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Article de méthode

Simulation du champ électrique spécifique au patient lors de l’électrochimiothérapie par métastase spinale

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DOI :

10.3791/71239

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31 juillet 2026

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1Department of Anesthesiology, Surgery and Interventional Radiology, Gustave Roussy, 2Interventional Radiology Department, Avicenne Hospital, 3AIMOKA : Inria, Assistance Publique Hôpitaux de Paris, Université Sorbonne Paris Nord, 4CNRS, INRIA, University of Bordeaux, 5UMR 9018 METSY, Université Paris-Saclay, CNRS, Gustave Roussy

Dans cet article

Résumé

Ce protocole décrit un flux de travail complet et reproductible pour la simulation et la validation du champ électrique spécifique au patient et de la validation de l’électrochimiothérapie (ECT) pour les métastases spinales. Le flux de travail intègre l’imagerie multimodale, la segmentation semi-automatique et manuelle, la modélisation de la conductivité tissulaire, la simulation linéaire par éléments finis du champ électrique, et la validation expérimentale via une analyse de recouvrement de nécrose basée sur IRM après la procédure.

Résumé

L’électrochimiothérapie (TEC) combine l’administration d’agents cytotoxiques avec des impulsions électriques à haute tension qui perméabilisent transitoirement les membranes cellulaires tumorales et favorisent l’absorption intracellulaire des médicaments. Cette technique peu invasive et non thermique convient particulièrement aux tumeurs situées près de structures critiques, où la chirurgie, la radiothérapie ou l’ablation thermique percutanée peuvent être limitées. Dans la colonne vertébrale, l’ECT peut soulager la douleur, la décompression neuronale et le contrôle local de la tumeur tout en préservant les structures neuronales. Cependant, sa mise en œuvre reste difficile en raison de l’anatomie vertébrale complexe, de la compréhension limitée de la distribution du champ électrique, de l’absence d’outils de planification dédiés et du risque de lésion neuronale. Ce protocole décrit un flux de travail reproductible pour la simulation spécifique du champ électrique au patient dans l’ECT spinal. L’imagerie multimodale combinant scanner et IRM permet la reconstruction de l’anatomie tumorale, vertébrale, neuronale et des tissus mous à l’aide de segmentations semi-automatiques et manuelles réalisées au sein de la plateforme open source 3D Slicer . Les conductivités tissulaires sont attribuées selon la base de données IT’IS, et des simulations linéaires par éléments finis (conductivité constante) sont réalisées avec AI4DEEP, un module 3D dédié à la trancheur, pour calculer des cartes 3D du champ électrique sur plusieurs seuils d’isodose. L’IRM de suivi avec contraste est utilisée pour la validation grâce aux coefficients de similarité de Dice comparant les volumes simulés de champs isoélectriques avec les zones tumorales nécrotiques post-ECT. Une comparaison qualitative des cartes simulées du champ électrique, de l’IRM de suivi et des résultats cliniques a été réalisée par des radiologues interventionnistes experts afin d’évaluer la capacité du logiciel à prédire les régions sous-traitées et surtraitées. Neuf procédures ECT ont été traitées pour évaluer le flux de travail. La plus grande concordance entre la nécrose simulée du champ électrique et la nécrose post-ECT a été observée dans la plage de 160 à 200 V/cm dans ce contexte clinique et numérique spécifique. Le flux de travail a également identifié les zones de traitement insuffisant ou excessif, cohérent avec le suivi clinique et par imagerie. Le flux de travail décrit pose les bases d’une planification reproductible de l’ECT, en soutenant un placement optimisé des électrodes et l’ajustement des paramètres afin d’améliorer la sécurité et l’efficacité dans les procédures complexes de l’ECT spinale.

