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Articolo metodologico

Simulazione del campo elettrico specifico per paziente nell'elettrochemioterapia per metastasi spinale

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DOI:

10.3791/71239

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31 luglio 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

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo descrive un flusso di lavoro completo e riproducibile per la simulazione e validazione specifica del campo elettrico per paziente (ECT) per la metastasi spinale. Il flusso di lavoro integra imaging multimodale, segmentazione semiautomatica e manuale, modellazione della conducibilità tissutale, simulazione lineare a elementi finiti del campo elettrico e validazione sperimentale tramite analisi di sovrapposizione di necrosi basata su risonanza magnetica post-procedura.

Abstract

L'elettrochemioterapia (ECT) combina la somministrazione di agenti citotossici con impulsi elettrici ad alta tensione che permeabilizzano transitoriamente le membrane cellulari tumorali e aumentano l'assorbimento intracellulare dei farmaci. Questa tecnica minimamente invasiva e non termica è particolarmente adatta per tumori situati vicino a strutture critiche, dove chirurgia, radioterapia o ablazione termica percutanea possono essere limitate. Nella colonna vertebrale, l'ECT può fornire sollievo dal dolore, decompressione neurale e controllo locale del tumore preservando al contempo le strutture neurali. Tuttavia, la sua implementazione rimane difficile a causa dell'anatomia vertebrale complessa, della limitata comprensione della distribuzione del campo elettrico, dell'assenza di strumenti di pianificazione dedicati e del rischio di lesioni neurali. Questo protocollo descrive un flusso di lavoro riproducibile per la simulazione del campo elettrico specifico per paziente nell'ECT spinale. L'imaging multimodale che combina TAC e risonanza magnetica consente la ricostruzione dell'anatomia tumorale, vertebrale, neurale e dei tessuti molli utilizzando segmentazioni semiautomatiche e manuali eseguite all'interno della piattaforma open-source 3D Slicer . Le conducibilità tissutale sono assegnate secondo il database IT'IS, e simulazioni lineari agli elementi finiti (conducibilità costante) vengono eseguite con AI4DEEP, un modulo dedicato a Slicer 3D, per calcolare mappe di campo elettrico 3D su più soglie isodosiche. La risonanza magnetica di follow-up con contrasto aumentata viene utilizzata per la validazione tramite i coefficienti di somiglianza di Dice confrontando volumi simulati di campo isoelettrico con aree tumorali necrotiche post-ECT. Un confronto qualitativo tra mappe di campo elettrico simulate, risonanza magnetica di follow-up ed esiti clinici è stato effettuato da esperti radiologi interventisti per valutare la capacità del software di prevedere regioni sottotrattate e sovratrattate. Nove procedure ECT sono state elaborate per valutare il flusso di lavoro. La massima concordanza tra campo elettrico simulato e necrosi post-ECT è stata osservata nell'intervallo 160–200 V/cm in questo contesto clinico e numerico specifico. Il flusso di lavoro ha inoltre identificato aree di trattamento insufficiente o eccessivo, coerenti con il follow-up clinico e di imaging. Il flusso di lavoro descritto getta le basi per la pianificazione dell'ECT riproducibile, supportando l'ottimizzazione della posizionamento degli elettrodi e la regolazione dei parametri per migliorare la sicurezza e l'efficacia nelle complesse procedure ECT spinali.

Introduzione

L'epidurite metastatica spinale è frequente perché la colonna vertebrale è il sito predominante delle metastasi scheletriche, rappresentando fino al 50% di tutte le localizzazioniossee 1,2. La presentazione clinica include tipicamente dolore intenso con un marcato deterioramento della qualità della vita, seguito da deficit neurologici progressivi che possono portare a paraplegia o tetraplegia, a seconda del livello dicoinvolgimento 3,4. La radioterapia è lo standard di cura per la compressione epidurale metastatica del midollo spinale, mentre la chirurgia decompressiva e stabilizzante beneficia pazienti selezionati con uno stato di performance adeguato e una sopravvivenzaattesa 5,6. La radioterapia ablativa stereotassica può migliorare il controllo locale in alcuni casi, ma è limitata dalla tolleranza del midollo spinale e dalla complessitàdella pianificazione 7. La recidiva o progressione locale dopo la radioterapia è frequente e la riirradiazione è limitata da vincoli cumulativi di dose, spesso portando a vicoli ciechi terapeutici per pazienti con dolore persistente o compromessa neurologicaprogressiva 6,7. In questo contesto, è necessaria una tecnica locale non termica in grado di ottenere sollievo dal dolore, decompressione e controllo tumorale vicino a strutture neurali critiche.

