放射肿瘤学中的3D打印:我们现在在哪里?

由James Robar撰写

在此次采访中,James Robar(加拿大达尔豪斯大学,加拿大NS)讨论了3D打印在放射肿瘤学领域的现状,并解释了该领域的合作如何推动创新。

詹姆斯·罗巴尔詹姆斯·罗巴尔博士,FCCPM

新斯科舍省卫生局医学物理主任;达尔豪斯大学放射肿瘤学教授(均位于加拿大北卡罗来纳州)

FCCPM的James Robar博士是新斯科舍省卫生局医学物理学负责人,同时也是加拿大新罕布什尔州哈利法克斯的达尔豪西大学放射肿瘤学教授。 Robar博士将他的时间分配到临床实践和研究之间,他对放射肿瘤学中的图像指导技术,使用金纳米颗粒进行剂量增强以及3D打印技术的新颖应用感兴趣。 Robar博士是30多篇科学文章的作者,拥有与先进放射治疗技术有关的多项许可专利。他是Adaptiiv Medical Technologies Inc.(Adaptiiv;加拿大,加拿大)的联合创始人兼董事会成员,该公司生产了世界上第一个通过FDA批准的,用于放射肿瘤学领域的采用3D打印的软件解决方案。 Robar博士在不列颠哥伦比亚大学(温哥华;加拿大不列颠哥伦比亚省)完成了医学物理学博士学位,并在加拿大不列颠哥伦比亚省癌症局(加拿大不列颠哥伦比亚省)的肿瘤物理学领域担任临床医师。他是加拿大内科医学院的院士,自2003年以来一直在新斯科舍省执业。


您能否简要描述您的角色以及您的工作如何涉及医疗领域的3D打印?

我是专门从事放射治疗(RT)领域的医学物理学家,这是一种非侵入性治疗方法,用于治疗所有癌症患者的50%以上。各种RT技术要求生成特定于患者的物理附件,必须将其制造为与患者的特定解剖结构相匹配。例如,一个 在治疗浅表肿瘤时,它是适合于患者皮肤表面的大约等同于组织的材料层。推注的目的是使放射线剂量在肿瘤的位置累积到足够的水平。制造该配件的准确性是关键,因为疏忽的气隙会导致辐射剂量输送中的错误。在开发3D打印临床解决方案之前,这些配件要么是通用配件,要么经常不合时宜–或通过艰苦的手工方法(例如,蜡或模制热塑性塑料的手工制造)生产,这些工艺在准确性,易出错性方面受到限制,资源密集且昂贵。在过去的三年中,我们达尔豪西大学的团队已将适用的IP许可给了Adaptiiv,并与他们的团队紧密合作,以更加准确,通用和高效的3D打印解决方案取代了人工方法。

Airwolf 3D Axiom 20 M打印机
上图是Airwolf 3D Axiom 20 M打印机,该打印机已通过Adaptiiv的全面验证,可与其3D打印软件解决方案一起使用。

是什么首先吸引您采用3D打印技术的想法? 3D打印已帮助您克服哪些主要挑战?

放射肿瘤学是一个动态的行业,在医学中使用最复杂的治疗提供技术。例如,使用 临床直线加速器 (linac),这是一台价值约250万美元的机器,可以使电子加速以接近光速的速度,然后产生定型的高能X射线束,以毫米级的精度杀死癌细胞。另一种方法是高剂量率(HDR)表面近距离放射疗法,这是一种称为 后装箱 精确地将放射源插入患者肿瘤内的预定位置和持续时间,以从内向外形成放射剂量分布。两种技术均由复杂的治疗计划软件(TPS)应用程序提供支持,可基于单个患者的3D CT和MRI成像,在三个维度上准确预测辐射剂量分布。

直到几年前,这些令人印象深刻的技术通常都与明显低技术的手动患者设置和附件应用方法相结合。这不仅与其余技术套件不符,而且可能使患者感到不安。

当3D打印在2012年左右开始广泛使用时,我的研究团队着手制作手工制作的配件,例如推注器和通用的近距离放射治疗涂药器。

在这种情况下,3D打印的魅力是三方面的:提高准确性,提高效率以及为患者提供更舒适和令人放心的体验。

临床直线加速器
上图是用于外部束放射治疗的临床线性加速器。
3D打印的HDR表面近距离放射治疗器
上图是在Adaptiiv软件中创建的3D打印HDR表面近距离放射治疗器,并在结构中直接印制了定制的导管。

在放射肿瘤学领域调节3D打印解决方案当前面临哪些挑战,您对克服这些挑战有何建议?

