谭林 徐博 叶荣 张薇莎 黄发生

放疗头枕作为放疗体位固定最常用也是最重要的工具之一，其对体位固定精度的重要性明显，对头颈部放疗的摆位精度影响最大。林承光等[1]通过对目前使用最多的标准化树脂头枕加热塑膜的固定方式研究发现，头颈部肿瘤放疗中颈部的摆位误差比头部的误差大[2]。对此情况也有采用发泡胶或真空垫联合热塑膜等方法进行改善[3-4]。近年来，3D打印补偿膜、口含器、面膜等一系列产品在放疗中的应用越来越广泛[5-7]，四川省人民医院利用3D打印技术为放疗患者个性化定制放疗头枕，拟通过对患者头颈部CT图像精准建模打印的3D头枕与患者体表精准贴合，可以更好地满足放疗精准摆位需求，同时能够提升患者的治疗舒适度。本研究利用3D打印技术为头部肿瘤放疗患者定制个体化精准放疗头枕，通过与常规放疗的标准化头枕进行比较，对其摆位精准度和重复性进行临床应用评估。

1 材料与方法

1.1 临床资料

随机选取2020年4月至2021年8月在四川省人民医院进行放疗的鼻咽癌患者（T2～4N1～3M0）40例，其中男性28例，女性12例，年龄26～79岁，平均年龄52（49.7±12.3）岁。分为3D打印头枕组20例，其中男性14例，女性6例；常规标准头枕组20例，其中男性14例，女性6例。两组患者在年龄、性别的差异无统计学意义（P＞0.05）。所有患者均采用调强放疗计划，每周5次治疗。

1.2 方法

1.2.1 头枕制作 放疗患者均采用仰卧位，双手置于体侧。常规标准放疗头枕组均采用常规放疗流程，常规标准化头枕结合热塑膜进行CT定位扫描。3D打印头枕组患者先于大孔径定位CT上采集头颈部CT数据（扫描层厚1 mm），重建完成后将数据用光盘刻录再至3D医学打印中心进行3D建模打印，头枕由3D打印机打印完成后，采用3D头枕结合热塑膜由大孔径定位CT进行定位扫描。3D打印个性化头枕实物和3D头枕结合热塑膜实物见图1。

1.2.2 头枕材料与射线透射率 所有3D打印头枕均采用5%聚乳酸（polylactic acid，PLA），头枕模型均为一次成型，经过实际测量，射线通过率＞97.62%，符合实际临床使用要求。

1.2.3 图像以及数据采集 运用直线加速器（美国瓦里安公司）自带的瓦里安23EX机载影像系统（on board imager system，OBI），每周进行1次锥形束CT（cone beam CT，CBCT）图像采集，并记录靶区区域的摆位误差。回顾性分析CBCT图像，在靶区区域摆位误差基础上，采用自动配准为主与手动微调为辅的方法，获得颈椎区域以及C1～C7各个椎体颈椎的摆位误差。靶区配准区域参考医科达中国图像引导放疗（image guided radiation therapy，IGRT）协作组标准：以下颌骨、鼻尖前面为前界，枕骨和棘突后缘为后界，上界至颅骨底和眉弓，下界至第四颈椎下缘，左右包含两侧耳背內缘。颈椎区域配准标准：前界至椎体前缘，后界至棘突后缘，上界至第二颈椎上缘，下界至第六颈椎下缘，左右包含两侧横突外缘。颈椎配准区域：C1～C7每个椎体的匹配区域上下界均为椎体上下缘，前后界均为椎体前缘和棘突后缘，左右以两侧颈部外缘相切为界。

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 靶区区域的摆位误差对比分析

3D打印头枕组扫描129次，标准化头枕组扫描120次。两组患者以靶区作为配准区域的摆位误差结果见表1。在升降、进出、左右方向上的摆位误差无显著性差异（P＞0.05），但有减小趋势，说明3D打印头枕的固定效果对比标准化头枕有一定的改善，使患者颈肩部曲面与头枕高度贴合无缝隙（图2）。

