本方案描述了一种针对脊柱转移瘤电化学治疗(ECT)的患者特异性电场仿真与验证的完整且可重复的工作流程。该工作流程整合了多模态成像、半自动与手动图像分割、组织电导率建模、线性有限元电场仿真,以及通过术后基于MRI的坏死区域重叠分析进行实验验证。
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本方案描述了一种针对脊柱转移瘤电化学治疗(ECT)的患者特异性电场仿真与验证的完整且可重复的工作流程。该工作流程整合了多模态成像、半自动与手动图像分割、组织电导率建模、线性有限元电场仿真,以及通过术后基于MRI的坏死区域重叠分析进行实验验证。
电化学治疗(ECT)结合使用细胞毒性药物与高电压电脉冲,使肿瘤细胞膜短暂通透,从而增强药物的细胞内摄取。这种微创、非热消融技术特别适用于位于关键结构附近的肿瘤,因为在这些部位,手术、放疗或经皮热消融可能受到限制。在脊柱区域,ECT 可在保护神经结构的同时,实现疼痛缓解、神经减压以及局部肿瘤控制。然而,由于脊椎解剖结构复杂、对电场分布的理解有限、缺乏专用的规划工具以及存在神经损伤风险,其临床应用仍具挑战性。本方案描述了一种可重复的、针对个体化患者的脊柱 ECT 电场模拟工作流程。通过结合 CT 与 MRI 的多模态影像,在开源平台 3D Slicer 中进行半自动和手动分割,重建肿瘤、椎体、神经及软组织的解剖结构。根据 IT’IS 数据库设定组织电导率,并使用专用的 3D Slicer 模块 AI4DEEP 进行线性有限元模拟(恒定电导率),以计算多个等剂量阈值下的三维电场分布图。通过随访增强 MRI,利用 Dice 相似性系数比较模拟的等电位电场体积与 ECT 后肿瘤坏死区域,对模拟结果进行验证。由经验丰富的介入放射科专家对模拟电场图、随访 MRI 及临床结果进行定性比较,以评估该软件预测治疗不足与过度治疗区域的能力。共处理了九例 ECT 操作以评估该工作流程。在此特定的临床与数值设置下,模拟电场与 ECT 后坏死区域的一致性在 160–200 V/cm 范围内最高。该工作流程还识别出治疗不足或过度的区域,与临床及影像学随访结果一致。所描述的工作流程为可重复的 ECT 治疗规划奠定了基础,有助于优化电极放置和参数调整,从而提高复杂脊柱 ECT 操作的安全性与疗效。
脊柱转移性硬膜外炎较为常见,因为脊柱是骨骼转移的主要部位,占所有骨转移病灶的50%1,2。其临床表现通常包括严重疼痛,显著影响生活质量,随后出现快速进展的神经功能缺损,根据受累节段的不同,可能最终发展为截瘫或四肢瘫痪3,4。对于转移性硬膜外脊髓压迫,放疗是标准治疗手段,而减压联合稳定手术则适用于一般状况良好且预期生存期较长的部分患者5,6。立体定向消融放疗可在部分病例中提高局部控制率,但受限于脊髓耐受剂量及计划复杂性7。放疗后局部复发或进展较为常见,由于累积剂量限制,再程放疗受到制约,常导致持续性疼痛或进行性神经功能恶化患者陷入治疗困境6,7。在此背景下,亟需一种能够在关键神经结构附近实现镇痛、减压及肿瘤控制的局部非热消融技术。
电化学治疗(ECT)结合使用细胞毒性药物(最常用的是博来霉素)与短时高电压电脉冲,后者可 transiently 增加细胞膜通透性,从而增强药物在细胞内的摄取8,9。ECT 具有微创、非热性和相对肿瘤选择性的特点,在治疗位于关键结构附近的皮肤、皮下及深部肿瘤方面已显示出令人鼓舞的效果10,11。最近一项临床研究系列报道,在经皮脊柱 ECT 治疗放射治疗耐药的硬膜外脊髓压迫后,患者在术后 1 个月的 MRI 客观缓解率为 77%,3 个月时为 66.5%。疼痛也显著减轻,数字评分量表(NRS)的中位疼痛评分从基线时的 7 分降至术后 1 个月的 1 分。然而,仍有部分患者出现了不可逆的神经功能缺损12。这些事件凸显了电场分布的核心作用:电极几何构型或组织特性的微小变化都可能显著改变治疗范围,使患者面临治疗不足或过度治疗的风险13,14。数值模拟研究表明,基于个体化患者的建模可优化电极放置,提高对椎体肿瘤的覆盖,同时限制对神经结构的暴露15,16。
尽管已提出多种用于电穿孔治疗的研究规划框架,但其常规临床应用仍受限于网格划分/参数需求及计算时间17,18,19,20,21。Sutter 和 Poignard 近期的研究支持一种适用于临床限制条件的、基于影像驱动的术中模拟工作流程,并表明电场等剂量覆盖不全与不可逆电穿孔(IRE)后局部治疗失败之间存在准确的相关性22,23。本实验方案在此同一模拟框架基础上构建。
因此,本文旨在基于真实的临床影像数据集和实际应用的电极构型,为脊柱电穿孔治疗(ECT)中的电场建模与验证提供一种可重复、个体化的操作流程。目前,该流程最适合用于术前规划以优化电极定位,因为分割和模型准备所需时间仍限制了其在术中常规调整的应用。本研究旨在提供一个方法学框架,而非以假设驱动的疗效研究,适用于已开展或计划开展经皮CT引导下电穿孔治疗硬膜外转移瘤及其他解剖结构复杂病变的介入肿瘤学与脊柱治疗团队。
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本回顾性研究遵循机构伦理委员会的规定(IRB 2025-566)并符合相关国家法规。所有影像数据在分析前均已匿名化处理,由于本研究为回顾性设计且使用去标识化数据,因此豁免了知情同意要求。所用设备和软件列于材料表中。