Introduction

L’épidurite métastatique spinale est fréquente car la colonne vertébrale est le site prédominant des métastases squelettiques, représentant jusqu’à 50 % de toutes les localisationsosseuses 1,2. La présentation clinique inclut généralement une douleur intense avec une altération marquée de la qualité de vie, suivie de déficits neurologiques progressivement rapides pouvant aboutir à une paraplégie ou à une tétraplégie, selon le niveaud’implication 3,4. La radiothérapie est la norme de soins pour la compression épidurale métastatique de la moelle épinière, tandis que la chirurgie décompressive et stabilisatrice profite à certains patients présentant un état de performance adéquat et une survieespérée 5,6. La radiothérapie stéréotaxique ablative peut améliorer le contrôle local dans certains cas mais est limitée par la tolérance de la moelle épinière et la complexité de laplanification 7. La récidive ou progression locale après radiothérapie est fréquente, et la réirradiation est limitée par des contraintes de dose cumulative, ce qui entraîne souvent des impasses thérapeutiques pour les patients souffrant de douleurs persistantes ou de compromission neurologiqueprogressive 6,7. Dans ce contexte, une technique locale non thermique capable d’obtenir un soulagement de la douleur, une décompression et un contrôle tumoral près de structures neuronales critiques est nécessaire.

L’électrochimiothérapie (TEC) combine l’administration d’agents cytotoxiques, le plus souvent la bléomycine, avec de courtes impulsions électriques à haute tension qui augmentent transitoirement la perméabilité de la membrane plasmique et favorisent l’absorption intracellulairedes médicaments 8,9. L’ECT est peu invasive, non thermique et relativement sélective contre les tumeurs, et a montré des résultats encourageants pour les tumeurs cutanées, sous-cutanées et profondes situées près de structurescritiques 10,11. Une série clinique récente a rapporté un taux de réponse objective IRM de 77 % à 1 mois et de 66,5 % à 3 mois après une ECT spinale percutanée pour la compression épidurale de la moelle épidurale résistante à la radiothérapie. La douleur a également fortement diminué, le score médian de la Numeric Rating Scale passant de 7 au départ à 1 à 1 mois. Des déficits neurologiques irréversibles survenaient tout de même chez un sous-ensemble depatients 12. Ces événements mettent en lumière le rôle central de la distribution du champ électrique : de petits changements dans la géométrie des électrodes ou les propriétés tissulaires peuvent modifier de manière marquée le volume traité, exposant les patients à la fois à un sous-traitement et à un surtraitement13,14. Des études numériques suggèrent que la modélisation spécifique au patient peut optimiser le placement des électrodes et améliorer la couverture des tumeurs vertébrales tout en limitant l’exposition des structuresneuronales 15,16.

Plusieurs cadres de planification de la recherche ont été proposés pour les thérapies d’électroporation, mais la mise en œuvre clinique de routine reste limitée par les exigences de maillage et de paramètres et le temps de calcul 17,18,19,20,21. Des travaux récents de Sutter et Poignard soutiennent un flux de travail de simulation péri-procédural, piloté par imagerie, compatible avec les contraintes cliniques, et montrent qu’une couverture isodose incomplète du champ électrique est correctement corrélée à une défaillance locale aprèsIRE 22,23. Ce protocole s’appuie sur le même cadre de simulation.

L’objectif de cet article est donc de fournir un flux de travail reproductible et spécifique au patient pour la modélisation et la validation du champ électrique dans l’ECT spinal, basé sur de réels ensembles de données d’imagerie clinique et des configurations d’électrodes fournies. Dans sa forme actuelle, ce flux de travail est mieux adapté à la planification pré-procédurale visant à optimiser le positionnement des électrodes, car les temps de segmentation et de préparation du modèle restent une limite pour l’ajustement intra-procédural de routine. Il est conçu comme un cadre méthodologique plutôt qu’une étude d’efficacité basée sur des hypothèses et est conçu pour les équipes d’oncologie interventionnelle et de colonne vertébrale qui réalisent déjà ou planifient une TEC guidée par scanner percutané dans les métastases épidurales et autres contextes anatomiquement complexes.

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Protocole

Cette étude rétrospective a été réalisée conformément au comité d’éthique institutionnelle (IRB 2025-566) et a respecté la réglementation nationale applicable. Toutes les données d’imagerie ont été anonymisées avant l’analyse, et l’exigence de consentement éclairé a été levée en raison de la conception rétrospective et de l’utilisation des données désidentifiées. Les équipements et les logiciels utilisés sont listés dans le tableau des matériaux.

