Symulacja pola elektrycznego specyficzna dla pacjenta w elektrochemioterapii przerzutów do rdzenia kręgowego
31 lipca 2026
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.
W jaki sposób protokół symuluje specyficzne dla pacjenta pola elektryczne podczas elektrochemioterapii kręgosłupa i jak porównuje je z mononukleozą po leczeniu. Istniejące przepływy pracy rzadko walidują symulowane pola elektryczne w odniesieniu do trójwymiarowej odpowiedzi na leczenie w przypadku przerzutów do kręgosłupa. Po zaimportowaniu danych do programu 3D Slicer i ustawieniu CTI jako objętości referencyjnej, otwórz moduł edytora segmentów i utwórz segment o nazwie kostna tkanka korowa.
Użyj narzędzia progowania w programie CTI, aby wyizolować tkankę kostną korową o wysokiej gęstości. Następnie ręcznie doprecyzuj segment, korzystając z narzędzia nożyczek lub pędzla w razie potrzeby. Utwórz segment o nazwie Fat.
Użyj narzędzia Threshold, aby zaznaczyć tkankę tłuszczową o niskiej gęstości w przestrzeni okojnerkowej lub podskórnej. Następnie utwórz segment krążka międzykręgowego i użyj narzędzia 3D Paint w widokach osiowym, strzałkowym i czołowym. Wybierz obszar poza wszystkimi widocznymi segmentami, aby ograniczyć malowanie do pustych wokseli i uniknąć nadpisywania istniejących segmentów.
Następnie przygotuj segment kości gąbczastej dla kości gąbczastej kręgów. Użyj narzędzia 3D Paint, aby wypełnić wewnętrzne przedziały beleczkowe, a następnie zaznacz obszary na zewnątrz wszystkich widocznych segmentów, zgodnie z wcześniejszym opisem. Utwórz segment o nazwie Spinal Cord i użyj narzędzia 3D Paint, aby ręcznie obrysować rdzeń na przekrojach osiowych, od poziomu powyżej do poziomu poniżej obszarów poddanych zabiegowi.
Następnie zdefiniuj segment o nazwie cerebrospinal fluid. Użyj narzędzia 3D Paint, aby wypełnić przestrzeń płynu mózgowo-rdzeniowego otaczającą rdzeń kręgowy wewnątrz worka oponowego, a także zaznacz obszar poza wszystkimi widocznymi segmentami, aby uniknąć nadpisania istniejących segmentów. Utwórz dodatkowe segmenty dla cementu, cewników (coils) lub płuc, jeśli są obecne.
Użyj narzędzia progowania (threshold), aby zidentyfikować hiperdensyjny cement lub spirale oraz hipodensyjny miąższ płuc. W razie potrzeby przeprowadź korektę ręczną. Następnie zapisz zaktualizowaną scenę w programie Slicer.
Zaimportuj wolumen MRI z obrazowania przedzabiegowego, MRIp, do sceny programu Slicer. Użyj modułu Transforms, aby przeprowadzić sztywną rejestrację MRIp względem CTI, wykorzystując kostne punkty orientacyjne kręgów na poziomie leczonym w celu naprowadowania rejestracji. Zastosuj transformację do MRIp i dokonaj wizualnej oceny korejestracji w płaszczyznach osiowej i strzałkowej.
Zaakceptuj rejestrację tylko wtedy, gdy dopasowanie wizualne i błąd rejestracji celu wynoszą mniej niż 2,5 milimetra. Następnie utwórz nowy segment o nazwie Tumor. Użyj narzędzia Paint w MRIp, aby ręcznie wyznaczyć zasięg guza w przestrzeni nadtwardówkowej i w kręgach w punkcie wyjściowym.
Zastosuj opcjonalne wygładzanie segmentu guza, aby uzyskać spójną objętość trójwymiarową bez przerw. Następnie zapisz zaktualizowaną scenę w programie Slicer. Zaimportuj do sceny 3D Slicer obraz tomografii komputerowej z przebiegu procedury wraz z obrazem CTA igły.
Wykorzystaj moduł transformacji do sztywnej rejestracji CTA na CTI. Użyj tych samych kostnych punktów orientacyjnych kręgów co w poprzednim kroku, aby zapewnić prawidłowe dopasowanie. Uruchom moduł AI4DEEP i utwórz jedną wirtualną igłę dla każdej elektrody, zaczynając od końcówki aktywnej elektrody.
