Ten protokół opisuje kompletny, możliwy do powtórzenia przepływ pracy do symulacji pola elektrycznego specyficznego dla pacjenta i walidacji elektrochemioterapii (ECT) w przypadku przerzutów do kręgosłupa. Przepływ pracy integruje wielomodalne obrazowanie, półautomatyczną i ręczną segmentację, modelowanie przewodności tkankowej, symulację pola elektrycznego liniowego elementu skończonego i walidację eksperymentalną poprzez analizę nakładania martwicy opartą na MRI po zabiegu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Symulacja pola elektrycznego specyficzna dla pacjenta w elektrochemioterapii przerzutów do rdzenia kręgowego
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Elektrochemotherapia (ECT) łączy podawanie środków cytotoksycznych z wysokonapięciowymi impulsami elektrycznymi, które tymczasowo upłynniają błony komórkowe nowotworu i zwiększają przyjmowanie leków do komórek. Ta minimalnie inwazyjna, nietermiczna technika jest szczególnie przydatna w przypadku guzów zlokalizowanych w pobliżu struktur krytycznych, gdzie chirurgia, radioterapia lub perkutaniczna ablacja termiczna mogą być ograniczone. W kręgosłupie ECT może zapewnić ulgę w bólu, dekompresję nerwową i kontrolę miejscowego guza, zachowując struktury nerwowe. Jednak jego wdrożenie nadal jest wyzwaniem ze względu na złożoną anatomię kręgów, ograniczone zrozumienie rozkładu pola elektrycznego, brak dedykowanych narzędzi planistycznych i ryzyko uszkodzenia nerwów. Ten protokół opisuje powtarzalny proces symulacji pola elektrycznego dla konkretnego pacjenta w ECT kręgosłupa. Wielomodalne obrazowanie łączące TK i MRI umożliwia rekonstrukcję anatomii guzowej, kręgowej, nerwowej i tkanki miękkiej za pomocą półautomatycznych i manualnych segmentacji wykonywanych w ramach open-source platformy 3D Slicer. Przewodności tkanek są przypisywane zgodnie z bazą danych IT’IS, a liniowe symulacje skończonych elementów (przewodność stała) są wykonywane za pomocą AI4DEEP, dedykowanego modułu 3D Slicer, aby obliczyć 3D mapy pola elektrycznego dla wielu progów izodoz. MRI z kontrastem wykonywane w następstwie jest wykorzystywane do walidacji poprzez współczynniki podobieństwa Dice, porównując symulowane objętości pola izoelektrycznego z martwymi obszarami guza po ECT. Porównanie jakościowe symulowanych map pola elektrycznego, MRI w następstwie i wyników klinicznych zostało przeprowadzone przez ekspertów radiologów interwencyjnych w celu oceny zdolności oprogramowania do przewidywania obszarów niedostatecznie i nadmiernie traktowanych. Dziewięć procedur ECT zostało przetworzonych w celu oceny procesu. Największą zgodność między symulowanym polem elektrycznym a martwicą po ECT zaobserwowano w zakresie 160–200 V/cm w tym konkretnym ustawieniu klinicznym i numerycznym. Proces zidentyfikował również regiony niewystarczającego lub nadmiernego leczenia, zgodne z wynikami klinicznymi i obrazu w następstwie. Opisany proces układa podwaliny pod powtarzalne planowanie ECT, wspierając zoptymalizowane umieszczenie elektrod i dostosowanie parametrów w celu poprawy bezpieczeństwa i skuteczności w złożonych procedurach ECT kręgosłupa.