1. Importation de données et préparation de scènes

  1. Importez toutes les séries DICOM anonymisées dans 3D Slicer (disponible à https://download.slicer.org/) et attribuez des noms explicites à chaque volume : « MRIp » (IRM pré-procédurale), « CTi » (CT initial de planification intra-procédurale), « CTa » (CT intra-procédurale avec aiguilles en place) et « IRM » (IRM post-procédurale).
  2. Définir « CTi » comme volume de référence pour toutes les segmentations et enregistrements ultérieurs.
  3. Créez un nouveau nœud de segmentation dans 3D Slicer et liez-le à « CTi » comme « volume source ».
  4. Sauvegardez la scène Slicer comme fichier de base du projet pour permettre la récupération et les modifications futures.
    REMARQUE : La standardisation de la taille des voxels n’est pas requise et peut être omise si la résolution native de l’image est adéquate.

2. Segmentation anatomique lors du CT initial (CTi)

  1. Ouvrez le module Éditeur de segments et créez un segment nommé « os cortical ». Utilisez l’outil « Seuil » sur « CTi » pour isoler l’os cortical à haute densité, puis affinez manuellement le segment à l’aide de ciseaux ou d’outils de peinture si nécessaire.
  2. Créez un segment nommé « Fat ». Utilisez l’outil Seuil pour sélectionner la graisse de faible densité, par exemple dans l’espace périrénal ou sous-cutané.
  3. Créez un segment nommé « Disque intervertébral ». Utilisez l’outil 3D Paint sur les vues axiale, sagittale et coronale, et vérifiez Paint à l’extérieur des segments existants, en veillant à ce que la peinture soit limitée aux voxels vides afin d’éviter d’écraser les segments existants.
  4. Créez un segment nommé « os cancelleux » pour l’os cancelleux vertébral. Utilisez l’outil de peinture 3D pour remplir les compartiments trabéculaires internes, et vérifiez la peinture à l’extérieur des segments existants comme décrit ci-dessus.
  5. Créez un segment nommé « Moelle épinière ». Utilisez l’outil de peinture 3D pour contourner manuellement la corde sur les tranches axiales de haut vers en dessous des niveaux traités.
  6. Créez un segment nommé « Liquide cérébro-rachidien ». Utilisez l’outil de peinture 3D pour remplir l’espace du liquide céphalo-rachidien entourant la moelle épinière dans le sac thécal, tout en vérifiant également la peinture à l’extérieur des segments existants.
  7. Créez des segments supplémentaires pour le ciment, les ressorts ou les poumons s’ils sont présents. Utilisez l’outil Threshold pour identifier le ciment ou les spirales hyperdenses et le parenchyme pulmonaire hypodense, suivi d’une correction manuelle si nécessaire.
  8. Sauvegardez la scène mise à jour du Slicer.
    REMARQUE : Les voxels de fond non explicitement attribués à un segment sont ensuite traités comme des tissus « musculeux » en AI4DEEP (conductivité par défaut).

3. Fusion IRM et segmentation tumorale

  1. Importez le volume IRM pré-procédural « MRIp » dans la scène du slicer.
  2. Utilisez le module Transforms pour effectuer un enregistrement rigide de « MRIp » sur « CTi », en utilisant des repères osseux vertébraux au niveau traité. L’enregistrement est guidé par quatre repères prédéfinis : la pointe du processus épineux et la pointe d’un processus transversal sur le plan axial, ainsi que la pointe du processus épineux et la marge corticale antérieure du corps vertébral sur le plan sagittal. Comme le cortex vertébral postérieur est souvent altéré par une maladie lytique, il ne doit pas être utilisé comme repère principal.
  3. Appliquez la transformation à l'« IRM » et évaluez visuellement la co-enregistrement dans les plans axial et sagittal. L’erreur d’enregistrement de la cible (TRE) est définie comme la distance moyenne dans le plan, en millimètres, entre les repères correspondants de la TC et de l’IRM aux points de référence axial et sagittal prédéfinis. Accepter l’enregistrement uniquement si l’alignement visuel et le TRE sont inférieurs à 2,5 mm ; Sinon, répétez l’enregistrement.
  4. Créez un nouveau segment nommé « Tumeur » et utilisez l’outil Peinture sur « IRM » (ou sur « CTi » lorsque l’épidurite est bien observée) pour délimiter manuellement l’atteinte épidurale et la tumeur vertébrale au départ.
  5. Appliquez un lissage optionnel au segment « Tumeur » pour obtenir un volume 3D cohérent sans interruptions.
  6. Sauvegardez la scène mise à jour du Slicer.
    REMARQUE : On peut mettre le protocole en pause ici et reprendre plus tard à partir de cette étape.