Zweryfikuj w rzutach osiowym, czołowym i strzałkowym, czy każdy numer elektrody odpowiada dokładnie jednej fizycznej końcówce aktywnej. Zapisz zaktualizowaną scenę zawierającą struktury anatomiczne, segmentację guza i elektrogeometrię. W interfejsie AI4DEEP przypisz każdy segment anatomiczny do odpowiadającej mu klasy tkanki o zdefiniowanej przewodności elektrycznej.
Ustaw domyślne tkanki tła na przewodność mięśni, aby wszystkie niesegmentowane woksele były traktowane jako mięśnie. Zweryfikuj w panelu podsumowania AI4DEEP, czy każdy segment jest zgodny z oczekiwanym typem tkanki i przewodnością. Następnie zapisz konfigurację.
W interfejsie AI4DEEP określ długość aktywnej części końcówki dla każdej elektrody zgodnie z procedurą kliniczną i ustaw średnicę elektrody na 1,8 milimetra. Wprowadź klinicznie zastosowaną amplitudę pola elektrycznego w woltach na centymetr. Następnie zdefiniuj pary elektrod, które zostały aktywowane podczas zabiegu.
Pozwól programowi AI4DEEP obliczyć napięcie przyłożone dla każdej pary elektrod na podstawie odległości między elektrodami, zapewniając zachowanie żądanego stosunku napięcia do odległości w woltach na centymetr. Zgodnie z protokołem klinicznym ustaw liczbę impulsów na osiem, a czas trwania impulsu na 100 mikrosekund. Następnie zapisz konfigurację AI4DEEP.
W interfejsie AI4DEEP rozpocznij obliczanie pola elektrostatycznego, korzystając z skonfigurowanej anatomii, przewodności oraz parametrów elektrod. Gdy oprogramowanie wygeneruje konfigurację geometryczną i rozwiąże potencjał elektrostatyczny liniowy, zapisz wynik symulacji oraz zaktualizowaną scenę w programie Slicer. W interfejsie AI4DEEP wybierz opcję generowania izopowierzchni pola elektrycznego na podstawie symulowanego pola.
Wybierz zakres progów izodozy i wygeneruj odpowiadające im trójwymiarowe mapy izodoz. Wyświetl poszczególne mapy izodoz w widoku trójwymiarowym, aby zaobserwować przestrzenną dystrybucję pola. Pole zazwyczaj zmienia barwę od bladożółtej przy niskich amplitudach do czerwonej przy wysokich amplitudach.
Dla każdej izodozy zapisz wartości procentowego pokrycia guza, obliczone automatycznie na podstawie nakładania się objętości izodozy na segmentację guza. Zapisz wszystkie segmenty lub modele izodoz oraz wartości pokrycia guza do późniejszej analizy. Wykonaj kontrolne badanie MRI w szóstej tygodniu po elektrochemioterapii, a następnie co dwa miesiące.
Wybierz badanie MRI wykazujące największą objętość martwiczą lub najlepszą odpowiedź radiologiczną do segmentacji, aby uwzględnić niejednorodną i opóźnioną odpowiedź na leczenie. Importuj do programu 3D Slicer powysiłkową sekwencję osiową T1 z tłumieniem sygnału z tłuszczu po podaniu środka kontrastowego, wycentrowaną na poziomach leczonych w badaniu MRI. Wykonaj sztywną rejestrację obrazów MRI względem CTI, korzystając z tych samych zdefiniowanych punktów orientacyjnych kręgów, które zostały użyte wcześniej.
Zastosuj transformację. Oblicz błąd rejestracji docelowej, korzystając z tych samych punktów odniesienia, i potwierdź, że wynosi on mniej niż lub równo 2,5 millimeters, aby udokumentować dokładność rejestracji. Utwórz nowy segment o nazwie Tumor necrosis.
Użyj narzędzia Paint, aby ręcznie wyznaczyć obszary niekontrastującej się martwicy guza na każdym przekroju obrazu MRI wykonanego po elektrochemioterapii. Zastosuj opcjonalne wygładzanie segmentu martwicy guza, aby uzyskać spójną, ciągłą objętość. Następnie przeprowadź ilościowe porównanie pomiędzy symulowanym polem a obszarem martwicy.
