Application of additive manufacturing in oncology : a study in development of patient-specific boluses

The thesis investigates the implementation of patient specificity through the usage of additive manufacturing technologies in the field of radiation oncology; specifically in the manufacture of bolus structures which will be placed in contact with the skin of the patient undergoing the therapy. Bolus materials that are currently used need an excessive amount of human intervention which lead to reduced repeatability of the bolus in terms of dosimetry. Additive manufacturing can solve this problem by eliminating the human factor in the process of fabrication. The focus of the thesis is twofold; the first being a dosimetric characterisation study on planar bolus designs to quantify the effects of print parameters such as infill density and infill geometry on the radiation beam, and the second being evaluation of dosimetric characteristics and volumetric quantification of air gap between the bolus and the skin of the patient. Similarly, the thesis is divided into two parts. The first part focusses on the state-of-the-art analysis and a literature review of two areas of radiation therapy where a need for patient specificity arises: the aforementioned bolus structures and compressive braces to treat lymphedema, which is a post treatment stage in radiation therapy. The second part focusses on the design of infills and characterisation through dosimetry of those infills. It also delves into a discussion of design methodology to follow in order convert patient scan data into printable models. Following the methodology, models are designed, printed, and tested on clinical mannequins to ascertain the volumetric and dosimetric characterisations.

La tesi studia l'implementazione della specificità del paziente attraverso l'uso di tecnologie di produzione additiva nel campo della radioterapia oncologica; in particolare nella fabbricazione di strutture di bolo che saranno poste in contatto con la pelle del paziente sottoposto a terapia. I materiali dei boli attualmente utilizzati richiedono un'eccessiva quantità di intervento umano che porta a una ridotta ripetibilità del bolo in termini di dosimetria. La fabbricazione additiva può risolvere questo problema eliminando il fattore umano nel processo di fabbricazione. L'obiettivo della tesi è duplice: il primo è uno studio di caratterizzazione dosimetrica su disegni di boli planari per quantificare gli effetti dei parametri di stampa come la densità di riempimento e la geometria di riempimento sul fascio di radiazioni, e il secondo è la valutazione delle caratteristiche dosimetriche e la quantificazione volumetrica del traferro tra il bolo e la pelle del paziente. Allo stesso modo, la tesi è divisa in due parti. La prima parte si concentra sull'analisi dello stato dell'arte e su una revisione della letteratura di due aree della radioterapia in cui sorge la necessità di specificità per il paziente: le strutture del bolo di cui sopra e i tutori compressivi per trattare il linfedema, che è una fase successiva al trattamento nella radioterapia. La seconda parte si concentra sulla progettazione di riempimenti e sulla caratterizzazione attraverso la dosimetria di tali riempimenti. Si addentra anche in una discussione sulla metodologia di progettazione da seguire per convertire i dati di scansione del paziente in modelli stampabili. Seguendo la metodologia, i modelli sono progettati, stampati e testati su manichini clinici per accertare le caratterizzazioni volumetriche e dosimetriche.