Patientenspezifische Elektrofeldsimulation bei Spinalmetastasen Elektrochemotherapie

Wie ein Protokoll patientenspezifische elektrische Felder während der spinalen Elektrochemotherapie simuliert und diese mit der posttherapeutischen Mononukleose vergleicht. Bestehende Arbeitsabläufe validieren simulierte elektrische Felder selten anhand der dreidimensionalen Behandlungsreaktion bei spinalen Metastasen. Nachdem die Daten in den 3D Slicer importiert und der CTI als Referenzvolumen festgelegt wurde, öffnen Sie das Segment-Editor-Modul und erstellen Sie ein Segment mit dem Namen kortikales Knochengewebe.

Verwenden Sie das Schwellenwert-Tool in CTI, um kortikales Knochengewebe mit hoher Dichte zu isolieren. Verfeinern Sie das Segment anschließend manuell nach Bedarf mit den Scheren- oder Pinselwerkzeugen. Erstellen Sie ein Segment mit dem Namen Fat.

Verwenden Sie das Schwellenwert-Werkzeug, um Fett mit geringer Dichte im perirenalen oder subkutanen Bereich auszuwählen. Erstellen Sie anschließend ein Segment der Bandscheibe und nutzen Sie das 3D-Mal-Werkzeug in axialen, sagittalen und koronalen Ansichten. Wählen Sie außerhalb aller sichtbaren Segmente, um die Markierung auf leere Voxel zu beschränken und zu verhindern, dass vorhandene Segmente überschrieben werden.

Danach ein Spongiosa-Knochensegment für die Wirbelsäulen-Spongiosa anlegen. Mit dem 3D-Malwerkzeug die inneren trabekulären Kompartimente ausfüllen und außerhalb aller sichtbaren Segmente wie zuvor beschrieben auswählen. Ein Segment mit der Bezeichnung Rückenmark erstellen und mit dem 3D-Malwerkzeug das Rückenmark manuell auf axialen Schichten von oberhalb bis unterhalb der behandelten Ebenen umzeichnen.

Definieren Sie als Nächstes ein Segment namens Liquor cerebrospinalis. Verwenden Sie das 3D-Malwerkzeug, um den Liquorraum um das Rückenmark innerhalb des harten Rückenmarks (thekalen Sack) auszufüllen, und wählen Sie außerdem außerhalb aller sichtbaren Segmente, um bereits vorhandene Segmente nicht zu überschreiben. Erstellen Sie zusätzliche Segmente für Zement, Spulen oder Lunge, falls vorhanden.

Verwenden Sie das Schwellenwert-Tool, um hyperdichte Zementverbindungen oder Spulen sowie hypodichtes Lungenparenchym zu identifizieren. Führen Sie manuelle Korrekturen nach Bedarf durch. Speichern Sie anschließend die aktualisierte Slicer-Szene.

Importieren Sie das präprozedurale MRT-Volumen, MRIp, in die Slicer-Szene. Verwenden Sie das Modul „Transforms“, um eine starre Registrierung von MRIp auf CTI unter Verwendung ossärer Wirbelsäulenmerkmale auf der behandelten Ebene zur Steuerung der Registrierung durchzuführen. Wenden Sie die Transformation auf MRIp an und bewerten Sie die Koregistrierung visuell in axialen und sagittalen Ebenen.

Genehmigen Sie die Registrierung nur, wenn die visuelle Ausrichtung und der Target-Registration-Fehler weniger als 2,5 Millimeter betragen. Erstellen Sie anschließend ein neues Segment mit dem Namen Tumor. Verwenden Sie das Malwerkzeug auf MRIp, um epidurale und vertebrale Tumorinfiltrationen zum Zeitpunkt der Basislinie manuell abzugrenzen.

Wenden Sie optional eine Glättung des Tumorsegments an, um ein zusammenhängendes dreidimensionales Volumen ohne Lücken zu erhalten. Speichern Sie die aktualisierte Slicer-Szene. Importieren Sie das intraprozedurale Computertomographie-Volumen mit Nadel-CTA in die 3D-Slicer-Szene.