1. 数据导入与场景准备
2. 初始CT(CTi)上的解剖学分割
3. MRI 融合与肿瘤分割
4. 在 AI4DEEP 中进行 CT 与针融合及电极定义
5. 在 AI4DEEP 中进行电导率赋值
6. 脉冲与针头特性
7. 电场模拟
8. 等剂量线可视化与肿瘤覆盖
9. 术后 MRI 图像的选择、导入与坏死区域分割
10. 模拟电场与坏死区域的定量比较(Dice 分析)
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该工作流程已成功应用于9例脊柱转移性硬膜外炎的电化学治疗(ECT)手术。针对所有病例均建立了患者特异性的预测电场模型,证实了该完整方案在不同解剖结构下均具有可行性与可重复性。在所有病例中,CTi与MRIp之间以及CTi与MRIs之间的刚性配准均成功实现,平均靶点注册误差(TRE)分别为1.8 mm ± 0.6 mm和1.9 mm ± 0.7 mm。通过线性有限元模拟,为每项手术生成了连续的三维电场分布。所有病例均成功生成了50–600 V/cm范围内的等剂量体积。
在8个可分析病例中对模拟的等剂量体积与治疗后坏死区域进行了定量比较;病例3因多次电极重新定位导致无法进行可靠的空间比较和Dice分析而被排除。图2显示,队列中的平均Dice相似性系数呈钟形关系。该系数值从低电场阈值开始逐渐升高,在160–200 V/cm范围内达到峰值(0.37–0.39),随后在更高阈值时下降。200 V/cm等剂量产生的平均Dice系数最高(0.387),表明该阈值在此临床背景下最接近实际治疗体积。肿瘤覆盖分析进一步显示,随着阈值升高,覆盖率...
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本方案为脊柱电穿孔治疗(spinal ECT)中的患者特异性电场模拟提供了一套可重复的工作流程。多个方法学步骤对于获得准确且具有临床可解释性的预测结果至关重要。精确的肿瘤分割尤为关键,因为硬膜外病变在无对比剂的术中CT上通常显示不清。因此,术前与术后MRI的图像融合是准确勾画硬膜外及椎体受累范围的关键。在实际操作中,图像融合可依赖于手动刚性配准结合视觉控制及目标配准误差(TRE)测量;当需要更高精度的对齐时(例如基于图像块的视野匹配),则应采用专用的可变形多模态配准方法26。准确记录电极激活对以及施加的电场强度(单位:V/cm)同样至关重要,因为治疗参数与模型之间的任何差异都会直接影响模拟电场的分布。此外,还需仔细将带有穿刺针的术中CT与计划CT进行配准,并结合在多平面重建中手动调整活性电极尖端段的位置,以确保所建模型的几何结构真实反映临床实际配置。
在模型实施过程中出现了若干实际考虑因素。该工作流程需要充足的计算资源,建议至少配备 16 GB 内存,最好达到 32 GB,以确保模拟的稳定性与速度。在使用基于阈值的工具时,CT 上的金...
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我们感谢患者对本研究的信任与参与,他们的贡献使这项研究得以实现。AIMOKA 和 MONC 团队成员(CP、OSe、OSu、LL 和 BDS)部分获得了法国癌症计划 MECI PC MECI 21CM119 00、法国国家癌症研究所(INCa)(项目编号 PLBIO n°2023-156)以及法国国家科研署(ANR)项目 IMITATE(ANR-22-CE51-0043)和 MIRE4VTACH(ANR-22-CE45-0014)的部分资金支持。AIMOKA 研究团队由 AP-HP 与 Inria 共同设立的 Bernoulli 实验室提供支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D Slicer | 3D Slicer(开源) | 不适用 | 版本 5.6.2。 |
| AI4DEEP 模块(3D Slicer 扩展) | AI4DEEP | 不适用 | 在 3D Slicer 中使用的电场仿真模块。 |
| Cliniporator VITAE | IGEA | IG0012A | 用于电化学治疗的脉冲发生器。 |
| 混合血管造影-CT 手术室(Alphenix 4D CT + Aquilion ONE) | 佳能医疗系统 | TSX-305A | 集成式血管造影系统(Alphenix)与 CT 扫描仪(Aquilion ONE)共置于同一手术室;用于术中 CT 成像及手术引导。 |
| 直型针状电极 "VGD" | IGEA | IG0E726 | 有效长度:20 mm / 30 mm / 40 mm(根据靶区大小和解剖结构选择)。 |
| 工作站 | 戴尔 | 不适用 | 戴尔工作站,intelVPro ISM,Windows 11 操作系统,16 GB 内存;用于图像处理与仿真计算。 |
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