一种用于3D打印制备放射模体的混合材料的配比选择方法技术

本发明专利技术公开了一种用于3D打印制备放射模体的混合材料的配比选择方法，首先按照加工工艺，将3D打印材料进行分类；然后根据人体组织成份数据，计算待模拟人体组织的频谱加权衰减系数、频谱加权能量吸收系数以及组织密度；之后对每种3D打印材料进行理化性质测定，得到元素组成、每种元素质量份数和材料密度；根据加工工艺选取一组3D打印材料作为混合材料进行配比设计，将混合材料与人体组织的频谱加权衰减系数、频谱加权能量吸收系数以及密度进行匹配，进行多元公式求解，得到每种3D打印材料的配比含量，完成混合材料的配比设计。本发明专利技术构思简单，实用性强，能最大程度得到与人体组织剂量学相似的3D打印材料。剂量学相似的3D打印材料。剂量学相似的3D打印材料。

【技术实现步骤摘要】
一种用于3D打印制备放射模体的混合材料的配比选择方法


[0001]本专利技术属于医疗设备领域，涉及一种放射模体制备技术，具体涉及一种用于3D打印制备放射模体的混合材料的配比选择方法。

技术介绍

[0002]放疗射治疗(RT)是除手术和化疗外，对恶性肿瘤的三种传统治疗方式之一，其特点是利用具有不同特性的放射线(光子、电子、质子等)治疗局部肿瘤，以达到根治或姑息的治疗目的。为了实现对肿瘤尽可能的杀伤并尽可能减少对邻近器官或组织的辐射剂量。现代RT技术采用了各种先进技术，如调强放射治疗(IMRT)，图像引导放射治疗(IGRT)，立体定向身体放射治疗(SBRT)等。为确保剂量的准确性，通常在执行放疗之前，使用模体对剂量进行离体测量。模体(Phantom)被定义为模拟人体或器官的模型，用于估计辐射剂量，以进行放射学研究。放射学采用的模体材料应能模仿人体组织的放射学特征，形状应模仿人体或身体某一部位的形状和剂量学特征然而，目前最广泛使用的用于剂量学验证的模体是均匀的，单一材质和固定形状，如立方体和圆柱形。虽然目前有一些商业拟人模体可以作为人形模仿某些组织和器官，但它们仍然不具有个性化和价格高昂。近年来出现的3D打印(3DP)技术有可能会完美地克服这一缺陷，并可提供各种个性化的模体。E.D.埃勒等人是第一个通过CT扫描商业头颈部拟人模体(RANDO phantom,the Phantom Laboratory,Salem NY)然后利用3D打印技术将其打印出来以进行IMRT剂量验证。此外，荣格等人基于真实患者的肺部CT扫描，创建了3D打印的低密度肺部肿瘤的运动模体，以评估射波刀对肿瘤运动的跟踪精度，但忽略了组织与模体之间的密度以及相关的剂量学等效性。M.J.Kim等人证明了3D打印高密度脊柱形模体应用于SBRT剂量验证的可行性。然而这些研究因找不到合适的人体组织剂量学等的3D打印材料是大多数前辈研究的共同缺陷。
[0003]与塑料水(比如瓦里安CBCT在ICRP标准人女性模体胸部IGRT剂量及风险，张艺宝等，中华放射肿瘤学杂志)等标准模体不同，3D打印材料(3DP
‑
M)最初是为相应的打印技术而设计的，没有考虑放疗用于等效组织特异性替代物的放射剂量测定属性。由于目前无法从供应商处获得3DP
‑
M的成分数据，因此很少有3DP
‑
M标出放射剂量学参数。因此要想能够将普通3D打印材料用于放射剂量模体中，需要设计了一种新颖的工作流程，通过精确测量的密度和材料成分来获得(不限于)3DP
‑
Ms的剂量学特性。现有技术普遍认为，要找到密度和原子组成与特定类别的人体组织完全匹配的现有材料并不容易实现。物理学家通常遵循的指导原则是，替代材料应具有与真实组织相似的质量密度，有效原子序数和电子密度。这三个参数即可确定材料的辐射剂量学性质，但是，如果将它们用于选择最合适的替代材料，则会出现偏差，因为具有完全相同参数的材料在不同射线质或能量的各种辐射环境中的剂量学特征可能非常不同。因此，本专利技术的解决方案是直接设置能谱加权剂量学参数作为评估标准，以评估不同类型辐射的等效性，并选择替代材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种用于3D打印制备放射模体的混合材料的配比选择方法，解决现有技术中3D打印材料无法真实模拟人体组织器官剂量学参数问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种用于3D打印制备放射模体的混合材料的配比选择方法，其特征在于，包括以下步骤
[0007]步骤1、按照加工工艺，将3D打印材料进行分类，能采用同一种加工工艺的3D打印材料归为同一类；
[0008]步骤2、根据人体组织成份数据，计算待模拟人体组织的频谱加权衰减系数、频谱加权能量吸收系数以及组织密度；
[0009]步骤3、对每种3D打印材料进行理化性质测定，得到元素组成、每种元素质量份数和材料密度；