Nutzen Sie das Transformationsmodul für die starre Registrierung der CTA auf die CTI. Verwenden Sie dieselben knöchernen Wirbelsäulenmerkmale wie im vorherigen Schritt, um eine korrekte Ausrichtung sicherzustellen. Starten Sie das AI4DEEP-Modul und erstellen Sie eine virtuelle Nadel für jede Elektrode, ausgehend von der aktiven Elektrodenspitze.

Überprüfen Sie in axialer, koronaler und sagittaler Ansicht, ob jede Elektrodennummer genau mit einer einzelnen physischen aktiven Spitze übereinstimmt. Speichern Sie die aktualisierte Szene, die anatomische Strukturen, Tumorsegmentierung und Elektrogeometrie enthält. Weisen Sie in der AI4DEEP-Schnittstelle jedem anatomischen Segment eine entsprechende Gewebeklasse mit vordefinierter elektrischer Leitfähigkeit zu.

Legen Sie die Standard-Hintergrundgewebeleitfähigkeit auf Muskel fest, sodass alle nicht segmentierten Voxel als Muskel behandelt werden. Überprüfen Sie im Zusammenfassungsfeld AI4DEEP, ob jedes Segment mit dem erwarteten Gewebetyp und der entsprechenden Leitfähigkeit übereinstimmt. Speichern Sie anschließend die Konfiguration.

Geben Sie in der AI4DEEP-Schnittstelle die aktive Nadellänge für jede Elektrode gemäß dem klinischen Verfahren an, und stellen Sie den Elektrodendurchmesser auf 1,8 Millimeter ein. Geben Sie die klinisch angewandte elektrische Feldamplitude in Volt pro Zentimeter ein. Definieren Sie anschließend die Elektrodenpaare, die während der Behandlung aktiviert wurden.

Lassen Sie AI4DEEP die angelegte Spannung für jedes Elektrodenpaar basierend auf dem Elektrodenabstand berechnen, wobei sichergestellt wird, dass das geforderte Verhältnis von Spannung zu Abstand in Volt pro Zentimeter eingehalten wird. Stellen Sie gemäß dem klinischen Protokoll die Anzahl der Impulse auf acht und die Impulsdauer auf 100 Mikrosekunden ein. Speichern Sie anschließend die AI4DEEP-Konfiguration.

Starten Sie in der AI4DEEP-Schnittstelle die Berechnung des elektrostatischen Feldes unter Verwendung der konfigurierten Anatomie, Leitfähigkeiten und Elektrodenparameter. Sobald die Software die geometrische Konfiguration generiert und das lineare elektrostatische Potential gelöst hat, speichern Sie die Simulationsergebnisse und die aktualisierte Slicer-Szene. Wählen Sie in der AI4DEEP-Schnittstelle die Option, elektrische Feld-Isoflächen aus dem simulierten Feld zu generieren.

Wählen Sie einen Bereich von Isodosis-Schwellenwerten aus und erzeugen Sie die entsprechenden dreidimensionalen Isodosis-Karten. Zeigen Sie einzelne Isodosis-Karten in einer dreidimensionalen Ansicht an, um die räumliche Feldverteilung zu beobachten. Das Feld reicht typischerweise von blassgelb bei niedrigen Amplituden bis hin zu rot bei hohen Amplituden.

Notieren Sie für jede Isodosis den Prozentsatz der Tumorbegrenzungswerte, die automatisch basierend auf der Überlappung zwischen dem Isodosisvolumen und der Tumorsegmentierung berechnet wurden. Speichern Sie alle Isodosissegmente oder -modelle sowie die Werte zur Tumorbegrenzung für die anschließende Analyse. Führen Sie eine MRT-Follow-up-Untersuchung sechs Wochen nach der Elektrochemotherapie und danach alle zwei Monate durch.