Wprowadzenie
Zawężeniowe zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych jest częste, ponieważ kręgosłup jest głównym miejscem przerzutów kostnych, stanowiących do 50% wszystkich zlokalizowanych przerzutów kostnych1,2. Obraz kliniczny zazwyczaj obejmuje silny ból z wyraźnym upośledzeniem jakości życia, a następnie szybko postępujące objawy neurologiczne, które mogą prowadzić do porażenia podwójnego lub czworonogowego, w zależności od poziomu zajęcia3,4. Radioterapia jest standardem leczenia przerzutów rdzeniowych do kanału kręgowego, podczas gdy operacja dekompresyjna i stabilizująca przynosi korzyści wybranym pacjentom z odpowiednim stanem zdrowia i przewidywaną przeżywalnością5,6. Sterytaktyczna ablacyjna radioterapia może poprawić kontrolę lokalną w wybranych przypadkach, ale jest ograniczona tolerancją rdzenia kręgowego i złożonością planowania7. Lokalne nawrót lub postęp po radioterapii jest częste, a ponowne napromienianie jest ograniczone ograniczeniami dawki skumulowanej, co często prowadzi do terapeutycznych zakątków dla pacjentów z uporczywym bólem lub postępującym upośledzeniem neurologicznym6,7. W tym kontekście potrzebna jest technika niespalająca się, zdolna do uzyskania ulgi w bólu, dekompresji i kontroli guza w pobliżu krytycznych struktur nerwowych.
Elektrochemioterapia (ECT) łączy podawanie środków cytotoksycznych, najczęściej bleomycyny, z krótkimi impulsami wysokiego napięcia, które czasowo zwiększają przepuszczalność błony komórkowej i zwiększają wewnątrzkomórkowe wychwytywanie leku8,9. ECT jest minimalnie inwazyjna, niespalająca się i stosunkowo selektywna dla guza i wykazała zachęcające wyniki w przypadku guzów skórnych, podskórnych i głęboko położonych, zlokalizowanych w pobliżu krytycznych struktur10,11. W ostatniej serii klinicznej zanotowano obiektywną odpowiedź MRI na poziomie 77% po miesiącu i 66,5% po trzech miesiącach po przeskórnej ECT w przypadku przerzutów do kanału kręgowego odpornych na radioterapię. Ból również znacząco się zmniejszył, przy czym mediana punktacji w skali ocen liczbowych spadła z 7 w momencie wyjściowym do 1 po miesiącu. Nieodwracalne upośledzenia neurologiczne nadal wystąpiły u niektórych pacjentów12. Te zdarzenia podkreślają kluczową rolę dystrybucji pola elektrycznego: małe zmiany w geometrii elektrod lub właściwościach tkanki mogą znacząco zmienić objętość leczenia, narażając pacjentów zarówno na niedostateczne, jak i nadmierne leczenie13,14. Badania numeryczne sugerują, że modelowanie specyficzne dla pacjenta może zoptymalizować umiejscowienie elektrod i poprawić pokrycie guzów kręgowych, ograniczając ekspozycję struktur nerwowych15,16.
Kilka ram planowania badań zostało zaproponowanych dla terapii elektroporacyjnych, ale rutynowa implementacja kliniczna jest nadal ograniczona przez wymagania dotyczące siatek/parametrów i czas obliczeń17,18,19,20,21. Ostatnia praca Suttera i Poignard wspiera peryproceduralny, obrazowy przepływ symulacji zgodny z ograniczeniami klinicznymi i pokazuje, że niekompletne pokrycie izodozy pola elektrycznego koreluje dokładnie z niepowodzeniem lokalnym po IRE22,23. Ten protokół opiera się na tej samej ramce symulacji.
Celem tego artykułu jest zatem przedstawienie powtarzalnego, specyficznego dla pacjenta przepływu pracy do modelowania i walidacji pola elektrycznego w ECT kręgosłupa, opartego na rzeczywistych zbiorach danych obrazowania klinicznego i dostarczonych konfiguracjach elektrod. W obecnej formie ten przepływ pracy jest najlepiej przystosowany do planowania przedproceduralnego w celu optymalizacji pozycjonowania elektrod, ponieważ czasy segmentacji i przygotowania modelu pozostają ograniczeniem dla rutynowej korekty intraproceduralnej. Jest przeznaczony jako ramka metodologiczna, a nie badanie skuteczności oparte na hipotezie, i jest zaprojektowany dla zespołów onkologicznych i kręgowych, które już wykonują lub planują przeskórną ECT pod kontrolą TK w przerzutach do kanału kręgowego i innych anatomicznie złożonych ustawieniach.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
To badania retrospektywne przeprowadzono zgodnie z wytycznymi komitetu etycznego instytucjonalnego (IRB 2025-566) i zgodnie z obowiązującymi przepisami krajowymi. Wszystkie dane obrazowe zostały anonimizowane przed analizą, a wymóg uzyskania świadomej zgody został zniesiony ze względu na retrospektywny charakter badania i wykorzystanie anonimowych danych. Wyposażenie i oprogramowanie są wymienione w Tabeli materiałów.