4. CT avec fusion à aiguille et définition d’électrodes en AI4DEEP

  1. Importez le scanner intra-procédural avec aiguilles, « CTa », dans 3D Slicer.
  2. Utilisez le module Transforms pour effectuer un enregistrement rigide de « CTa » sur « CTi » en utilisant les mêmes repères osseux vertébraux que ci-dessus.
    REMARQUE : Dans ce flux de travail, le « CTi » et le « CTa » sont obtenus sous anesthésie générale sans mobilisation du patient entre le scan initial et le placement de l’électrode, de sorte que l’alignement CT-to-CT est généralement déjà proche de l’optimal et ne nécessite aucun ajustement manuel. Le TRE n’est donc pas applicable. Avec les réglages de fenêtre en os, les artefacts métalliques générés par les électrodes ne gênent pas la visualisation des repères vertébraux utilisés pour l’enregistrement.
  3. Lancez le module AI4DEEP et créez une aiguille virtuelle pour chaque électrode, en partant de la pointe active de l’électrode.
  4. Vérifiez en vues axiale, coronale et sagittale que chaque « Electrode_n » correspond précisément à une seule pointe physique active.
    REMARQUE : La qualité de la structure anatomique globale et de la segmentation des électrodes, ainsi que la correspondance avec les électrodes physiques, sont validées à l’extérieur par un radiologue interventionnel expert qui n’a pas participé au processus de segmentation. Si la segmentation est jugée insatisfaisante, elle est révisée en conséquence.
  5. Sauvegardez la scène mise à jour contenant les structures anatomiques, la segmentation tumorale et la géométrie des électrodes.
    REMARQUE : La longueur exacte de la pointe active est spécifiée plus tard dans AI4DEEP lors de la configuration des paramètres ECT et n’a pas besoin d’être encodée à ce stade.

5. Affectation de conductivité dans AI4DEEP

  1. À l’interface AI4DEEP, assigner chaque segment anatomique à une classe tissulaire correspondante avec une conductivité électrique prédéfinie (par exemple : tumeur, os cortical, os cancelleux, liquide céphalo-rachidien, graisse épidurale, disque intervertébrale, moelle épinière, ciment, poumon) comme indiqué dans le tableau 1.
  2. Réglez le tissu de fond par défaut sur la conductivité « musculaire » afin que tous les voxels non segmentés soient traités comme des muscles.
  3. Confirmez dans le panneau de résumé AI4DEEP que chaque segment est mappé au type de tissu et à la conductivité attendus, puis enregistrez la configuration.
    REMARQUE : Les valeurs de conductivité sont dérivées de la base de données IT’IS et utilisées comme conductivités fixes (linéaires) pour toutes lessimulations 24.

6. Caractéristiques de la pouls et de l’aiguille

  1. En AI4DEEP, spécifiez la longueur active de la pointe pour chaque électrode (par exemple, 20 mm, 30 mm ou 40 mm) selon la procédure clinique. Le diamètre de l’électrode était de 1,8 mm.
  2. Voici l’amplitude du champ électrique appliquée cliniquement en V/cm (par exemple, 500 V/cm, 600 V/cm ou 1000 V/cm).
  3. Définissez les paires d’électrodes qui ont été activées pendant le traitement.
  4. Soit AI4DEEP calculer la tension appliquée pour chaque paire d’électrodes en fonction de la distance inter-électrodes, en veillant à ce que le rapport tension/distance demandé en V/cm soit respecté.
  5. Réglez le nombre d’impulsions (8) et la durée de l’impulsion (100 μs) selon le protocole clinique.
  6. Sauvegardez la configuration AI4DEEP.
    REMARQUE : La tension est saisie sous forme de rapport tension/distance en V/cm ; AI4DEEP convertit automatiquement cette valeur en une tension absolue pour chaque paire d’électrodes.