Wählen Sie die MRT-Aufnahme mit dem größten nekrotischen Volumen oder der besten radiologischen Antwort für die Segmentierung aus, um eine heterogene und verzögerte Behandlungsreaktion zu berücksichtigen. Importieren Sie die kontrastverstärkte T1-gewichtete, fettunterdrückte axiale Sequenz nach der Behandlung, zentriert auf die behandelten Wirbelebenen, in die MRT in 3D Slicer. Führen Sie eine starre Registrierung der MRT-Bilder auf CTI unter Verwendung derselben zuvor festgelegten Wirbelsäulenmarken durch.

Wenden Sie die Transformation an. Berechnen Sie den Target Registration Error mithilfe der gleichen Referenzlandmarken und bestätigen Sie, dass er kleiner oder gleich 2,5 Millimetern ist, um die Registrierungsgenauigkeit zu dokumentieren. Erstellen Sie ein neues Segment mit dem Namen Tumornekrose.

Verwenden Sie das Pinselwerkzeug, um den nicht verstärkten nekrotischen Tumoranteil auf den MRT-Aufnahmen nach der Elektrochemotherapie schichtweise manuell abzugrenzen. Wenden Sie gegebenenfalls eine Glättung auf das Nekrose-Segment des Tumors an, um ein zusammenhängendes Volumen zu erhalten. Führen Sie anschließend einen quantitativen Vergleich zwischen dem simulierten Feld und der Nekrose durch.

Die mittleren Dice-Ähnlichkeitskoeffizienten zeigten im gesamten Kollektiv einen glockenförmigen Verlauf. Die Werte erreichten ihren Höhepunkt zwischen 160 und 200 Volt pro Zentimeter, und die Tumorausdehnung nahm allmählich ab, während die Schwellenwerte anstiegen. Zwischen den Einzelfällen wurde eine deutliche Heterogenität beobachtet, wobei die besten Dice-Werte von 0,0156 bis 0,7684 reichten und die entsprechenden besten Iso-Werte zwischen 100 und 500 Volt pro Zentimeter lagen.

Eine repräsentative Überlagerung zeigte eine räumliche Übereinstimmung zwischen der Tumornekrose nach der Behandlung und dem Isodosisvolumen von 200 Volt pro Zentimeter. Ein 59-jähriger Patient mit epiduraler Metastase im L3-Bereich aufgrund eines Cholangiokarzinoms wies weniger als 5 % Tumornekrose und keine Besserung nach der initialen Elektrochemotherapie auf. Eine retrospektive Simulation mit AI4DEEP zeigte eine unzureichende Tumorausdehnung bei der Schwelle von 200 Volt pro Zentimeter.

Eine erneute Behandlung mit angepasster Elektrodenkonfiguration erreichte eine Tumorbewachung von über 90 % und führte zu einer kompletten radiologischen und klinischen Remission. Ein 67-jähriger Patient mit klaren Zell-Nierenzellkarzinom und epiduraler Läsion im Bereich L5-S1 entwickelte nach einer Elektrochemotherapie eine rechtsseitige Radikulopathie. Die AI4DEEP-Simulation zeigte eine Feldausbreitung von 300 Volt pro Zentimeter in das rechte S1-Foramen, was mit einer postoperativ mithilfe der MRT bestätigten Verletzung der rechten S1-Nervenwurzel übereinstimmt.

Die Hauptaufgabe besteht darin, den relevanten Isodosis-Schwellenwert für jede Behandlung, jedes Organ und jeden klinischen Kontext zu identifizieren. Zusätzliche Analysen können die automatische Segmentierung, die Registrierungsunsicherheit sowie die Dosis-Wirkungs-Beziehungen zwischen elektrischen Feldschwellenwerten überprüfen. Weitere Studien sollten diese vorläufigen Ergebnisse in größeren Kohorten mit spinalen Metastasen sowie bei anderen Indikationen der Elektrochemotherapie validieren.