L'elettrochemioterapia (ECT) combina la somministrazione di agenti citotossici, più comunemente la bleomicina, con brevi impulsi elettrici ad alta tensione che aumentano temporaneamente la permeabilità della membrana plasmatica e favoriscono l'assorbimento intracellulare dei farmaci 8,9. L'ECT è minimamente invasiva, non termica e relativamente selettiva per tumori, e ha mostrato risultati incoraggianti per tumori cutanei, sottocutanei e profondi situati vicino a strutturecritiche 10,11. Una recente serie clinica ha riportato un tasso di risposta oggettiva per risonanza magnetica del 77% a 1 mese e del 66,5% a 3 mesi dopo l'ECT spinale percutanea per compressione epidurale del midollo spinale resistente alla radioterapia. Anche il dolore è diminuito notevolmente, con il punteggio mediano della Numeric Rating Scale che è sceso da 7 al punto di partenza a 1 al mese di 1 mese. Deficit neurologici irreversibili si sono comunque verificati in un sottoinsieme deipazienti 12. Questi eventi evidenziano il ruolo centrale della distribuzione del campo elettrico: piccoli cambiamenti nella geometria degli elettrodi o nelle proprietà tissutali possono alterare notevolmente il volume trattato, esponendo i pazienti sia a sottotrattamento che a sovratrattamento13,14. Studi numerici suggeriscono che la modellazione specifica per paziente può ottimizzare il posizionamento degli elettrodi e migliorare la copertura dei tumori vertebrali, limitando l'esposizione delle struttureneurali 15,16.

Sono stati proposti diversi quadri di pianificazione della ricerca per le terapie di elettroporazione, ma l'implementazione clinica di routine rimane limitata dai requisiti di mesh/parametri e dai tempi di calcolo 17,18,19,20,21. Lavori recenti di Sutter e Poignard supportano un flusso di lavoro di simulazione peri-procedurale guidato dall'imaging, compatibile con i vincoli clinici, e dimostrano che una copertura isodose incompleta del campo elettrico correla accuratamente con un guasto locale dopoIRE 22,23. Questo protocollo si basa sullo stesso framework di simulazione.

L'obiettivo di questo articolo è quindi fornire un flusso di lavoro riproducibile e specifico per il paziente per la modellazione e la validazione del campo elettrico nell'ECT spinale, basato su dataset di imaging clinico reali e configurazioni di elettrodi forniti. Nella sua forma attuale, questo flusso di lavoro è più adatto per la pianificazione pre-procedurale per ottimizzare la posizione degli elettrodi, poiché i tempi di segmentazione e preparazione del modello rimangono un limite per l'aggiustamento intra-procedurale di routine. È inteso come un quadro metodologico piuttosto che uno studio di efficacia guidato da ipotesi ed è pensato per team di oncologia interventistica e colonna vertebrale che già eseguono o pianificano ECT guidata da TC percutanea in metastasi epidurali e altri contesti anatomicamente complessi.

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Protocollo

Questo studio retrospettivo è stato condotto in conformità con il comitato etico istituzionale (IRB 2025-566) e ha rispettato le normative nazionali applicabili. Tutti i dati di imaging sono stati anonimizzati prima dell'analisi e il requisito del consenso informato è stato revocato a causa della progettazione retrospettiva e dell'uso dei dati de-identificativi. Le attrezzature e il software utilizzati sono elencati nella Tabella dei Materiali.