表1 40例鼻咽癌患者两种固定方式以靶区为配准区域的摆位误差对比 （±s，mm）

表1 40例鼻咽癌患者两种固定方式以靶区为配准区域的摆位误差对比 （±s，mm）

组别 CBCT（次）摆位误差升降 进出 左右3D打印头枕组 129 0.87±0.78 1.09±0.86 0.88±1.18标准化头枕组 120 1.01±0.83 1.27±0.92 1.08±0.89 P- 0.172 0.127 0.131 t- -1.371 -1.532 -1.514

2.2 以颈椎区域配准的摆位误差对比分析

相比于标准化头枕，3D打印头枕对于患者的头部、颈部以及整个肩部均有较好的包裹和支撑固定，以颈椎为配准区域的摆位误差结果对比可以明显观察到3D打印头枕在颈肩部的支撑包裹固定性的优势。表2提示，3D打印头枕相对标准化头枕在颈椎区域的摆位误差明显改善，并且在升降、进出、左右3个方向的摆位误差均有显著性差异（均P＜0.05）。

表2 40例鼻咽癌患者两种固定方式以颈椎为配准区域的摆位误差对比 （±s，mm）

表2 40例鼻咽癌患者两种固定方式以颈椎为配准区域的摆位误差对比 （±s，mm）

组别 CBCT（次）摆位误差升降 进出 左右3D打印头枕组 129 0.65±0.64 0.40±0.49 0.90±0.74标准化头枕组 120 1.08±0.96 0.80±0.80 1.62±1.51 P- ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 t- -4.175 -4.818 -4.861

为了更细致地研究3D打印头枕对颈肩部的摆位改善，本研究将每一个颈椎以及锁骨在升降、进出、左右3个方向的摆位误差均进行测量。表3～5的结果提示，从第一颈椎至整个颈肩部，3D打印头枕的摆位误差均明显小于标准化头枕，并且在升降、进出、左右3个方向的摆位误差的差异均具有统计学意义（均P＜0.05）。

表3 两组CBCT图像与CT图像在C1～C7升降方向的配准差值 （± s，mm）

表3 两组CBCT图像与CT图像在C1～C7升降方向的配准差值 （± s，mm）

项目 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 3D打印头枕组 0.26±0.46 0.38±0.59 0.55±0.74 0.73±0.79 0.99±1.00 1.22±1.06 1.28±1.01标准化头枕组 0.56±0.64 0.55±0.63 0.83±0.79 1.19±1.02 1.65±1.35 2.10±1.59 2.62±1.88 t-4.280 -2.183 -2.987 -3.996 -4.384 -5.174 -7.126 P＜0.001 0.030 0.003 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

表4 两组CBCT图像与CT图像在C1～C7进出方向的配准差值 （± s，mm）

表4 两组CBCT图像与CT图像在C1～C7进出方向的配准差值 （± s，mm）

项目 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 3D打印头枕组 0.11±0.36 0.58±0.67 0.42±0.54 0.45±0.54 0.46±0.53 0.48±0.55 0.47±0.53标准化头枕组 0.54±0.81 0.83±0.81 0.84±0.75 0.84±0.79 0.82±0.79 1.00±0.85 1.01±0.89 t-5.517 -2.644 -3.986 -4.735 -4.242 -5.771 -5.623 P＜0.001 0.009 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

表5 两组CBCT图像与CT图像在C1～C7左右方向的配准差值 （± s，mm）

项目 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 3D打印头枕组 0.38±0.56 0.69±0.62 0.81±0.73 0.86±0.79 1.01±0.82 1.14±0.99 1.32±1.14标准化头枕组 0.88±0.96 1.21±1.13 1.58±2.88 1.55±1.47 1.91±1.49 2.02±1.58 2.30±1.66 t-5.159 -4.503 -2.952 -4.696 -5.976 -5.318 -5.512 P＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