Średnie współczynniki podobieństwa Dice wykazały zależność o kształcie dzwonu w całej kohorcie. Wartości osiągnęły szczyt w przedziale od 160 do 200 voltów na centymetr, a pokrycie guza stopniowo spadało wraz ze wzrostem progów. Zaobserwowano wyraźną heterogeniczność między przypadkami, w których najlepsze wartości Dice mieściły się w zakresie od 0,0156 do 0,7684, a odpowiadające im najlepsze wartości Iso w zakresie od 100 do 500 voltów na centymetr.
Reprezentatywna nakładka obrazów wykazała zgodność przestrzenną między martwicą nowotworu po leczeniu a objętością izodozy 200 volt per centimeter. U 59-letniego pacjenta z przerzutem nadtwardówkowym do poziomu L3 z cholangiokarcinoma zaobserwowano mniej niż 5% martwicy nowotworu i brak poprawy po początkowej elektrochemioterapii. Retrospektywna symulacja za pomocą AI4DEEP wykazała niewystarczający zasięg objęcia guza progiem 200 volts per centimeter.
Powtórne leczenie z dostosowaną konfiguracją elektrod pozwoliło na objęcie ponad 90% guza, co doprowadziło do całkowitej odpowiedzi radiologicznej i klinicznej. U 67-letniego pacjenta z jasnokomórkowym rakiem nerkowokomórkowym i chorobą nawiokanalikową na poziomie L5-S1 po elektrochemioterapii rozwinęła się prawostronna radikulopatia. Symulacja AI4DEEP wykazała rozszerzenie pola o natężeniu 300 V/cm w stronę prawego otworu S1, co było zgodne z potwierdzonym w pooperacyjnym badaniu MRI uszkodzeniem prawego korzenia nerwu S1.
Głównym wyzwaniem jest zidentyfikowanie odpowiedniego progu izodozy dla każdej metody leczenia, narządu i uwarunkowań klinicznych. Dodatkowe analizy mogą posłużyć do przetestowania automatycznej segmentacji, niepewności rejestracji oraz zależności dawka-odpowiedź pomiędzy progami pola elektrycznego. Dalsze badania powinny potwierdzić te wstępne wyniki w większych kohortach pacjentów z przerzutami do kręgosłupa oraz w innych wskazaniach do elektrochemioterapii.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia powtarzalny schemat postępowania w zakresie symulacji pola elektrycznego specyficznego dla pacjenta w elektrochemioterapii (ECT) kręgosłupa. Poprzez integrację obrazowania multimodalnego i zaawansowanego modelowania komputerowego, protokół ma na celu optymalizację planowania ECT dla guzów znajdujących się w pobliżu krytycznych struktur kręgosłupa, zwiększając bezpieczeństwo i skuteczność przy jednoczesnym minimalizowaniu ryzyka uszkodzenia nerwów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Radiologia interwencyjna
- Onkologia
- Obrazowanie medyczne
- Modelowanie komputerowe
Wstęp
- ECT łączy leki cytotoksyczne z impulsami elektrycznymi o wysokim napięciu w celu zwiększenia przepuszczalności błon komórkowych komórek nowotworowych i zwiększenia wchłaniania leków.
- Metoda ta jest małoinwazyjna i nietermiczna, co czyni ją odpowiednią do leczenia nowotworów w pobliżu struktur wrażliwych, gdzie inne metody leczenia są ograniczone.
- ECT kręgosłupa może zapewnić uśmierzenie bólu, dekompresję nerwów i lokalną kontrolę nad nowotworem, zachowując jednocześnie tkanki nerwowe.
- Wyzwania obejmują złożoną anatomię kręgów, ograniczone zrozumienie rozkładu pola elektrycznego oraz brak dedykowanych narzędzi do planowania.
Cel badania
- Opracowanie i walidacja schematu postępowania w celu symulowania specyficznych dla pacjenta pól elektrycznych w przypadku ECT kręgosłupa.
- Umożliwienie dokładnego planowania i optymalizacji rozmieszczenia elektrod oraz parametrów leczenia.
- Poprawa przewidywania zakresu objęcia leczeniem oraz minimalizacja ryzyka niedostatecznego lub nadmiernego leczenia.
Zastosowane metody
- Obrazowanie multimodalne z wykorzystaniem TK i MRI w celu rekonstrukcji anatomicznej.
- Segmentacja półautomatyczna i manualna z wykorzystaniem platformy open-source 3D Slicer.
- Przypisanie przewodności tkanek na podstawie bazy danych IT’IS.