1. Importazione dati e preparazione della scena

  1. Importare tutte le serie DICOM anonimizzate in 3D Slicer (disponibile a https://download.slicer.org/) e assegnare nomi espliciti a ogni volume: "MRIp" (risonanza pre-procedurale), "CTi" (CT iniziale di pianificazione intraprocedurale), "CTa" (TC intra-procedurale con aghi inseriti) e "MRI" (risonanza magnetica post-procedurale).
  2. Imposta "CTi" come volume di riferimento per tutte le successive segmentazioni e registrazioni.
  3. Crea un nuovo nodo di segmentazione in 3D Slicer e collegalo a "CTi" come "volume sorgente".
  4. Salva la scena Slicer come file di progetto di base per permettere il recupero e le modifiche future.
    NOTA: La standardizzazione delle dimensioni dei voxel non è richiesta e può essere omessa se la risoluzione nativa dell'immagine è adeguata.

2. Segmentazione anatomica sulla TAC iniziale (CTi)

  1. Apri il modulo Editor di Segmenti e crea un segmento chiamato "Osso corticale". Usa lo strumento "Soglia" su "CTi" per isolare l'osso corticale ad alta densità, poi affina manualmente il segmento usando forbici o strumenti da pittura se necessario.
  2. Crea un segmento chiamato "Fat". Usa lo strumento Threshold per selezionare grassi a bassa densità, ad esempio nello spazio perirenale o sottocutaneo.
  3. Crea un segmento chiamato "Disco intervertebrale". Usa lo strumento 3D Paint sulle viste assiale, sagittale e coronale, e controlla Paint al di fuori dei segmenti esistenti, assicurandoti che la pittura sia limitata ai voxel vuoti per evitare di sovrascrivere i segmenti esistenti.
  4. Crea un segmento chiamato "Osso cancelloso" per osso cancelloso vertebrale. Usa lo strumento 3D Paint per riempire i compartimenti trabecolari interni e controlla Paint all'esterno dei segmenti esistenti come descritto sopra.
  5. Crea un segmento chiamato "Midollo Spinale". Usa lo strumento 3D per contorneggiare manualmente il cavo sulle taglie assiali dall'alto fino al sotto dei livelli trattati.
  6. Crea un segmento chiamato "Liquido cerebro-spinale". Usa lo strumento 3D per riempire lo spazio del liquido cerebrospinale che circonda il midollo spinale all'interno del sacco tecale, controllando anche la vernice all'esterno dei segmenti esistenti.
  7. Crea segmenti aggiuntivi per cemento, bobine o polmoni se presenti. Usa lo strumento Threshold per identificare cemento o spire iperdense e parenchima polmonare ipodenso, seguito da correzioni manuali secondo necessità.
  8. Salva la scena aggiornata dello Slicer.
    NOTA: I voxel di fondo non esplicitamente assegnati a un segmento vengono successivamente trattati come tessuto "muscoloso" in AI4DEEP (conducibilità predefinita).

3. Fusione della risonanza magnetica e segmentazione tumorale

  1. Importa il volume pre-procedurale della risonanza magnetica "MRIp" nella scena dello Slicer.
  2. Utilizzare il modulo Transforms per eseguire una registrazione rigida di "MRIp" su "CTi", utilizzando punti di riferimento ossei vertebrali al livello trattato. La registrazione è guidata da quattro punti di riferimento predefiniti: la punta del processo spinoso e la punta di un processo trasversale sul piano assiale, e la punta del processo spinoso e il margine corticale anteriore del corpo vertebrale sul piano sagittale. Poiché la corteccia vertebrale posteriore è spesso alterata da malattie litiche, non dovrebbe essere utilizzata come punto di riferimento principale.
  3. Applicare la trasformata alla "MRIp" e valutare visivamente la co-registrazione nei piani assiale e sagittale. L'errore di registrazione del bersaglio (TRE) è definito come la distanza media in piano, in millimetri, tra i corrispondenti punti di riferimento CT e MRI ai punti di riferimento assiali e sagittali predefiniti. Accettare la registrazione solo se sia l'allineamento visivo che il TRE sono inferiori a 2,5 mm; Altrimenti, ripeti la registrazione.
  4. Crea un nuovo segmento chiamato "Tumore" e usa lo strumento Paint su "MRIp" (o su "CTi" quando l'epidurite è ben visibile) per delimitare manualmente il coinvolgimento epidurale e tumorale vertebrale al punto di partenza.
  5. Applicare un levigamento opzionale al segmento "Tumore" per ottenere un volume 3D coerente senza interruzioni.
  6. Salva la scena aggiornata dello Slicer.
    NOTA: Si può mettere in pausa il protocollo qui e riprendere successivamente da questo passaggio.