1. Import danych i przygotowanie sceny
- Zaimportuj wszystkie anonimizowane serie DICOM do programu 3D Slicer (dostępny pod adresem https://download.slicer.org/) i przypisz wyraźne nazwy do każdego tomu: “MRIp” (przedproceduralne MRI), “CTi” (początkowe planowanie intraproceduralne CT), “CTa” (intraproceduralne CT z igłami na miejscu) i “MRIs” (postproceduralne MRI).
- Ustaw “CTi” jako referencyjny tom dla wszystkich kolejnych segmentacji i rejestracji.
- Utwórz nowy węzeł segmentacji w programie 3D Slicer i połącz go z “CTi” jako “źródłowy tom”.
- Zapisz scenę Slicer jako plik projektu linii bazowej, aby umożliwić odzyskiwanie i przyszłe modyfikacje.
UWAGA: Standardyzacja wielkości węzła nie jest wymagana i może zostać pominięta, jeśli natywna rozdzielczość obrazu jest adekwatna.
2. Segmentacja anatomiczna na początkowej tomografii komputerowej (CTi)
- Otwórz moduł Segment Editor i utwórz segment o nazwie “Kość kortykalna”. Użyj narzędzia “Próg” na “CTi” aby odizolować wysoko gęstą kość kortykalną, a następnie dopracuj segment ręcznie za pomocą narzędzi Nożyczki lub Malowanie w razie potrzeby.
- Utwórz segment o nazwie “Tłuszcz”. Użyj narzędzia Próg aby wybrać tłuszcz o niskiej gęstości, na przykład w przestrzeni perynerkowo-podskórnej.
- Utwórz segment o nazwie “Mięśnie międzykręgowe”. Użyj narzędzia 3D Paint na osiowych, przekrojowych i koronowych widokach i zaznacz Malowanie na zewnątrz istniejących segmentów, upewniając się, że malowanie jest ograniczone do pustych węzłów, aby uniknąć nadpisywania istniejących segmentów.
- Utwórz segment o nazwie “Kość gąbczasta” dla kości gąbczastej kręgosłupa. Użyj narzędzia 3D Paint aby wypełnić wewnętrzne przegrody trabekul i zaznacz Malowanie na zewnątrz istniejących segmentów jak opisano powyżej.
- Utwórz segment o nazwie “rdzeń kręgowy”. Użyj narzędzia 3D paint aby ręcznie nakreślić rdzeń na przekrojach osiowych od góry do dołu na leczonych poziomach.
- Utwórz segment o nazwie “Płyn mózgowo-rdzeniowy”. Użyj narzędzia 3D paint aby wypełnić przestrzeń płynu mózgowo-rdzeniowego otaczającą rdzeń kręgowy w otoczeniu torebki twardówkowej, również sprawdzając Malowanie na zewnątrz istniejących segmentów.
- Utwórz dodatkowe segmenty dla cementu, zwojów lub płuc, jeśli są obecne. Użyj narzędzia Próg aby zidentyfikować hipergęsty cement lub zwoje i hipogęste parenchyma płuc, po czym popraw ręcznie w razie potrzeby.
- Zapisz zaktualizowany plik sceny Slicer.
UWAGA: Węzły tła nie przypisane wyraźnie do segmentu są później traktowane jako tkanki “mięśniowe” w AI4DEEP (domyślna przewodność).
3. Fuzja MRI i segmentacja guza
- Zaimportuj przedproceduralny tom MRI “MRIp” do sceny Slicer.
- Użyj modułu Transforms aby wykonać sztywną rejestrację “MRIp” na “CTi”, używając kręgowych punktów orientacyjnych w leczonym poziomie. Rejestracja jest prowadzona przez cztery wstępnie zdefiniowane punkty orientacyjne: końcówkę wyrostka kolczystego i końcówkę jednego wyrostka poprzecznego na płaszczyźnie osiowej oraz końcówkę wyrostka kolczystego i przednią krawędź kortykalną ciała kręgu na płaszczyźnie przekrojowej. Ponieważ tylna korteksa kręgu jest często zmieniona przez chorobę lizacyjną, nie powinna być używana jako główny punkt orientacyjny.
