增材制造（3D printing）技术在放射治疗领域的应用日益广泛，可用于制作剂量学模体、患者特异性模体、近距离治疗（brachytherapy）施源器、补偿膜（bolus）、患者固定装置以及质子束补偿器等。由于水是放射治疗剂量学的参考介质，而塑料常作为水的替代材料，因此验证3D打印热塑性聚合物的水等效性具有重要临床意义。熔融沉积成型（FDM）打印机通过调节内部热塑性材料与空气的比例（即"填充率"，infill）来改变物件密度，该参数显著影响剂量学特性。本研究选择聚乳酸（PLA）作为研究对象，因其具有组织等效特性且在临床上广泛应用。
本多中心审核旨在量化FDM打印机的几何精度，以及打印PLA物件的物理和剂量学特性的变异性，以支持临床应用的一致性并指导实际操作。研究方法包括：由十个中心分别打印三种不同填充率（100%、90%、80%）的PLA测试块；使用数显卡尺测量块体尺寸及凸出/凹陷圆盘的几何精度；通过精密天平称量计算质量密度；在协调中心及参与中心分别进行CT扫描，测量豪斯菲尔德单位（HU）并计算水等效填充率（%WE）和质量密度（ρWE）；利用6 MV光子束测量组织模体比（TPR）并与水参考数据比较。
结果显示，所有打印尺寸的平均误差为（−0.2 ± 0.3）mm，圆盘直径平均误差亦为（−0.2 ± 0.3）mm。各中心间HU值最大差异达200 HU，质量密度最大差异达0.20 g/cm3。计算所得的水等效填充率为（94.5 ± 3.5）%，水等效质量密度为（1.10 ± 0.03）g/cm3。不同中心组合块体形成的水等效厚度最大差异为3.0 mm，TPR测量值最大差异为1.2%。所有数据在各中心间呈正态分布，且位于各自均值的±2倍标准差范围内。TPR数据与水的参考值高度吻合，最大偏差仅0.6%。
研究表明，尽管存在中心间变异，3D打印PLA物件的几何精度和物理密度与既往研究结果基本一致。1 mm凹陷孔洞及顶面凸出圆盘更易产生几何误差。PLA表现出可预测的组织替代特性，有利于开展本地质量保证（QA）和参考测量。该研究为标准化容差、打印设计以及QA程序提供了量化基准，支持3D打印技术在放射治疗中的规范化应用。
## 研究背景与目的
放射治疗中，水作为剂量学参考介质具有不可替代的地位，然而临床实践中常因操作便利性等原因采用塑料材料作为水的替代物。近年来，3D打印技术在放射治疗领域的应用 rapidly expanding，涵盖剂量学模体制作、患者特异性模体构建、近距离治疗施源器、补偿膜设计、患者体位固定装置以及质子束补偿器等多个方面。熔融沉积成型（FDM）作为最常用的3D打印技术，通过调节物件内部热塑性材料与空气的比例（即填充率）来控制密度，这一参数直接影响材料的剂量学特性。已有研究表明，填充率与计算机断层扫描（CT）值之间存在线性关系。聚乳酸（PLA）因其良好的组织等效特性和广泛的临床认可度，成为本研究的首选材料。尽管丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）等材料也显示出组织等效潜力，但其打印稳定性较差且临床应用较少。鉴于不同中心、不同设备间可能存在显著差异，开展多中心审核以量化3D打印物件的几何精度和剂量学特性变异，对于规范临床应用、制定质量保证标准具有重要意义。
## 研究方法与关键技术
本研究采用多中心协作模式，由十个放射治疗中心参与完成。研究涉及以下主要技术手段：计算机辅助设计（CAD）技术用于测试物件设计，采用Autodesk Fusion 360软件设计三种尺寸的立方体测试块（A: 7.0 cm × 7.0 cm × 0.8 cm；B: 7.4 cm × 7.4 cm × 1.0 cm；C: 7.8 cm × 7.8 cm × 1.2 cm），并设计带有凸出与凹陷圆盘特征的表面结构以评估细节打印精度；熔融沉积成型技术制备测试样品，各中心依据本地常规设置打印100%、90%及80%三种填充率的PLA块体，推荐采用"cubic"填充模式；几何测量技术使用经校准的RS PRO数显卡尺（精度0.03 mm）进行块体尺寸及圆盘直径的多点测量；CT成像技术在协调中心（GE Discovery CT扫描仪）及各参与中心采用标准头颈部扫描协议完成（管电压120 kV，层厚1.25 mm），用于获取HU值并计算水等效参数；精密称量技术采用Kern & Sohn精密天平（精度0.03 g）测量块体质量以计算质量密度；放射剂量测量技术使用PTW Semiflex电离室配合Varian TrueBeam
®直线加速器，在5 × 5 cm
2、6 MV光子束条件下测量组织模体比（TPR），并与Varian提供的Golden Beam Data（GBD）水参考数据进行比对分析。统计分析采用Shapiro-Wilk检验评估正态性，根据数据特征选择方差分析（ANOVA）或Mann-Whitney U检验，显著性水平设为α = 0.05。