4. TAC con fusione a ago e definizione degli elettrodi in AI4DEEP

  1. Importare la TAC intra-procedurale con aghi, "CTa", in 3D Slicer.
  2. Usa il modulo Transforms per eseguire una registrazione rigida di "CTa" su "CTi" utilizzando gli stessi punti di riferimento ossei vertebrali sopra.
    NOTA: In questo workflow, "CTi" e "CTa" vengono acquisite sotto anestesia generale senza la mobilizzazione del paziente tra la scansione iniziale e la posizione degli elettrodi, in modo che l'allineamento CT-to-CT sia di solito già vicino all'ottimale e non richiede aggiustamenti manuali. Il TRE quindi non è applicabile. Con le impostazioni a finestra ossea, gli artefatti metallici generati dagli elettrodi non ostacolano la visualizzazione dei punti vertebrali utilizzati per la registrazione.
  3. Avvia il modulo AI4DEEP e crea un ago virtuale per ogni elettrodo, partendo dalla punta attiva dell'elettrodo.
  4. Verifica nelle viste assiale, coronale e sagittale che ogni "Electrode_n" corrisponda accuratamente a una singola punta fisica attiva.
    NOTA: La qualità della struttura anatomica complessiva e della segmentazione degli elettrodi, così come la corrispondenza con gli elettrodi fisici, sono validate esternamente da un radiologo interventista esperto che non ha partecipato al processo di segmentazione. Se ritenuta insoddisfacente, la segmentazione viene rivista di conseguenza.
  5. Salva la scena aggiornata che contiene strutture anatomiche, segmentazione tumorale e geometria degli elettrodi.
    NOTA: La lunghezza esatta della punta attiva viene specificata più avanti nel AI4DEEP durante la configurazione del parametro ECT e non è necessario codificare in questa fase.

5. Assegnazione della conducibilità in AI4DEEP

  1. Nell'interfaccia AI4DEEP, assegnare ogni segmento anatomico a una corrispondente classe tissutale con conducibilità elettrica predefinita (ad esempio: tumore, osso corticale, osso cancelloso, liquido cerebrospinale, grasso epidurale, disco intervertebrale, midollo spinale, cemento, polmone) come mostrato nella Tabella 1.
  2. Imposta il tessuto di fondo predefinito su conduttiva "muscolare" in modo che tutti i voxel non segmentati vengano trattati come muscoli.
  3. Conferma nel pannello riassuntivo AI4DEEP che ogni segmento sia mappato al tipo di tessuto atteso e alla conduttività, quindi salva la configurazione.
    NOTA: I valori di conducibilità sono derivati dal database IT'IS e utilizzati come conducibilità fissa (lineare) per tutte le simulazioni24.

6. Caratteristiche di impulsi e ago

  1. In AI4DEEP, specificare la lunghezza attiva della punta per ogni elettrodo (ad esempio, 20 mm, 30 mm o 40 mm) secondo la procedura clinica. Il diametro dell'elettrodo era di 1,8 mm.
  2. Entra in scena l'ampiezza del campo elettrico applicata clinicamente in V/cm (ad esempio, 500 V/cm, 600 V/cm o 1000 V/cm).
  3. Definisci le coppie di elettrodi attivate durante il trattamento.
  4. Sia AI4DEEP calcolare la tensione applicata per ogni coppia di elettrodi in base alla distanza tra elettrodi, assicurando che il rapporto tensione/distanza richiesto in V/cm sia rispettato.
  5. Imposta il numero di impulsi (8) e la durata dell'impulso (100 μs) secondo il protocollo clinico.
  6. Salva la configurazione AI4DEEP.
    NOTA: La tensione viene inserita come rapporto tensione-distanza in V/cm; AI4DEEP converte automaticamente questo valore in una tensione assoluta per ogni coppia di elettrodi.

