Desenvolvimento e avaliação de um sistema baseado em impressora 3d para confecção de blocos compensadores em radioterapia de intensidade modulada - IMRT

Abstract

A Radioterapia de Intensidade Modulada (IMRT) é uma importante ferramenta para o tratamento contra o câncer. A IMRT concentra altas doses de radiação em volumes alvo complexos, enquanto que consegue reduzir as doses em tecidos sadios adjacentes. A IMRT é feita tradicionalmente usando algum acessório na máquina de tratamento: Multi-leaf Collimator (MLC) ou blocos compensadores, sendo que o método convencional para confeccionar os blocos compensadores usa fresas. Isto representa uma desvantagem em relação ao método de IMRT por MLC, devido aos altos custos de operação e de produção. Nesse estudo, um método alternativo, que substitui a fresa por uma impressora 3D, foi desenvolvido para produzir blocos compensadores de IMRT feitos com a liga metálica de Cerrobend. O mapa de urgência, gerado por um Sistema de Planejamento de Tratamento (SPT) para um tratamento com IMRT do tipo Jaws-Only, foi convertido em um arquivo com formato STL representando um molde. Três algoritmos para confecção do molde foram desenvolvidos e avaliados: (1) considerando a atenuação exponencial nominal de um bloco atenuador feito com Cerrobend; (2) considerando o Coeficiente de Atenuação Linear (CAL) obtido experimentalmente, a partir do ajuste dos dados por uma equação exponencial; (3) considerando as dependências do tamanho de campo, da distância ao eixo central e da espessura do bloco no valor do CAL. Os moldes foram impressos por uma impressora 3D do tipo jato de tinta em todos os casos. Os blocos de IMRT foram alcançados preenchendo com Cerrobend cada molde gerado pelos algoritmos. Para validar esse método, Controles de Qualidade foram feitos usando uma matriz de detectores de radiação em 3 profundidades. As distribuições de dose previstas pelo SPT e medidas no CQ foram comparadas em 3 profundidades usando a função gamma-index (critério: desvios de dose até 3% e de posição de até 3 mm). Na profundidade de 6; 5 cm, os blocos de IMRT criados a partir dos modelos (1), (2) e (3) tiveram 93%, 100% e 95% dos pontos dentro do campo de tratamento aprovados, respectivamente. Nas profundidades de 2; 5 e 15; 5 cm o bloco feito com o algoritmo (1) não obteve resultados satisfatórios, enquanto que os demais modelos ainda alcançaram resultados que poderiam permitir o uso clínico. Medições adicionais de dose absoluta em 14 pontos foram feitas para o bloco de IMRT criado a partir do modelo (2). O desvio máximo na dose pontual foi de 1; 8%. A repetibilidade do método foi avaliada, a partir da confecção de 3 blocos de IMRT usando o mesmo arquivo STL. Os coeficientes de variação foram menores que 2% em 93% da área do campo. A principal vantagem do método proposto é que pode ser totalmente conduzido dentro de um departamento de radioterapia sem, o que resulta em menores custos e tempo de produção. Investigações estão sendo feitas para tornar o processo mais prático e permitir o uso clínico dos blocos de IMRT criados com o auxílio de impressoras 3D. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) is an important tool for cancer treatment. It concentrates high radiation doses in complex target volumes, while sparing the surrounding tissues. IMRT is traditionally performed using Multi-Leaf Collimators (MLC) or Compensator Blocks. The conventional way used to manufacture IMRT compensator blocks, which uses milling machines, is an important drawback over the MLC method, due to high operational and production costs. In this research, we developed a simpler alternative method to manufacture an IMRT compensator block from a Jaws-Only fluency map generated by a commercial Treatment Planning System (TPS). This map was converted into a mold, and then printed using an inkjet 3D printer. We filled the mold with Cerrobend alloy to achieve the final IMRT compensator block. This study investigated 3 different physical models to create the molds: (1) considering the nominal Linear Attenuation Coefficient (LAC) of Cerrobend; (2) using the measurements performed to define the CAL by an exponential function; (3) considering the effects of the field size, central-axis distance and block thicknesses in the CAL. These algorithms were assessed and the method was validated performing a dosimetric quality assurance. The dose distributions of all IMRT blocks were evaluated in 3 different depths (2:5, 6:5, 15:5 cm). We compared the measured dose distributions to those predicted by the TPS using the gamma-index function (criteria: dose deviation up to 3% and DTA up to 3 mm). At 6:5 cm depth, the dose evaluation of IMRT blocks manufactured from algorithms (1), (2), and (3) were 93%, 100% e 95% of the points inside the field passing, respectively. In the other depths, the IMRT block manufactured using algorithm (1) did not achieve clinical acceptable results, nonetheless the results of other IMRT blocks suggest the possibility of clinical use. Further absolute dose measurements performed in 14 regions, for the IMRT block manufactured using algorithm (2), showed a maximum dose deviation of 1:8%. We evaluated the repeatability of the method manufacturing 3 IMRT blocks from the same STL file. The coefficient of variation was lower than 2% for 93% of the exposed area. These results suggest that the 3D printers can be effectively used to manufacture IMRT compensator blocks. The main advantage to this approach is that it can be fully conducted inside a radiotherapy facility, which results in lower costs and production times.