脊柱转移瘤电化学治疗中患者特异性电场模拟

如何通过实验方案模拟脊柱电化学治疗期间患者特异性的电场，并将其与治疗后的单核细胞增多症进行比较。现有的工作流程很少将模拟的电场与脊柱转移性疾病中的三维治疗反应进行验证。在将数据导入 3D Slicer 并将 CTI 设为参考体积后，打开分割编辑器模块，并创建一个名为 cortical bone 的分割。

使用 CTI 中的阈值工具分离高密度的皮质骨。然后根据需要使用剪刀工具或画笔工具手动优化该区域。创建一个名为 Fat 的区域。

使用阈值工具选择肾周或皮下区域的低密度脂肪。接下来，构建椎间盘片段，并在轴向、矢状向和冠状向视图上使用3D绘制工具。选择所有可见片段的外部区域，以将绘制限制在空体素内，避免覆盖已有的片段。

然后为椎体松质骨设置一个松质骨片段。使用3D绘制工具填充内部的骨小梁间隙，并如前所述选择所有可见片段的外部区域。创建一个标记为Spinal Cord的片段，并使用3D绘制工具在轴向切片上从治疗节段上方至下方手动勾画脊髓轮廓。

接下来，定义一个名为脑脊液的区域。使用3D绘制工具填充蛛网膜下腔内脊髓周围的脑脊液空间，同时选择所有可见区域的外部部分，以避免覆盖已有的区域。如果存在水泥、弹簧圈或肺部，则为其创建额外的区域。

使用阈值工具识别高密度的骨水泥或弹簧圈以及低密度的肺实质。根据需要进行手动校正。然后保存更新后的 Slicer 场景。

将术前 MRI 体积数据（MRIp）导入 Slicer 场景中。使用“变换”（Transforms）模块，通过治疗节段的椎体骨性标志引导，将 MRIp 与 CTI 进行刚性配准。将变换应用于 MRIp，并在轴状面和矢状面上目视评估配准效果。

仅当视觉对齐效果良好且目标配准误差小于2.5毫米时，才接受该配准结果。然后创建一个名为Tumor的新分割区域。使用MRIp上的Paint工具，在基线期手动勾画硬膜外和椎体肿瘤的受累范围。

可选择对肿瘤分割结果进行平滑处理，以获得无间隙的连贯三维体积。保存更新后的 Slicer 场景。将术中带针的计算机断层扫描血管造影（CTA）体积数据导入 3D Slicer 场景中。

使用变换模块将CTA刚性配准到CTI上。采用与上一步相同的椎骨骨性标志，以确保正确对齐。启动AI4DEEP模块，并从每个电极的激活电极尖端开始，为每个电极创建一个虚拟针。

在轴向、冠状和矢状视图中验证每个电极编号是否准确对应于一个单独的物理活性尖端。保存包含解剖结构、肿瘤分割和电极几何信息的更新场景。在 AI4DEEP 界面中，将每个解剖段分配给具有预定义电导率的相应组织类别。

将默认背景组织设置为肌肉电导率，以便所有未分割的体素均被视为肌肉。在 AI4DEEP 摘要面板中验证每个分割区域是否与预期的组织类型及电导率一致。然后保存配置。

在 AI4DEEP 界面中，根据临床操作指定每个电极的有效尖端长度，并将电极直径设置为 1.8 毫米。输入临床应用的电场强度，单位为伏特每厘米。然后定义治疗过程中被激活的电极对。

让 AI4DEEP 根据电极对之间的距离计算每个电极对所施加的电压，同时确保满足以伏特每厘米为单位的所需电压与距离之比。根据临床方案，将脉冲次数设置为 8 次，脉冲持续时间设置为 100 微秒。然后保存 AI4DEEP 配置。

在 AI4DEEP 界面中，使用已配置的解剖结构、电导率和电极参数启动静电场计算。软件生成几何构型并求解线性静电势后，保存仿真结果及更新后的 Slicer 场景。在 AI4DEEP 界面中，选择根据仿真电场生成电场等值面的选项。

选择一系列等剂量阈值，并生成相应的三维等剂量图。在三维视图中显示单个等剂量图，以观察空间剂量场分布。该场通常在低剂量区域呈淡黄色，高剂量区域呈红色。

针对每个等剂量线，记录根据等剂量体积与肿瘤分割区域之间的重叠自动计算出的肿瘤覆盖率百分比数值。保存所有等剂量线分割结果或模型以及肿瘤覆盖率数值，以供后续分析使用。在电化学治疗后6周进行随访MRI检查，之后每两个月进行一次。

选择显示最大坏死体积或最佳影像学反应的 MRI 扫描进行分割，以反映治疗反应的异质性和延迟性。将针对治疗节段为中心的治疗后增强 T1 脂肪抑制轴向序列 MRI 导入 3D Slicer。使用先前所用的相同预定义椎体解剖标志，将 MRI 与 CTI 进行刚性配准。

应用变换。使用相同的参考标志点计算目标配准误差，并确认其小于或等于2.5毫米，以记录配准精度。创建一个名为Tumor necrosis的新分割区域。

使用画笔工具在电化学治疗后的 MRI 图像上逐层手动勾画肿瘤的非增强性坏死区域。可选择对肿瘤坏死区域进行平滑处理，以获得连续一致的体积。随后，对模拟电场分布与坏死区域进行定量比较。

平均 Dice 相似性系数在队列中呈现钟形关系。其数值在每厘米 160 至 200 伏特之间达到峰值，随着阈值升高，肿瘤覆盖范围逐渐下降。不同病例之间表现出显著异质性，最佳 Dice 值范围从 0.0156 到 0.7684，对应的最佳 Iso 值范围从每厘米 100 至 500 伏特。

一个典型的叠加图像显示了治疗后肿瘤坏死区域与200伏特/厘米等剂量体积之间的空间对应关系。一名59岁胆管癌L3椎管内转移患者在接受初始电化学治疗后，肿瘤坏死比例低于5%，且未见病情改善。通过AI4DEEP进行的回顾性模拟显示，在200伏特/厘米阈值下，肿瘤覆盖范围不足。

通过调整电极配置进行重复治疗，实现了超过90%的肿瘤覆盖，最终获得完全的影像学和临床缓解。一名67岁的透明细胞肾细胞癌患者合并L5-S1椎管内病变，在电化学治疗后出现右侧神经根性病变。AI4DEEP模拟显示，右侧S1椎间孔区域存在每厘米300伏的电场延伸，与术后MRI证实的右侧S1神经根损伤一致。

主要挑战在于为每种治疗、器官和临床场景确定相关的等剂量阈值。进一步的分析可以检验自动分割、配准不确定性以及电场阈值与剂量-效应之间的关系。未来的研究应在更大的脊柱转移瘤队列及其他电化学治疗适应证中验证这些初步发现。