- Zastosuj transformację do “MRIp” i wizualnie oceń ko-rejestrację na płaszczyznach osiowej i przekrojowej. Błąd rejestracji (TRE) jest definiowany jako średnia odległość na płaszczyźnie, w milimetrsach, między odpowiadającymi sobie punktami orientacyjnymi CT i MRI w określonych punktach referencyjnych na płaszczyźnie osiowej i przekrojowej. Akceptuj rejestrację tylko wtedy
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Przepływ pracy został pomyślnie zastosowany w dziewięciu procedurach elektrochemioterapii (ECT) przeprowadzonych w przypadku naczyniaka epiduralnego z przerzutami do kręgosłupa. Dla wszystkich przypadków wygenerowano indywidualny dla pacjenta predykcyjny model pola elektrycznego, co potwierdziło, że pełny protokół jest wykonalny i powtarzalny w różnych konfiguracjach anatomicznych. We wszystkich przypadkach uzyskano sztywną rejestrację pomiędzy CTi a MRIp oraz pomiędzy CTi a MRIs, przy średnich wartościach TRE wynoszącyc...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Ten protokół zapewnia reproduktybilny przebieg symulacji pola elektrycznego specyficznego dla pacjenta w ECT kręgosłupa. Kilka kroków metodologicznych jest kluczowych dla uzyskania dokładnych i klinicznie interpretowalnych prognoz. Precyzyjne segmentowanie guza jest niezbędne, ponieważ choroba oponowa jest często słabo widoczna na kontrastowym TK intraproceduralnym. FUZJA TK przed zabiegiem i TK po zabiegu jest zatem kluczowym elementem dla dokładnego określenia zajęcia oponowego i kręgowego. W praktyce, fuzja obrazów mo...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Podziękowania
Dziękujemy pacjentom za zaufanie i udział w tym badaniu. Ich wkład umożliwił przeprowadzenie tej pracę. Członkowie AIMOKA i MONC (CP, OSe, OSu, LL i BDS) otrzymali częściowe wsparcie finansowe z Planu Raka MECI PC MECI 21CM119 00, Institut National du Cancer (INCa) (PLBIO nr 2023-156) oraz projektów ANR IMITATE (ANR-22-CE51-0043) i MIRE4VTACH (ANR-22-CE45-0014). Zespół badawczy AIMOKA jest goszczony przez laboratorium Bernoulli pomiędzy AP-HP a Inria.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 3D Slicer | 3D Slicer (open-source) | N/A | Wersja 5.6.2. |
| AI4DEEP module (rozszerzenie 3D Slicer) | AI4DEEP | N/A | Moduł symulacji pola elektrycznego używany w 3D Slicer. |
| Cliniporator VITAE | IGEA | IG0012A | Generator impulsów używany do elektrochemioterapii |
| Kompozytowa linia angio-CT (Alphenix 4D CT + Aquilion ONE) | Canon Medical Systems | TSX-305A | Zintegrowany system angiograficzny (Alphenix) i skaner CT (Aquilion ONE) w jednej sali; stosowany do obrazowania CT w trakcie procedury i wyznaczania kierunku procedury. |
| Proste elektroda igłowa „VGD” | IGEA | IG0E726 | Aktywna długość: 20 mm / 30 mm / 40 mm (wybierz zgodnie z wielkością i anatomią celu). |
| Stanowisko robocze | Dell | N/A | Stanowisko robocze Dell, intelVPro ISM, Windows 11 - 16 GB RAM; służy do przetwarzania obrazów i symulacji. |
Bibliografia
- Ryan, C., et al. Epidemiology of bone metastases. Bone. 158, 115783 (2022).
- Coleman, R. E., et al. Bone metastases. Nat Rev Dis Primers. 6 (1), 83 (2020).
- Ropper, A. E., Ropper, A. H. Acute spinal cord compression. N Engl J Med. 376 (14), 1358-1369 (2017).
- Lawton, A. J., et al. Assessment and management of patients with metastatic spinal cord compression: a multidisciplinary review. J Clin Oncol. 37 (1), 61-71 (2019).
