使用FFF 3D打印技术制作的聚乳酸塑料模型的缩放因子的实验测定在电子剂量学中的应用

《Radiation Physics and Chemistry》：Experimental determination of scaling factor for poly-lactic acid plastic phantom made using FFF 3D printing in electron dosimetry

　　

Yona Choi|Jungbae Bahng|Kyo-Tae Kim|Seung-Woo Park

韩国放射医学科学研究院放射科学与医学科学研究所，首尔，韩国

摘要

目的

本研究旨在探讨使用三维（3D）打印技术进行电子剂量测量的可行性。

方法

采用广泛使用的3D技术——熔融丝材制造（FFF）工艺，制作了一个聚乳酸（PLA）平板模体，其尺寸与商用SP34平板模体相同。对于电子束测量，选择了Advanced Markus腔作为场室，并设计了一个专用适配板以确保沿电子束中心轴的位置精度和重复性。根据国际协议建议，使用临床直线加速器（LINAC）评估了电子束能量为6、9、12、16和20 MeV时的深度缩放因子（c_pl）和注量缩放因子（h_pl）。在水和PLA平板模体中均测量了百分比深度电离曲线。

结果

使用PLA平板模体获得的剂量测量结果与商用SP34模体相当。通过缩放因子分析，确定在电子束能量对应于R₅₀ ≤ 4.0 g/cm²（即10 MeV）时，PLA平板模体的c_pl和h_pl分别为1.031和1.005。

结论

在本研究中，我们通过实验确定了使用FFF基3D打印技术制作的PLA平板模体的缩放因子，并通过将其PDD曲线与作为参考介质的水中的测量结果进行比较，验证了其在电子剂量测量中的可行性。这些结果有望为在放射治疗应用中使用FFF基3D打印制造的PLA塑料模体提供基础数据。

引言

外部束放射治疗中使用的临床束的标准剂量测量协议建议使用以水为参考介质的电离室来确定吸收剂量。[1]，[2] 然而，实际使用水模体进行常规质量保证（QA）测量耗时较长，并且难以确保电离室的位置重复性。因此，塑料模体在临床实践中被广泛使用。国际原子能机构（IAEA）建议，当塑料模体中的剂量计读数与参考介质中的读数之间的关系得到适当建立时，可以使用塑料模体进行常规QA测量。[3]

理想情况下，临床塑料模体应通过再现水的吸收和散射行为来表现出与水相当的属性。然而，塑料材料在物理密度（ρ）、有效原子序数（Z_eff）和电子密度（ρ(r)）等多个参数上通常与水有所不同。因此，医学物理界广泛研究了将塑料中测量的剂量信号转换为水等效剂量值的缩放因子。[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14] 基于这些研究，IAEA TRS-398协议引入了深度缩放因子（c_pl）和注量缩放因子（h_pl），这些因子基于密度厚度定义，用于将塑料模体中的测量值转换为水等效的剂量值。

最近，由于3D打印在数字设计灵活性、制造效率和降低开发成本方面的优势，其在放射肿瘤学中的应用迅速增加。[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20] 这些优势使得能够为各种放射治疗应用制造患者特定的设备和定制的模体结构。尽管对3D打印的兴趣日益增长，但针对临床应用的3D打印热塑性材料的系统缩放因子研究仍然有限。这个问题尤为重要，因为即使使用相同的材料，其放射学性质也可能因打印条件（如打印速度、喷嘴温度、构建板温度、层高、填充图案和填充密度）而有所不同。[21]，[22]，[23]，[24]，[25]

在热塑性材料中，聚乳酸（PLA）是由于其熔点低、机械强度好、热膨胀小和层间粘附力强而在熔融丝材制造（FFF）中应用最广泛的材料之一。在放射治疗中，PLA作为一种潜在的有用材料，受到了关注，可用于定制药丸、患者特定设备和模体的制造。然而，尽管许多先前的研究主要集中在3D打印材料的一般水等效性或其在相对剂量测量中的使用上，但关于在临床相关范围内的电子束能量下3D打印PLA模体的深度和注量缩放因子的全面实验数据仍然有限。

在这方面，本研究的独特之处在于在定义的打印条件下，实验确定了使用FFF制造的PLA平板模体的深度缩放因子和注量缩放因子，覆盖了6、9、12、16和20 MeV的电子束能量范围。此外，通过直接将制造的PLA模体的剂量测量性能与标准化的SP34平板模体的剂量测量性能进行比较，本研究提供了一个将FFF基3D打印技术与临床电子剂量测量协议联系起来的实际框架。为此，我们设计并制造了一个PLA模体，并使用临床直线加速器（Clinac iX，Varian Medical System Inc.，美国）通过离子计量剂量测量实验确定了其缩放因子。

章节摘录

PLA平板模体的制造

模体是使用市面上可购买的Ultrafuse PLA丝材（BASF 3D Printing Solutions B.V.，荷兰）制造的，选择这种丝材是为了减少FFF打印过程中的材料相关质量变化。根据制造商的技术文档，该丝材的平均直径公差为0.050毫米，并且其一致性和重复性在不同颜色和批次中都得到了保证。这些特性被认为有助于实现可重复性

密度分析和填充图案一致性

为了评估内部填充几何形状是否会影响PLA模体的放射学性质，即使是在标称的100%填充条件下，也制造了具有网格和矩形填充图案的样品，并将其与本研究中用作基线条件的线状填充图案进行了比较。所有样品都在相同的制造条件下打印，其放射学性质是通过基于CT的HU分析结合HU到电子密度的转换来评估的

结论

本研究证明了使用FFF制造的PLA平板模体进行临床电子剂量测量的可行性。基于CT的分析证实了出色的制造重复性，并支持使用0.973 g/cm³的有效物理密度对打印模体进行剂量表征。离子计量测量表明，仅通过密度-厚度校正后，PLA并不能完全等同于水，因此需要实验确定的缩放因子。

CRediT作者贡献声明

Kyo Tae Kim：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件、资源管理、概念构思。Jungbae Bahng：可视化、项目管理、调查、概念构思。Yona Choi：撰写 – 原始草稿、方法学、正式分析、数据管理、概念构思。Seungwoo Park：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金获取

利益冲突声明

作者没有需要披露的相关利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）（2023R1A2C2003756）的支持。