7. Simulazione del campo elettrico

  1. In AI4DEEP, avvia il calcolo del campo elettrostatico utilizzando l'anatomia, le conduttive e i parametri dell'elettrodo configurati.
  2. Consentire al software di generare automaticamente la configurazione geometrica e risolvere il potenziale elettrostatico lineare utilizzando metodi di differenze finite non adattate di alto ordine sull'immaginemedica 25.
    NOTA: Su una postazione di lavoro tipica (ad esempio, Windows 11, 16 GB di RAM), l'elaborazione richiede circa 5 minuti per ogni caso.
  3. Salva l'output della simulazione e la scena aggiornata dello Slicer.
    NOTA: Si può mettere in pausa il protocollo qui dopo la simulazione e riprendere successivamente per l'analisi e la validazione delle isodosi.

8. Visualizzazione dell'isodose e copertura tumorale

  1. In AI4DEEP, seleziona l'opzione per generare isosuperfici del campo elettrico (volumi isodosi) dal campo simulato.
  2. Seleziona un intervallo di soglie di isodose (ad esempio, 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 e 600 V/cm) e genera le corrispondenti mappe isodose 3D.
  3. Visualizza le singole mappe isodose in vista 3D per osservare la distribuzione spaziale del campo, tipicamente che va dal giallo pallido a basse ampiezze di campo fino al rosso ad ampiezze di campo elevate come mostrato nella Figura 1.
  4. Per ogni isodose, registrare la percentuale di valori di copertura tumorale calcolata automaticamente da AI4DEEP in base alla sovrapposizione tra il volume isodosico e la segmentazione "Tumorale".
  5. Salva tutti i segmenti o modelli isodose e i valori di copertura tumorale per analisi successive.

9. Selezione, importazione e segmentazione della necrosi post-procedurale della risonanza magnetica

  1. Le risonanze magnetiche di follow-up venivano eseguite 6 settimane dopo l'ECT e ogni 2 mesi successivi. La risonanza magnetica che mostrava il volume necrotico più grande o la migliore risposta radiologica era selezionata per la segmentazione. Questa scelta è stata fatta per tenere conto del tempo eterogeneo e ritardato per la risposta dopo l'ECT, che può variare in base all'istologia tumorale e al tasso di proliferazione.
  2. Importare la sequenza assiale T1 soppressa dal grasso potenziato con contrasto post-trattamento e centrata sui livelli trattati "MRI" in 3D Slicer.
  3. Eseguire la registrazione rigida delle "risonanze magnetiche" su "CTi" utilizzando gli stessi punti vertebrali predefiniti utilizzati per la registrazione pre-procedurale della risonanza magnetica e applicare la trasformazione. L'accuratezza della registrazione viene documentata calcolando il TRE da questi stessi punti di riferimento con la stessa soglia di ≤2,5 mm.
  4. Crea un nuovo segmento chiamato "Necrosi tumorale" e delinea manualmente la parte necrotica non potenziante del tumore nella risonanza magnetica post-ECT, fetta per fetta.
  5. Quando sono disponibili più risonanze magnetiche di follow-up, selezionare l'esame che dimostra il volume necrotico più grande o la migliore risposta radiologica e utilizzare questo dataset per la segmentazione.
  6. Applicare un levigamento opzionale alla "necrosi tumorale" per ottenere un volume coerente e contiguo.
  7. Nei casi di risposta radiologica completa dopo l'ECT, il segmento "Tumore" pre-trattamento può essere duplicato e rinominato "Necrosi tumorale" per ridurre i tempi di segmentazione manuale. In 3D Slicer, utilizzare il modulo Segmentazioni , selezionare "Copia/spostare segmenti", duplicare il segmento "Tumore" all'interno dello stesso nodo di segmentazione, rinominarlo "Necrosi tumorale" e confermarne visivamente l'adeguatezza nella risonanza magnetica post-ECT.
  8. Effettuare la convalidazione esterna della segmentazione della necrosi da parte di un radiologo interventista non coinvolto nella segmentazione.
  9. Salva la scena dello Slicer con il segmento della necrosi.
    NOTA: Si può mettere in pausa il protocollo qui e riprendere successivamente per un confronto quantitativo.