- Patchell, R. A., et al. Direct decompressive surgical resection in the treatment of spinal cord compression caused by metastatic cancer: a randomised trial. Lancet. 366 (9486), 643-648 (2005).
- Rades, D., Abrahm, J. L. The role of radiotherapy for metastatic epidural spinal cord compression. Nat Rev Clin Oncol. 7 (10), 590-598 (2010).
- Glicksman, R. M., et al. Stereotactic ablative radiotherapy for the management of spinal metastases: a review. JAMA Oncol. 6 (4), 567-577 (2020).
- Mir, L. M., Orlowski, S. Mechanisms of electrochemotherapy. Adv Drug Deliv Rev. 35 (1), 107-118 (1999).
- Dorr, R. T. Bleomycin pharmacology: mechanism of action and resistance, and clinical pharmacokinetics. Semin Oncol. 19 (2 Suppl 5), 3-8 (1992).
- Djokic, M., et al. Electrochemotherapy as treatment option for hepatocellular carcinoma, a prospective pilot study. Eur J Surg Oncol. 44 (5), 651-657 (2018).
- Geboers, B., et al. High-voltage electrical pulses in oncology: irreversible electroporation, electrochemotherapy, gene electrotransfer, electrofusion, and electroimmunotherapy. Radiology. 295 (2), 254-272 (2020).
- Deschamps, F., et al. Electrochemotherapy in radiotherapy-resistant epidural spinal cord compression in metastatic cancer patients. Eur J Cancer. 186, 62-68 (2023).
- Miklavcic, D., et al. The importance of electric field distribution for effective in vivo. electroporation of tissues. Biophys J. 74 (5), 2152-2158 (1998).
- Corovic, S., et al. Modeling of electric field distribution in tissues during electroporation. Biomed Eng Online. 12, 16 (2013).
- Cindrič, H., Miklavčič, D., Cornelis, F. H., Kos, B. Optimization of transpedicular electrode insertion for electroporation-based treatments of vertebral tumors. Cancers (Basel). 14 (21), 5412 (2022).
- Cindrič, H., et al. Electrochemotherapy of spinal metastases using transpedicular approach-a numerical feasibility study. Technol Cancer Res Treat. 17, 1533034618770253 (2018).
- Perera-Bel, E., et al. PIRET-a platform for treatment planning in electroporation-based therapies. IEEE Trans Biomed Eng. 70 (6), 1902-1910 (2023).
- Perera-Bel, E., et al. EView: an electric field visualization web platform for electroporation-based therapies. Comput Methods Programs Biomed. 197, 105682 (2020).
- Marino, M., Luján, E., Mocskos, E., Marshall, G. OpenEP: an open-source simulator for electroporation-based tumor treatments. Sci Rep. 11 (1), 1423 (2021).
- Pavliha, D., et al. Planning of electroporation-based treatments using web-based treatment-planning software. J Membr Biol. 246 (11), 833-842 (2013).
- Marčan, M., et al. Web-based tool for visualization of electric field distribution in deep-seated body structures and planning of electroporation-based treatments. Biomed Eng Online. 14 (Suppl 3), S4 (2015).
- Sutter, O., et al. Correlation between computed electric dose maps and early postoperative MRI for the evaluation of irreversible electroporation. Phys Med Biol. 70 (22), 225010 (2025).
- Sutter, O., et al. Toward perioperative, numerically assisted irreversible electroporation for hepatocellular carcinoma: clinical outcomes informed by numerical simulations. Eur Radiol. , (2025).
- Baumgartner, C., et al. . IT'IS Database for thermal and electromagnetic parameters of biological tissues. Version 5.0. , (2025).
- Gallinato, O., de Senneville, B. D., Seror, O., Poignard, C. Numerical workflow of irreversible electroporation for deep-seated tumor. Phys Med Biol. 64 (5), 055016 (2019).
- Lafitte, L., et al. Patch-based field-of-view matching in multimodal images for electroporation-based ablations. Comput Med Imaging Graph. 84, 101750 (2020).
- Pescatori, L. C., et al. The role of early MRI in assessing the risk of local tumor progression following irreversible electroporation for hepatocellular carcinoma treatment. Int J Hyperthermia. 42 (1), 2505595 (2025).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
