Розробка і оцінка гомогенних і гетерогенних фантомів, надрукованих методом 3D-друку, для забезпечення якості променевої терапії
Анотація
Передумови: Доступні та місцеві фантоми контролю якості (QA) мають вирішальне значення для підтримки точності променевої терапії, особливо в умовах обмежених ресурсів. Це дослідження оцінює радіологічні та дозиметричні характеристики 3D-друкованих гомогенних та гетерогенних фантомів порівняно з комерційними стандартами.
Методи: Було розроблено два прототипи фантома: гомогенну модель, виготовлену з PMMA, та гетерогенну модель, що складається з EVA, PLA, піни на основі MDI та гіпсово-крейдяного композиту. Радіологічні властивості оцінювали за допомогою КТ-візуалізації з трьома реконструкційними ядрами (Hp38, Bf39, Hr32) при товщині зрізу 1–3 мм. Одиниці Хаунсфілда (HU) порівнювали з референтними значеннями з Easy Slab (IBA) та CatPhan 604. Дозиметричну валідацію проводили за допомогою Eclipse TPS (v16.1) з використанням 15 3D-CRT та 15 VMAT планів, налаштованих на прискорювачі Varian TrueBeam (6 MV, 6 MV FFF, 10 MV, 10 MV FFF) та Halcyon (6 MV FFF). Точкові дози вимірювали за допомогою каліброваної камери Фармера.
Результати: Гомогенний фантом PMMA продемонстрував стабільність HU в межах ±5 HU від референтних значень для всіх ядер зі стандартними відхиленнями менше 3 HU. EVA та гіпс-крейда забезпечили тканинно-еквівалентні та кістково-еквівалентні властивості візуалізації (20 ± 3 HU та 1200 ± 15 HU відповідно), тоді як PLA та MDI продемонстрували надмірну мінливість (залежність від ядра >40 HU). Дозиметрично, гомогенний фантом досяг узгодженості з розрахунками TPS у межах ±2,5% для всіх енергій та методів. Гетерогенний фантом демонстрував відхилення до 2,8%, залишаючись у межах ±3% допуску AAPM TG-119. Мінливість була найбільш значною для планів VMAT з променями FFF, особливо на платформі Halcyon.
Висновок: Гомогенний фантом з PMMA, надрукований на 3D-принтері, продемонстрував радіологічну стабільність та дозиметричну точність, порівнянну з комерційними пристроями, що підтверджує його доцільність для рутинного контролю якості. Гетерогенна модель продемонструвала прийнятні характеристики, але вимагає вдосконалення матеріалів, зокрема заміни PLA та MDI піни, для покращення стабільності HU. Ці результати підкреслюють потенціал адитивного виробництва для забезпечення економічно ефективних, налаштовуваних рішень контролю якості для променевої терапії, особливо в умовах обмежених ресурсів.
Завантаження
Посилання
IAEA, Accuracy Requirements and Uncertainties in Radiotherapy. IAEA Human Health Series No. 31. Vienna: IAEA; 2016.