7. Simulation du champ électrique

  1. En AI4DEEP, commencez le calcul du champ électrostatique en utilisant les paramètres d’anatomie, de conductivités et d’électrodes configurés.
  2. Permettre au logiciel de générer automatiquement la configuration géométrique et de résoudre le potentiel électrostatique linéaire en utilisant des méthodes de différences finies non ajustées de haut ordre sur l’imagemédicale 25.
    REMARQUE : Sur un poste de travail typique (par exemple, Windows 11, 16 Go de RAM), le traitement prend environ 5 minutes par cas.
  3. Sauvegardez la sortie de la simulation et la scène Slicer mise à jour.
    REMARQUE : Il est possible de mettre le protocole en pause ici après la simulation et de reprendre plus tard pour l’analyse et la validation des isodoses.

8. Visualisation des isodoses et couverture tumorale

  1. En AI4DEEP, sélectionnez l’option pour générer des isosurfaces du champ électrique (volumes isodosés) à partir du champ simulé.
  2. Sélectionnez une plage de seuils d’isodose (par exemple, 50 V/cm, 100 V/cm, 120 V/cm, 140 V/cm, 160 V/cm, 180 V/cm, 200 V/cm, 220 V/cm, 240 V/cm, 260 V/cm, 300 V/cm, 400 V/cm, 500 et 600 V/cm) et générez les cartes isodose 3D correspondantes.
  3. Affichez des cartes isodose individuelles en vue 3D pour observer la distribution spatiale du champ, généralement allant du jaune pâle à faible amplitude de champ au rouge à des amplitudes de champ élevées, comme montré à la Figure 1.
  4. Pour chaque isodose, notez automatiquement le pourcentage de valeurs de couverture tumorale calculé par AI4DEEP en fonction du chevauchement entre le volume isodose et la segmentation « tumeur ».
  5. Conservez tous les segments ou modèles d’isodose ainsi que les valeurs de couverture tumorale pour une analyse ultérieure.

9. Sélection, importation et segmentation de nécrose post-procédurale IRM

  1. Des IRM de suivi ont été réalisées 6 semaines après l’ECT et tous les deux mois par la suite. L’IRM montrant le plus grand volume nécrotique ou la meilleure réponse radiologique a été sélectionnée pour la segmentation. Ce choix a été fait pour tenir compte du temps hétérogène et retardé avant la réponse après l’ECT, qui peut varier selon l’histologie tumorale et le taux de prolifération.
  2. Importez la séquence axiale T1 supprimée par la graisse améliorée par contraste post-traitement, centrée sur les niveaux traités « IRM », dans 3D Slicer.
  3. Effectuer un enregistrement rigide des « IRM » sur le « CTi » en utilisant les mêmes repères vertébraux prédéfinis que ceux utilisés pour l’enregistrement pré-procédural IRM, puis appliquer la transformation. La précision de l’enregistrement est documentée en calculant le TRE à partir de ces mêmes repères de référence avec le même seuil de ≤2,5 mm.
  4. Créer un nouveau segment nommé « nécrose tumorale » et délimiter manuellement la partie nécrotique non valorisante de la tumeur lors de l’IRM post-ECT, tranche par tranche.
  5. Lorsque plusieurs IRM de suivi sont disponibles, sélectionnez l’examen démontrant le plus grand volume nécrotique ou la meilleure réponse radiologique et utilisez cet ensemble de données pour la segmentation.
  6. Appliquez un lissage optionnel à la « nécrose tumorale » pour obtenir un volume cohérent et contigu.
  7. Dans les cas de réponse radiologique complète après l’ECT, le segment « tumeur » pré-traitement peut être dupliqué et renommé « nécrose tumorale » afin de réduire le temps de segmentation manuelle. Dans 3D Slicer, utilisez le module Segmentations , sélectionnez « Copier/déplacer segments », dupliquez le segment « Tumeur » dans le même nœud de segmentation, renommez-le « Nécrose tumorale », et confirmez visuellement son adéquation lors de l’IRM post-ECT.
  8. Effectuer une validation externe de la segmentation de la nécrose par un radiologue interventionnel non impliqué dans la segmentation.
  9. Sauvegardez la scène du Slicer avec le segment de nécrose.
    REMARQUE : On peut mettre le protocole en pause ici et reprendre plus tard pour une comparaison quantitative.