有充分的理由,我们在RT中用于计划和交付的软件解决方案需要获得监管机构的许可,并且在RT中用于设计和生产3D患者附件的软件也不例外。例如,这包括欧洲的CE标志许可和美国的FDA 510(k)许可。尽管对于渴望创新的小公司而言,监管过程可能会浪费时间和资源,但在我们的领域中,监管步骤既是强制性的,也是有价值的。例如,使用非医疗,通用CAD或网格处理软件来设计患者设备的医学物理学家的替代方案涉及许多不相关的变量,需要从业人员通常不具备的技能和培训,并且未经过严格的评估。 RT应用程序的上下文。

在开发首批产品时,Adaptiiv所采用的方法是实用的:从材料的角度来看,对仅放置在皮肤上的3D打印设备的法规要求要比例如放置在体内腔中的设备要求低。因此,不仅需要光子和调制电子团解决方案,而且自然是首选。即便如此,法规要求仍需要全面的质量管理计划和数千个人工时才能识别和测试满足RT诊所安全性和可靠性要求的软件和打印解决方案。现在已经发布了光子推注器,电子推注器和表面近距离放射治疗器的许可,Adaptiiv正在此经验和产品组合的基础上,与腔内近距离放射治疗器和RT领域的其他设备进行许可,并与该领域的国际思想领袖合作。

3D打印仍然存在哪些局限性,您希望看到哪些解决方案来克服这些局限性?

FDM和SLA 3D打印的速度仍然受到限制,尽管在大多数情况下3D打印仍然比手动制造复杂设备要有效得多。可能需要花费1到12个小时来打印典型的RT设备,具体取决于容量。幸运的是,这个时间被以下事实抵消了:如果需要,可以在一个批次中打印多个设备,并且打印过程不需要用户交互,因此运营成本保持最小。此外,对于我们的大多数应用程序而言,与许多其他3D打印任务相比,打印的空间分辨率并不是严格的要求,因此通常首选大直径FDM挤出机和较大的层高。这具有效率优势:例如,使用1.2毫米直径的喷嘴代替0.5毫米直径的喷嘴可以将打印时间减少三倍。

高效的3D打印对于生产“自适应”患者配件尤其重要。众所周知,由于体重减轻,肿瘤消退或水肿,患者解剖结构可能会在多天的分次治疗方案中发生变化。幸运的是,我们的直线加速器平台可以获取患者的每日3D锥形束CT图像,这些图像数据可用于生产与动态解剖结构保持同步的3D打印设备。对于此应用程序,3D打印方法必须能够快速生产新设备,例如,数小时之内。术中放射治疗中的用例将更加苛刻,其中3D打印的导向器或垫片可能是无价的。这将需要在几分钟内生产出准确的设备。

最后,对于大量的RT应用,提供包含高密度金属的打印设备选项是很有用的,例如,以便在与组织等效的患者设备附近安装辐射屏蔽。尽管存在注入金属的FDM灯丝,但这些灯丝无法提供足够的密度来屏蔽兆伏光子或电子。虽然可以进行真正的金属印刷,但对于普通诊所而言,当前的技术需要变得更加简单和更具成本效益。 Adaptiiv正在朝这个方向进行创新,未来的解决方案将陆续问世。

您会说什么推动了3D打印技术在医疗领域的普及?您如何说合作正在推动创新?

根据我们的经验,增材制造是两种情况下的首选技术:

  • 需要定制制造的地方,通常是一次性装置或
  •  其他制造技术根本无能为力,劳动密集型或禁止成本的地方。

在医学上的应用范围很广,通常会同时出现两种情况。 3D打印的近距离放射治疗涂药器是我们的专业中同时适用两个标准的一个示例:该设备完全针对患者,并且必须在设备体积内包含复杂的通道。当然,用其他方法,尤其是作为从业者手中的内部工具,将无法实现该装置的生产。

Adaptiiv与全球领先的研究机构合作,以改善我们现有的产品并开发放射治疗方面的创新方法。我们的这些合作伙伴直接参与了新产品和功能的开发,设计和测试。与我们的合作伙伴一起,我们目前在我们的产品线中正在开发多达五个新模块。

Adaptiiv的HDR表面近距离放射治疗模块
Adaptiiv的HDR表面近距离放射治疗模块使用户能够快速而自信地创建针对患者的涂药器,与其他现有方法相比,该涂药器可提供更好的剂量分布。

如果3D打印技术继续受益于采用不同放射疗法策略的方法,那么未来的癌症疗法将是什么样?

