骤S1。
本发明基于3D打印技术现有应用，结合粒子治疗的特点，提出了一套可用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印解决方案，以满足粒子治疗中精准化、个性化的需求。3D打印已经成为用于生产医疗装置的有效的方式。本发明的辅助装置的设计程序使用商用3D打印机和软件，其应用有助于降低生产成本，加快交付速度，提高精度而改进质量，扩大了3D打印应用范围，使放射治疗物理师能够快速开发和制作新的放的射治疗的辅助装置以治疗病患。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1：装置设计：由放疗物理师初步设计出辅助装置的形状和尺寸参数，再利用模拟软件预估该装置在实际使用时可能对治疗的影响，进行设计优化；
S2：三维建模：在放疗物理师的完成设计后，利用计算机辅助设计软件建模出该装置的三维模型；
S3：模型确认：三维建模后，经放疗物理师确认无误，以标准三角面片语言格式保存文件待用；
S4：打印预处理：在模型制作之前，还需对三维模型做下述预处理：
S41：位置调整：将建模得到的标准三角面片语言格式文件的三维模型导入打印预处理软件后，先将其平移至Z轴默认位置，再平移到工作平台的中心处；
S42：模型修正：对模型中存在的缝隙、孔洞、重叠、三角面片交叉、坏边等几何拓扑错误逐一进行自动检查，并利用打印预处理软件提供的修复工具对错误进行修复；
S43：支撑生成：为三维模型添加支撑结构，利用打印预处理软件提供自动生成相应支撑结构的工具，并根据需要做修改；
S44：模型切片：对三维模型及其对应的支撑结构进行切片，并将两者的切片数据分别以通用层接口CLI文件格式保存为*.cli和*_s.cli文件；
S5：模型制作：以光敏树脂材料为原料在3D打印机内完成模型的自动制作，具体为：开始时，工作平台处于树脂液面以下一个层厚高度，该层液态光敏树脂被激光束扫描而固化，并形成所需的第一层固态截面轮廓薄层，然后工作台下降一个分层厚度，树脂槽内的液态光敏树脂流入已固化的截面轮廓层，刮刀按照设定的分层厚度往复移动，刮去多余的液态树脂，再对新铺上的一层液态树脂进行激光束扫描固化，形成第二层所需的固态截面轮廓层，新固化的一层黏结在前一层上，如此反复，直至整个模型制作完成；
S6：打印后处理：完成模型制作后，用铲子将已成型的辅助装置从3D打印机的工作平台上取下，在95%浓度的乙醇溶液中清洗干净，同时移除其所携带的支撑结构并用砂纸打磨平整，将清洗过的辅助装置从乙醇溶液中取出，待晾干后放入紫外线固化箱中进一步固化成型，固化时间为10-20min即可。
2.根据权利要求1所述的一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，其特征在于：所述尺寸参数包括层数、层高、层宽等。
3.根据权利要求1所述的一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，其特征在于：所述计算机辅助设计软件为CAD。
4.根据权利要求1所述的一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，其特征在于：所述标准三角面片语言格式为STL格式。
5.根据权利要求1所述的一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，其特征在于：步骤S41中，在打印时间、支撑结构等因素的影响下，需对三维模型进行旋转。
6.根据权利要求1所述的一种应用于粒子治疗辅助装置制作的3D打印方法，其特征在于：模型打印处理完成后，使用构造的过滤器进行测量以验证物理剂量区域的均匀性，并与设计程序的预测进行比较，若验证通过则投入使用，若不通过，则返回到步骤S1。
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