10. Comparaison quantitative entre champ simulé et nécrose (analyse de dés)

  1. Ouvrez le module de comparaison de segments dans 3D Slicer.
  2. Sélectionnez la nécrose tumorale comme segment de référence et un volume isodose (par exemple, l’isodose de 200 V/cm) comme segment de comparaison.
  3. Calculez le coefficient de similarité de Dice entre la « nécrose tumorale » et le volume isodose sélectionné et enregistrez la valeur. Tous les coefficients de similarité de Dice ont été calculés sur des volumes complets de segments 3D plutôt que sur une base tranche par tranche (2D).
  4. Répétez l’analyse sur tous les niveaux d’isodose pertinents d’intérêt pour obtenir les coefficients de dés sur toute la plage de seuils.
  5. Identifier l’isodose donnant le coefficient de dé le plus élevé (« Meilleur ISO ») et la valeur maximale correspondante (« Meilleurs dés »).
  6. Exportez les coefficients de Dice, le meilleur ISO, les valeurs de couverture des meilleurs dés et les valeurs de couverture des tumeurs vers un tableur ou un logiciel statistique pour une analyse approfondie.
  7. Sauvegardez la scène finale du Slicer et tous les résultats quantitatifs exportés.

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Résultats

Le flux de travail a été appliqué avec succès à neuf procédures d’électrochimiothérapie (ECT) réalisées pour l’épidurite métastatique spinale. Un modèle prédictif de champ électrique spécifique au patient a été généré pour tous les cas, confirmant que le protocole complet est réalisable et reproductible à travers différentes configurations anatomiques. Un enregistrement rigide entre CTi et IRM, ainsi qu’entre CTi et IRM, a été réalisé dans tous les cas, avec des TR moyens de 1,8 mm ± 0,6...

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Discussion

Ce protocole offre un flux de travail reproductible pour la simulation du champ électrique spécifique au patient dans l’ECT spinal. Plusieurs étapes méthodologiques sont cruciales pour obtenir des prédictions précises et cliniquement interprétables. Une segmentation tumorale précise est essentielle, car la maladie épidurale est souvent mal visualisée sur un scanner intra-procédural sans contraste. La fusion de l’IRM pré-procédurale et post-procédurale est donc essentielle pour une délimi...

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Remerciements

Nous remercions les patients pour leur confiance et leur participation à cette étude. Leur contribution a rendu possible cette recherche. Les membres de l’AIMOKA et du MONC (CP, OSe, OSu, LL et BDS) ont été partiellement financés par le Plan Cancer MECI PC MECI 21CM119 00, l’Institut National du Cancer (INCa) (PLBIO n°2023-156), ainsi que les projets ANR IMITATE (ANR-22-CE51-0043) et MIRE4VTACH (ANR-22-CE45-0014). L’équipe de recherche AIMOKA est hébergée par le laboratoire Bernoulli entre AP-HP et Inria.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
3D Slicer3D Slicer (open-source)N/AVersion 5.6.2.
Module AI4DEEP (extension de 3D Slicer)AI4DEEPN/AModule de simulation de champ électrique utilisé au sein de 3D Slicer.
Cliniporator VITAEIGEAIG0012AGénérateur d'impulsions utilisé pour l'électrochimiothérapie
Suite d'angiographie hybride angio-CT (Alphenix 4D CT + Aquilion ONE)Canon Medical SystemsTSX-305ASystème d'angiographie intégré (Alphenix) et scanner CT (Aquilion ONE) dans une seule pièce ; utilisé pour l'imagerie CT intraprocédurale et la guidance procédurale.
Électrodes à aiguille droites "VGD"IGEAIG0E726Longueur active : 20 mm / 30 mm / 40 mm (sélectionner selon la taille et l'anatomie de la cible).
Station de travailDellN/AStation de travail Dell, intelVPro ISM, Windows 11 - 16 GB RAM ; utilisée pour le traitement d'images et les simulations.

Références

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