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

Comment un protocole simule les champs électriques spécifiques à chaque patient pendant l'électrochimiothérapie spinale et les compare avec la mononucléose post-traitement. Les flux de travail existants valident rarement les champs électriques simulés par rapport à la réponse au traitement tridimensionnelle dans les affections métastatiques de la colonne vertébrale. Après avoir importé les données dans 3D Slicer et défini le CTI comme volume de référence, ouvrez le module d'édition de segment et créez un segment nommé os cortical.

Utilisez l'outil de seuil dans CTI pour isoler l'os cortical de haute densité. Affinez ensuite manuellement le segment à l'aide des outils de ciseaux ou de peinture selon les besoins. Créez un segment nommé Fat.

Utilisez l'outil Seuil pour sélectionner la graisse de faible densité dans l'espace péri-rénal ou sous-cutané. Ensuite, créez un segment de disque intervertébral et utilisez l'outil Peinture 3D sur les vues axiale, sagittale et coronale. Sélectionnez l'extérieur de tous les segments visibles afin de limiter la peinture aux voxels vides et d'éviter de remplacer les segments existants.

Ensuite, préparez un segment d'os spongieux pour l'os spongieux vertébral. Utilisez l'outil de peinture 3D pour remplir les compartiments trabéculaires internes, puis sélectionnez l'extérieur de tous les segments visibles comme décrit précédemment. Créez un segment intitulé Moelle épinière et utilisez l'outil de peinture 3D pour délimiter manuellement la moelle sur des coupes axiales, depuis les niveaux situés au-dessus jusqu'à ceux situés en dessous des niveaux traités.

Ensuite, définir un segment nommé liquide céphalorachidien. Utiliser l'outil de peinture 3D pour remplir l'espace du liquide céphalorachidien entourant la moelle épinière à l'intérieur de la gaine thécale, et sélectionner également l'extérieur de tous les segments visibles afin d'éviter de remplacer les segments existants. Créer des segments supplémentaires pour le ciment, les coils ou les poumons s'ils sont présents.

Utilisez l'outil de seuil pour identifier le ciment ou les coils hyperdenses et le parenchyme pulmonaire hypodense. Effectuez une correction manuelle si nécessaire. Ensuite, enregistrez la scène Slicer mise à jour.

Importez le volume d'IRM préopératoire, MRIp, dans la scène Slicer. Utilisez le module Transforms pour effectuer un recalage rigide de MRIp sur CTI en utilisant les repères osseux vertébraux au niveau traité afin de guider le recalage. Appliquez la transformation à MRIp et évaluez visuellement le co-recalage sur les plans axial et sagittal.

Acceptez l'enregistrement uniquement si l'alignement visuel et l'erreur d'enregistrement ciblée sont inférieurs à 2,5 millimètres. Ensuite, créez un nouveau segment nommé Tumeur. Utilisez l'outil de peinture sur MRIp pour délimiter manuellement l'atteinte tumorale épidurale et vertébrale au moment du point de départ.

Appliquez un lissage facultatif au segment de tumeur afin d'obtenir un volume tridimensionnel cohérent, sans lacunes. Ensuite, enregistrez la scène mise à jour de Slicer. Importez le volume de tomodensitométrie intraprocedurale avec angiographie tomodensitométrique de l'aiguille dans la scène 3D Slicer.

Utilisez le module de transformations pour la registration rigide de l'ATC sur l'ITC. Employez les mêmes repères osseux vertébraux que lors de l'étape précédente afin d'assurer un alignement correct. Lancez le module AI4DEEP et créez une aiguille virtuelle pour chaque électrode, en partant de l'extrémité de l'électrode active.

Vérifiez dans les vues axiale, coronaire et sagittale que chaque numéro d'électrode correspond précisément à une seule pointe active physique. Enregistrez la scène mise à jour contenant les structures anatomiques, la segmentation de la tumeur et l'électrogéométrie. Dans l'interface AI4DEEP, attribuez à chaque segment anatomique une classe de tissu correspondante dotée d'une conductivité électrique prédéfinie.

Définissez la conductivité tissulaire par défaut sur celle du muscle afin que tous les voxels non segmentés soient traités comme du muscle. Vérifiez dans le panneau récapitulatif AI4DEEP que chaque segment correspond au type tissulaire et à la conductivité attendus. Ensuite, enregistrez la configuration.

Dans l'interface AI4DEEP, spécifiez la longueur de la pointe active pour chaque électrode selon la procédure clinique et réglez le diamètre de l'électrode à 1,8 millimètre. Saisissez l'amplitude du champ électrique appliqué cliniquement en volts par centimètre. Ensuite, définissez les paires d'électrodes qui ont été activées pendant le traitement.