[0010]步骤4、根据加工工艺选取一组3D打印材料作为混合材料进行配比设计，对于每种3D打印材料给定一个未知变量的含量比例，计算混合材料的频谱加权衰减系数、频谱加权能量吸收系数以及密度，将混合材料与人体组织的频谱加权衰减系数、频谱加权能量吸收系数以及密度进行匹配，进行多元公式求解，得到每种3D打印材料的配比含量，完成混合材料的配比设计；
[0011]步骤5、当该组3D打印材料无法求解时，换一组3D打印材料继续按照步骤4计算匹配，直至完成混合材料的配比设计。
[0012]进一步地，所述人体组织的频谱加权衰减系数计算公式如下：
[0013][0014]上式中，μ为物质的衰减系数，ρ为物质的密度，μ0为待模拟人体组织的频谱加权衰减系数，ρ0为待模拟人体组织的平均密度，E
k
为第k种物质的光电子动能，w(E
k
)是光电子动能的能谱加权系数，Z
j
表示第j中元素，第j个元素的质量分数，是第j个元素的质量衰减系数，n为该人体组织中元素总数。
[0015]进一步地，所述人体组织成分数据根据查询ICRU44和ICRP48报告获取。
[0016]进一步地，所述3D打印材料的密度测量方法如下：
[0017]将3D打印材料按照所选定的加工工艺打印成薄皮，然后将薄皮粉碎进行密度测量。
[0018]进一步地，采用元素分析和扫描电子显微镜技术测量所述3D打印材料的元素组成和元素定量分析。
[0019]进一步地，步骤4中，混合材料的频谱加权衰减系数的计算公式如下：
[0020][0021]上式中，μ
mix
为混合材料的频谱加权衰减系数；ρ
mix
为混合材料的密度，为混合材料的密度，
[0022]为第i种3D打印材料的体积份数，ρ
i
为第i种3D打印材料的密度；
[0023]为混合材料中第j种元素质量份数，计算公式如下：
[0024][0025]为第i种3D打印材料中的第j种元素质量分数。
[0026]进一步地，步骤4中，混合材料的频谱加权能量吸收系数计算公式如下：
[0027][0028]上式中，(μ
en
)
mix
为混合材料的频谱加权能量吸收系数，μ
en
为每种3D打印材料的能量吸收系数，k为构成3D打印材料成分的第K种元素的序号。
[0029]本专利技术有益效果如下：
[0030]本专利技术将3D打印材料按照加工工艺进行分类，通过剂量学特性选定若干参数，利用不同3D打印材料对人体组织的剂量学参数进行匹配配比，以便能够加工出与人体组织剂量学高度相似的模体，从而实现对放射治疗剂量进行离体检测，能最大程度避免放射治疗过程中对人体正常组织器官造成的损害。
附图说明
[0031]图1为本专利技术实施例中分步工作流程图。
[0032]图2为通过有机元素分析测量的20个选定的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于3D打印制备放射模体的混合材料的配比选择方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1、按照加工工艺，将3D打印材料进行分类，能采用同一种加工工艺的3D打印材料归为同一类；步骤2、根据人体组织成份数据，计算待模拟人体组织的频谱加权衰减系数、频谱加权能量吸收系数以及组织密度；步骤3、对每种3D打印材料进行理化性质测定，得到元素组成、每种元素质量份数和材料密度；步骤4、根据加工工艺选取一组3D打印材料作为混合材料进行配比设计，对于每种3D打印材料给定一个未知变量的含量比例，计算混合材料的频谱加权衰减系数、频谱加权能量吸收系数以及密度，将混合材料与人体组织的频谱加权衰减系数、频谱加权能量吸收系数以及密度进行匹配，进行多元公式求解，得到每种3D打印材料的配比含量，完成混合材料的配比设计；步骤5、当该组3D打印材料无法求解时，换一组3D打印材料继续按照步骤4计算匹配，直至完成混合材料的配比设计。2.根据权利要求1所述的用于3D打印制备放射模体的混合材料的配比选择方法，其特征在于：所述人体组织的频谱加权衰减系数计算公式如下：上式中，μ为物质的衰减系数，ρ为物质的密度，μ0为待模拟人体组织的频谱加权衰减系数，ρ0为待模拟人体组织的平均密度，E
k
为第k种物质的光电子动能，w(E
k
)是光电子动能的能谱加权系数，Z
j
表示第j中元素，第j个元素的质量分数，是第j个元素的质量衰减系数，n为该人体组织中元素总数。3.根据权利要求2所述用于3D打印制备放射模体的混合材料的配...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊，曹振，刘晖，魏永长，谢丛华，陈纪，蒋大振，沈九零，
申请(专利权)人：武汉大学中南医院，
类型：发明
国别省市：