3 讨论

头颈部结构复杂，鼻咽癌靶区范围大且形状不规则，所以靶区经常毗邻重要危及器官。国际辐射单位与测量委员会（ICRU）24号报告明确提出，3%～5%的剂量变化就会影响局部控制率或者并发症增加[8]，因此为患者提供一个可靠的、重复性和舒适性好的固定方式尤为重要[9]。有研究表明，在目前的摆位固定技术下，鼻咽癌以靶区作为配准区域的摆位误差已经较小[10]，但是颈部的摆位误差仍较大[11]。鼻咽癌颈部淋巴结转移率极高，70%的患者在就诊时会出现颈部淋巴结转移[12]。所以医生在勾画CTV时不仅包括已有转移的颈部淋巴结，也会勾画相应的淋巴引流区，并且颈部的移动可能会影响脊髓和脑干的剂量，所以提高颈部的摆位精度有着极为重要的意义。颈部由于颈椎高度灵活性和颈肩部本身的弧形结构固定不佳，目前大部分单位采用的标准头枕结合头颈肩热塑膜的固定方式，由于使用的标准化头枕尺寸固定，患者颈肩部基本上均有一定位置的悬空，导致颈肩位置更加容易产生摆位误差。

针对鼻咽癌放疗时颈部固定不佳的问题，本研究采用3D打印头枕进行改进。3D打印头枕采用聚乳酸一体打印成型，具有射线穿透率高、后期处理无异味、表面光滑无毛刺且受压形变小等优点。3D打印个性化头枕通过患者CT图像进行精准的数字化建模，然后精准打印，可以使患者颈肩部曲面与头枕高度贴合无缝隙，并且可以按照患者的不同情况进行个性化定制，颈肩曲面的高度贴合可以有效减少旋转与偏移并且提升患者的治疗舒适度。3D打印不受患者体型的影响，且硬度较高，可以有效减小“点头”运动对颈肩部摆位的影响。本研究通过对两组患者摆位误差数据的对比，发现使用3D打印头枕的患者在整体颈椎的摆位误差改善非常明显。3D打印头枕符合现代精准放疗的摆位要求并且与传统放疗摆位衔接性较好，未对计划设计及加速器治疗增加进行额外的工作量。

3D打印技术在放疗领域已经应用十分广泛[13]，取得的效果较好，但是目前对于3D打印个性化头枕的相关报道较少。本研究提示3D打印头枕作为一项很有前景的研究方向，其高度适形，对摆位误差的改善，对于患者放疗舒适度的改善，非常符合现代精准放疗的发展方向。在使用过程中，本研究也存在一些不足：1）随着放疗疗程的进行，使用3D打印个性化头枕的患者后颈部的皮肤反应要比传统标准放疗头枕的患者重，应该是由于3D打印个性化头枕相比传统的标准化放疗头枕增加了对颈肩部位的包裹固定，后期本研究组考虑适当减少打印枕头下部的体积与对颈肩部的包裹高度，希望可以减轻皮肤反应；2）目前国内外有多项3D打印头模固定的研究，已有研究[14-15]取得了较好的效果，本研究组考虑后期将3D打印头枕与3D打印头模结合使用，希望对患者放疗有更好的帮助；3）由于3D打印头枕是个性化定制产品，相对传统标准放疗头枕而言，需要一些制作时间，目前约为4～6 h，一般情况下患者在第一次采集头颈部的CT数据后，需要等待头枕打印出来后再进行放疗定位，有可能需要多等待1天；4）虽然标准头枕仅有4个型号，很难完美贴附不同体型轮廓的患者，起不到很好地固定和辅助摆位作用，但目前头颈部放疗定位的头枕已经在临床应用十几年，也基本符合精准放疗的要求，关键点在于能够重复使用，不会给患者带来额外经济上的负担。而3D打印头枕虽然在颈椎位置具有明显优势，但在靶区整体的优势并不明显，且制作成本比较昂贵，愿意负担的患者为少数，导致现阶段无法大规模在临床开展应用。因此，现阶段仅能开展临床研究，影响了本研究的实用性。但是相信随着3D打印技术的发展和普及，打印时间及打印成本会进一步降低。另外，若将3D打印用品纳入医院采购，后期商业保险可以报销，这样相信会有更多的患者可以享受到此项技术带来的益处。

综上所述，3D打印个性化放疗头枕提高了鼻咽癌放疗的摆位精度，提升了患者的放疗舒适度，符合精准放疗的临床要求，可用于进一步的临床研究。