10. Confronto quantitativo tra campo simulato e necrosi (analisi dei dadi)

  1. Apri il modulo Confronto dei Segmenti in 3D Slicer.
  2. Seleziona la necrosi tumorale come segmento di riferimento e un volume isodose (ad esempio, l'isodose da 200 V/cm) come segmento di confronto.
  3. Calcola il coefficiente di somiglianza di Dice tra "necrosi tumorale" e il volume isodose selezionato e registra il valore. Tutti i coefficienti di somiglianza dei dadi sono stati calcolati su volumi completi di segmenti 3D piuttosto che su base fetta per fetta (2D).
  4. Ripetere l'analisi su tutti i livelli di isodose rilevanti di interesse per ottenere i coefficienti di Dice su tutta la gamma di soglie.
  5. Identificare l'isodose che produce il coefficiente di dado più alto ("Miglior Iso") e il corrispondente valore massimo di dado ("Miglior Dado").
  6. Esporta i coefficienti di Dado, il Miglior ISO, i Migliori Dadi e i valori di copertura tumorale in un foglio di calcolo o in un software statistico per ulteriori analisi.
  7. Salva la scena finale dello Slicer e tutti i risultati quantitativi esportati.

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Risultati

Il flusso di lavoro è stato applicato con successo a nove procedure di elettrochemioterapia (ECT) eseguite per epidurite metastatica spinale. È stato generato un modello predittivo specifico del campo elettrico per ogni paziente, confermando che il protocollo completo è fattibile e riproducibile tra diverse configurazioni anatomiche. In tutti i casi è stata ottenuta una registrazione rigida tra CTi e MRIp, e tra CTi e MRI, con TR medie rispettivamente di 1,8 mm ± 0,6 mm e 1,9 mm ± 0,7 mm...

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Discussione

Questo protocollo fornisce un flusso di lavoro riproducibile per la simulazione specifica del campo elettrico per paziente nell'ECT spinale. Diversi passaggi metodologici sono fondamentali per ottenere previsioni accurate e clinicamente interpretabili. Una segmentazione precisa del tumore è essenziale, poiché la malattia epidurale è spesso poco visualizzata nella TAC intra-procedurale senza contrasto. La fusione tra risonanza magnetica pre-procedurale e post-procedurale è quindi fondamen...

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Ringraziamenti

Ringraziamo i pazienti per la loro fiducia e partecipazione a questo studio. Il loro contributo rese possibile questa ricerca. I membri di AIMOKA e MONC (CP, OSe, OSu, LL e BDS) hanno ricevuto parzialmente il sostegno finanziario del Plan Cancer MECI PC MECI 21CM119 00, dell'Institut National du Cancer (INCa) (PLBIO n°2023-156) e dei progetti ANR IMITATE (ANR-22-CE51-0043) e MIRE4VTACH (ANR-22-CE45-0014). Il team di ricerca AIMOKA è ospitato dal laboratorio Bernoulli tra AP-HP e Inria.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
3D Slicer3D Slicer (open-source)N/AVersione 5.6.2.
Modulo AI4DEEP (estensione di 3D Slicer)AI4DEEPN/AModulo di simulazione del campo elettrico utilizzato all'interno di 3D Slicer.
Cliniporator VITAEIGEAIG0012AGeneratore di impulsi utilizzato per l'elettrochemioterapie
Suite angio-CT ibrida (Alphenix 4D CT + Aquilion ONE)Canon Medical SystemsTSX-305ASistema di angiografia integrato (Alphenix) e scanner CT (Aquilion ONE) in una singola stanza; utilizzato per l'imaging CT intraprocedurale e la guida procedurale.
Elettrodi a spillo dritti "VGD"IGEAIG0E726Lunghezza attiva: 20 mm / 30 mm / 40 mm (selezionare in base alla dimensione dell'obiettivo e all'anatomia).
WorkstationDellN/AWorkstation Dell, intelVPro ISM, Windows 11 - 16 GB RAM; utilizzato per l'elaborazione delle immagini e le simulazioni.

Riferimenti

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