Laissez AI4DEEP calculer la tension appliquée pour chaque paire d'électrodes en fonction de la distance inter-électrode, tout en veillant à respecter le rapport tension sur distance demandé, exprimé en volts par centimètre. Réglez le nombre d'impulsions à huit et la durée de chaque impulsion à 100 microsecondes conformément au protocole clinique. Ensuite, enregistrez la configuration d'AI4DEEP.

Dans l'interface AI4DEEP, lancez le calcul du champ électrostatique en utilisant l'anatomie configurée, les conductivités et les paramètres des électrodes. Une fois que le logiciel a généré la configuration géométrique et résolu le potentiel électrostatique linéaire, enregistrez les résultats de la simulation et la scène Slicer mise à jour. Dans l'interface AI4DEEP, sélectionnez l'option permettant de générer des isosurfaces du champ électrique à partir du champ simulé.

Sélectionnez une plage de seuils d'isodose et générez les cartes tridimensionnelles d'isodose correspondantes. Affichez les cartes d'isodose individuelles dans une vue tridimensionnelle afin d'observer la distribution spatiale du champ. Le champ varie généralement du jaune pâle pour les faibles amplitudes au rouge pour les fortes amplitudes.

Pour chaque isodose, enregistrez les valeurs de pourcentage de couverture tumorale calculées automatiquement en fonction du recouvrement entre le volume de l'isodose et la segmentation de la tumeur. Sauvegardez tous les segments ou modèles d'isodose ainsi que les valeurs de couverture tumorale pour les analyses ultérieures. Réalisez une IRM de suivi six semaines après l'électrochimiothérapie, puis toutes les deux mois par la suite.

Sélectionnez la coupe IRM présentant le volume nécrotique le plus important ou la meilleure réponse radiologique pour la segmentation, afin de tenir compte d'une réponse hétérogène et retardée au traitement. Importez dans 3D Slicer la séquence axiale T1 avec suppression des graisses et rehaussement par contraste post-traitement, centrée sur les niveaux traités. Effectuez un recalage rigide des IRM sur la CTI en utilisant les mêmes repères vertébraux prédéfinis que précédemment.

Appliquer la transformation. Calculer l'erreur de registration cible à l'aide des mêmes repères de référence, et confirmer qu'elle est inférieure ou égale à 2,5 millimètres afin de documenter la précision de la registration. Créer un nouveau segment nommé Nécrose tumorale.

Utilisez l'outil de peinture pour délimiter manuellement la partie nécrotique non rehaussée de la tumeur sur les coupes IRM post-électrochimiothérapie, coupe par coupe. Appliquez un lissage facultatif au segment de nécrose tumorale afin d'obtenir un volume contigu cohérent. Ensuite, effectuez une comparaison quantitative entre le champ simulé et la nécrose.

Les coefficients moyens de similarité de Dice ont montré une relation en forme de cloche au sein de la cohorte. Les valeurs ont atteint un maximum entre 160 et 200 volts par centimètre, et la couverture tumorale a progressivement diminué à mesure que les seuils augmentaient. Une hétérogénéité marquée a été observée entre les cas, les meilleures valeurs de Dice variant de 0,0156 à 0,7684 et les valeurs correspondantes optimales d’Iso allant de 100 à 500 volts par centimètre.

Un recouvrement représentatif a montré une correspondance spatiale entre la nécrose tumorale post-traitement et le volume isodose de 200 volts par centimètre. Un patient âgé de 59 ans présentant une métastase épidurale L3 due à un cholangiocarcinome a présenté moins de 5 % de nécrose tumorale et aucune amélioration après l'électrochimiothérapie initiale. Une simulation rétrospective avec AI4DEEP a révélé une couverture tumorale insuffisante au seuil de 200 volts par centimètre.

Un traitement répété avec une configuration d'électrode ajustée a permis d'obtenir une couverture tumorale supérieure à 90 %, entraînant une réponse radiologique et clinique complète. Un patient âgé de 67 ans, atteint d'un carcinome rénal à cellules claires et d'une atteinte épidurale au niveau L5-S1, a développé une radiculopathie droite après électrochimiothérapie. La simulation AI4DEEP a montré une extension du champ électrique de 300 volts par centimètre dans le foramen S1 droit, en accord avec une lésion confirmée par IRM postopératoire de la racine nerveuse S1 droite.

Le principal défi consiste à identifier le seuil d'isodose pertinent pour chaque traitement, organe et contexte clinique. Des analyses supplémentaires peuvent évaluer la segmentation automatique, l'incertitude de recalage et les relations dose-réponse entre les seuils de champ électrique. D'autres études devraient valider ces premières découvertes dans des cohortes plus importantes de métastases vertébrales et d'autres indications de l'électrochimiothérapie.