W. Qiu, H. Sun, Z. Hu, et al. “Constructing customized multimodal phantoms through 3D printing. A Preliminary Evaluation,” Front Phys. 9, (2021). https://doi.org/10.3389/fphy.2021.605630
P. Kunert, H. Schlattl, S.S. Trinkl, E. Honorio, D. Reichert, and A.A. Giussani, “3D printing of realistic body phantoms: Comparison of measured and simulated organ doses on the example of a CT scan on a pregnant woman,” Med. Phys. 51(12), 9264-9274 (2024). https://doi.org/10.1002/mp.17420
D. Ma, R. Gao, M. Li, and J. Qiu, “Mechanical and medical imaging properties of 3D-printed materials as tissue-equivalent materials,” J. Appl. Clin. Med. Phys. 23(2), e13495 (2022). https://doi.org/10.1002/acm2.13495
J. Silberstein, and Z. Sun, “Advances and Applications of Three-Dimensional-Printed Patient-Specific Chest Phantoms in Radiology: A Systematic Review,” Appl. Sci. 14(13), 5467 (2024). https://doi.org/10.3390/app14135467
N.E.M. Zain, U. Jais, R. Abdullah, and N.W. Abd Rahman, “Dosimetric characterization of customized PLA phantom for radiotherapy,” J. Sains. Nuklear. Malaysia. 31(2), 1-6 (2019). https://inis.iaea.org/records/7n3ar-vwf37
R. Tino, A. Yeo, M. Leary, M. Brandt, and T. Kron, “A systematic review on 3D-printed imaging and dosimetry phantoms in radiation therapy,” Technol. Cancer Res. Treat. (18), (2019). https://doi.org/10.1177/1533033819870208
R.B. Tino, A.U. Yeo, M. Brandt, M. Leary, and T. Kron, “A customizable anthropomorphic phantom for dosimetric verification of 3D-printed lung, tissue, and bone density materials,” Med. Phys. 49(1), 52–69 (2022). https://doi.org/10.1002/mp.15364
N. Kadoya, K. Abe, H. Nemoto, K. Sato, Y. Ieko, K. Ito, S. Dobashi, et al. “Evaluation of a 3D-printed heterogeneous anthropomorphic head and neck phantom for patient-specific quality assurance in intensity-modulated radiation therapy,” Radiol. Phys. Technol. 12(3), 351–356 (2019). https://doi.org/10.1007/s12194-019-00527-5
J.W. Yea, J.W. Park, S.K. Kim, D.Y. Kim, J.G. Kim, C.Y. Seo, et al. “Feasibility of a 3D-printed anthropomorphic patient-specific head phantom for patient-specific quality assurance of intensity-modulated radiotherapy,” PLoS One, 12(7), e0181560 (2017). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0181560
L. Mertens, J. Fleckenstein, V. Steil, and F. Schneider, “A novel end-to-end test for combined dosimetric and geometric treatment verification using a 3D-printed phantom,” Med. Dosim. 47(2), 177–183 (2022). https://doi.org/10.1016/j.meddos.2022.02.002
H. Marshall, T. Selvan, and R. Ahmad, “Evaluation of a novel phantom for the quality assurance of a six-degree-of-freedom couch 3D-printed at multiple centres,” Phys. Med. 114, 103136 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2023.103136
A. Meghzifene, “Medical physics challenges for the implementation of quality assurance programmes in radiation oncology,” Clin. Oncol. (R Coll Radiol), 29(2), 116–119 (2017). https://doi.org/10.1016/j.clon.2016.10.008
IAEA. Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy. Technical Report Series No. 398. Vienna: IAEA; 2000.
Y. Choi, J. Lee, K. Park, R. Park, Y. Cho, J. Kim, and H.H. Lee, “Patient-Specific Quality Assurance Using a 3D-Printed Chest Phantom for Intraoperative Radiotherapy in Breast Cancer,” Front Oncol. 11, 699592 (2021). https://doi.org/10.3389/fonc.2021.699592
A. Chaikh, A. Chaabane, C. Jardin, S. Bassot, T. Beaumont, M. Chea, et al. “Modeling and dosimetric characterization of a 3D printed pregnant woman phantom for fetal dosimetry in radiotherapy,” Radioprotection. 60(1), 50–56 (2025). https://doi.org/10.1051/radiopro/2024039
G.A. Ezzell, J.W. Burmeister, N. Dogan, T.J. LoSasso, J.G. Mechalakos, D. Mihailidis, A. Molineu, et al. “IMRT commissioning: multiple institution planning and dosimetry comparisons,” Med. Phys. 36(11), 5359–5373 (2009). https://doi.org/10.1118/1.3238104
E.H. Zubizarreta, E. Fidarova, B. Healy, and E. Rosenblatt, “Need for radiotherapy in low and middle income countries – the silent crisis continues,” Clin. Oncol. (R Coll Radiol), 27(2), 107-114 (2015). https://doi.org/10.1016/j.clon.2014.10.006
Авторське право (c) 2025 В. Ващишин, О. Безшийко, Л. Голинка-Безшийко
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