## 研究结果
**几何精度分析**：所有打印块体均较设计尺寸偏小，平均误差为（−0.2 ± 0.3）mm。块体高度、长度和宽度的测量误差在各中心间呈正态分布（p = 0.17–0.74）。宽度方向误差看似较大，但与高度、长度误差相比无统计学显著性（p = 0.05，结果处于临界状态）。圆盘特征直径的平均偏差亦为（−0.2 ± 0.3）mm，误差主要为负向。按标称直径分组的数据呈正态分布（p = 0.06–0.17）。2–6 mm特征的平均直径无显著差异（p = 0.73），但纳入1 mm特征后产生显著差异（p < 0.001），原因是1 mm孔洞在两个方向上的打印尺寸均明显偏小（平均直径 = 0.5 ± 0.3 mm）。顶面凸出圆盘（hills）显著小于其他类型和位置的圆盘（p < 0.001），其余各组间无显著差异（p = 0.18–0.98）。
**CT值与密度特性**：各中心间HU值最大差异为80%填充率时120 HU、90%填充率时200 HU、100%填充率时180 HU。按填充率分组的HU数据呈正态分布（p = 0.062），所有数据点位于均值±2倍标准差范围内。计算所得内密度在80%、90%、100%填充率时最大变异分别为0.15、0.20、0.14 g/cm
3。100%填充率块体的密度范围为1.11–1.26 g/cm
3。内密度与CT值呈强正相关（r = 0.981, p < 0.001）。使用参考CT与各参与中心CT图像计算的水等效填充率（%WE）和水等效质量密度（ρ
WE）无显著差异（p = 1.00和p = 0.84）。使用增强型PLA（如PLA+、Tough PLA）的中心数据分布于总体均值上下方，但均处于±2倍标准差范围内。
**衰减特性与临床意义**：PLA数据与水的参考曲线高度吻合，最大偏差0.6%（图5a），所有数据点位于各深度均值±2倍标准差范围内（图5b）。各标称PLA厚度的水等效厚度（WET）计算值变异为1.2–3.0 mm（平均1.9 ± 0.7 mm），测量的有效组织模体比（TPR
eff）在各中心间变异为0.005–0.011（0.007 ± 0.002）。这些差异随厚度增加而近似线性增大，50 mm深度时最大中心间TPR差异达1.2%。
## 讨论与结论
本多中心审核系统评估了十个临床中心3D打印PLA物件的几何精度和剂量学特性，为放射治疗中3D打印技术的规范化应用提供了重要参考。
在几何精度方面，审核结果与既往文献报道的FDM打印PLA的平均误差（−0.2 ± 0.1）mm或绝对误差（0.2 ± 0.1）mm基本一致，表明FDM打印PLA模体存在一定固有容差。研究发现1 mm凹陷孔洞和顶面凸出圆盘更易产生几何误差，这可能影响需要精细节的临床应用（如1 mm通道或成像分辨率测试）。研究人员建议在设计阶段可通过将孔洞直径增加0.5 mm等方式进行补偿。所有审核使用的打印机均为直角坐标式设计，几何精度可能受打印机各轴及皮带张力、电机校准等物理特性影响。层厚、打印速度、热收缩以及FDM工艺的各向异性等因素均会对精度产生显著影响。
在物理密度特性方面，本研究100%填充率块体的HU值变异（180 HU）介于Craft等报道的单打印机十次打印变异（121 HU）与Brown等报道的商业外包打印变异（226 HU）之间，表明不同临床系统间变异增加，验证了开展多中心审核的必要性，但同时也说明其变异小于商业打印。100%填充率块体的质量密度范围（1.11–1.26 g/cm
3）与文献报道范围（1.06–1.25 g/cm
3）一致。内密度与HU值的强线性相关（r = 0.981）证实了PLA具有可预测的放射学行为，支持采用标准HU-密度校准曲线进行3D打印组件的剂量学建模。增强型PLA未显示系统性偏移，提示 filament 配方并非导致中心间变异的主要因素。
在剂量学应用方面，PLA数据与水参考TPR值的高度吻合（最大偏差0.6%）重申了其作为组织替代材料的适用性。各中心TPR
eff数据位于均值±2倍标准差范围内，提示可为光子相互作用建立PLA参考曲线。50 mm水等效深度时最大中心间TPR差异为1.2%，低于国际辐射单位与测量委员会（ICRU）推荐的±5%临床剂量容差，不太可能产生具有临床意义的剂量差异。需要指出的是，本研究未探讨超过50 mm的水等效厚度，更大深度可能产生更大的中心间变异。
参与中心CT图像与参考CT图像数据的高度相似性意味着各中心可使用本地扫描图像进行分析，无需依赖参考CT即可完成系统比对，这为未来远程参与审核活动提供了可能。当前建议各中心建立本地填充率与剂量学特性之间的关系，而本研究提供的平均水等效填充率值可作为实际测量的起始参考。
研究局限性主要包括：仅使用三个数据点计算水等效参数限制了计算精度；1 mm孔洞的数显卡尺测量受对位限制引入额外不确定性；假设打印精确复现设定壁厚且壁材为100%填充未经核实（但任何合理偏差相对于中心间变异影响甚微）；不同成像支撑方式引起的散射条件变化假设影响可忽略（基于使用放射性透明支撑和低填充率夹具，且参考CT与参与中心CT数据无显著差异支持该假设）；尽管扫描仪和协议依赖性HU变异存在，但各中心均采用120 kV，控制了与HU偏移最相关的参数。
展望未来，可用打印机及软件设置的多样性可能导致与本次审核设置的显著偏差，且用户可能未充分意识到这些差异。若要生成标准化数据，建议建立测试单个系统兼容性的机制。后续研究将扩展至更广泛的放射治疗社区，并纳入更宽范围的射线能量，以进一步探究PLA剂量学特性在治疗性光子能谱中的变异。
**研究结论**：该多中心审核表征了各临床中心FDM打印PLA物件的几何和剂量学特性。观察到的变异位于均值±2倍标准差范围内，为日常质量保证提供了量化基准，并支持3D打印在放射治疗中的标准化应用。