现在是未来,3D打印软件/硬件解决方案与向医学个性化患者护理的广泛过渡完全契合。几年前,RT中有关3D打印应用程序的出版物主要关注基本问题,例如材料的放射线特性和可达到的打印方法准确性。现在有大量新兴文献显示对皮肤癌,乳腺癌以及腔内和间质近距离放射治疗适应症的治疗具有积极的临床效果。许多报告表明准确性,效率均得到提高,并且多项研究表明,医疗保健系统的成本和负担得以减少。

激动人心的发展即将到来,例如3D打印在近距离放射治疗中的作用得到扩展。这将包括符合患者情况的组织间标器,这些器可根据预定的治疗计划精确地引导针头。特定于治疗计划的3D打印模板也可以用于放置针头或涂药器。这些解决方案将需要额外的R&然而,D将需要具有适当的生物相容性特征以及在日常处理部分之间进行高温蒸汽灭菌的能力的专用材料。候选媒体已经存在,因此,我预计该技术的有效临床采用将在很大程度上取决于有效地与治疗计划集成的软件解决方案。

最后,我认为我们将看到围绕3D打印的有趣发展 体内 剂量测定法,是在治疗过程中或治疗后立即测量输送给患者的辐射剂量的方法。例如,Adaptiiv已开发出了聪明的软件工具,用于容纳小剂量计(例如光激发发光剂量计(OSLD))的印刷口袋。但是,未来的创新可能涉及辐射敏感材料的3D打印,从而使患者设备成为 体内 测量工具。对于将来的科技医学文章(敬请期待!),这可能是一个有趣的主题。

 丸
使用Adaptiiv的3D打印软件解决方案,用户可以直接在大剂量内自动创建和打印剂量计袋,以进行实时剂量测量。

自从你 以前的科技医学编辑 (2016年6月发布),作为放射治疗技术的3D打印取得了怎样的进展?我们现在在哪?

在我们领域的过去三年中,使用专用软件工具,3D打印已经从RT的探索性工作转变为临床工作流程的核心。尽管早期的工作使用通用CAD,网格处理或切片器软件应用程序进行对象设计,但这些工具并未提供简化的过程。现在,许多诊所都在利用RT专用软件应用程序,这些应用程序将设计步骤所需的时间从数小时减少到了几分钟。除了使过程高效之外,还可能需要部署专用软件应用程序,因为除非在研究协议中另行批准,否则必须使用经过监管部门批准的软件。

3D打印取代了长期使用的手动方法,这种转换可能需要一些时间。但是,已经有许多诊所关闭了他们的“模具室”,这是有价值的房地产,过去曾盛放巴黎的石膏,蜡和可塑的热塑性塑料;这些资源被智能软件解决方案驱动的一两台紧凑型3D打印机所取代。模具室放射治疗师过去常常在蜡中雕刻,而现在他们负责3D打印技术,并且位置优越,可以促进这种过渡。以前的试验和错误过程已经变得系统化,由软件驱动,因此可以为患者提供更统一的结果。 3D打印机本身已经变得更加可靠,并且至少对于我们的应用而言,近年来变得越来越快。

最后,我认为我们将看到3D打印介质的发展,这些介质的设计经过相应设计,可以满足RT领域的特定需求。例如,在许多外部束RT治疗中不幸但必要的步骤是使用刚性面罩固定患者。现状的工作流程包括在热水浴中加热热塑性筛网直至其变软,然后在例如患者的头部和颈部周围形成热湿筛网。从业者知道,尽管患者可以忍受这一过程,但它可能是极其令人不愉快的并导致幽闭恐惧症。 Adaptiiv正在与固定系统制造商合作,以自动打印过程代替该过程,即使患者不在场也可以自动完成。此外,Adaptiiv正在忙于设计特定的低密度但刚性介质,该介质应用于最大程度地减少由标准面罩材料无意堆积引起的毒性。因此,该过程变得更有效,对患者更友好,并且可以帮助减轻治疗的急性毒性。

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