- Liniowe symulacje metodą elementów skończonych z wykorzystaniem modułu AI4DEEP dla 3D Slicer w celu wygenerowania trójwymiarowych map pola elektrycznego.
- Walidacja z wykorzystaniem kontrolnego MRI z kontrastem oraz współczynników podobieństwa Dice'a.
- Przegląd wykonany przez radiologa eksperta w celu jakościowej oceny dokładności symulacji.
Główne wyniki
- Dziewięć procedur spinalnej ECT przetworzono zgodnie z opracowanym schematem postępowania.
- Najwyższą zgodność między symulowanym polem elektrycznym a martwicą po ECT zaobserwowano w zakresie 160–200 V/cm.
- Schemat postępowania pozwolił zidentyfikować obszary niewystarczającej lub nadmiernej terapii, co było zgodne z wynikami obserwacji klinicznych i obrazowych.
- Walidacja jakościowa i ilościowa potwierdziła wartość prognostyczną schematu postępowania w planowaniu leczenia.
Wnioski
- Opisany schemat pracy umożliwia powtarzalne, specyficzne dla pacjenta planowanie ECT w obrębie kręgosłupa.
- Wspiera on optymalizację rozmieszczenia elektrod oraz dostosowanie parametrów w celu zwiększenia bezpieczeństwa i skuteczności.
- Podejście to stanowi podstawę dla zaawansowanych, zindywidualizowanych procedur ECT w złożonych warunkach anatomicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Symulacja pola elektrycznego specyficzna dla pacjenta w elektrochemioterapii kręgosłupa (ECT) rozwiązuje kluczowy problem optymalizacji miejscowej kontroli guza w pobliżu wrażliwych struktur nerwowych. Dzięki integracji obrazowania multimodalnego i modelowania obliczeniowego, ten schemat postępowania zwiększa wiarygodność prognostyczną w planowaniu leczenia i wspomaga podejmowanie decyzji z uwzględnieniem ryzyka w przypadku złożonych układów anatomicznych. Podejście to umożliwia odtwarzalne, zindywidualizowane planowanie ECT, co bezpośrednio wpływa na strategie opracowywania portfela małoinwazyjnych interwencji onkologicznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia mechanistyczne ograniczanie ryzyka poprzez wyjaśnienie rozkładu pola elektrycznego w heterogennych tkankach kręgosłupa.
- Wspiera funkcjonalną walidację parametrów ECT w celu ablacji nowotworu w pobliżu struktur krytycznych.
- Zwiększa pewność predykcyjną w testowaniu hipotez terapeutycznych dotyczących miejscowej kontroli nowotworu.
Przesiewy i opracowanie testów
- Umożliwia standaryzację przebiegu symulacji w celu uzyskania powtarzalnego mapowania pola elektrycznego dla różnych anatomii pacjentów.
- Zapewnia wyniki ilościowe do oceny adekwatności leczenia w oparciu o wartości progowe.
- Umożliwia ponowne wykorzystanie platformy i jej skalowalność w celu oceny nowych konfiguracji elektrod lub zestawów parametrów.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia dopasowanie symulowanego zasięgu pola elektrycznego do biomarkerów obrazowych nekrozy po ECT w celu zapewnienia ciągłości translacyjnej.
- Wspiera dostosowanie protokołów ECT do poziomu ryzyka podczas przechodzenia z etapu symulacji do walidacji klinicznej.
- Umożliwia identyfikację obszarów niedostatecznie i nadmiernie leczonych, co pozwala na udoskonalenie modeli przedklinicznych.
Integracja potoków i procesów roboczych
Ten przepływ pracy symulacyjnej łączy biologię odkrywczą, analitykę ilościową i badania translacyjne w kontekście planowania spinalnej ECT.
- Biologia odkrywcza: Wyjaśnia zależność między progami pola elektrycznego a odpowiedzią biologiczną w złożonych środowiskach tkankowych.
- Przesiewowanie: Dostarcza powtarzalne, ilościowe mapy pola elektrycznego, które pomagają w doborze rozmieszczenia elektrod i parametrów.
- Analityka: Zapewnia trójwymiarowe pomiary pola izoelektrycznego oraz współczynniki podobieństwa Dice do porównywania stanów.
- Badania translacyjne: Waliduje wyniki symulacji w odniesieniu do biomarkerów obrazowania, wspierając ciągłość przejścia z etapu przedklinicznego do klinicznego.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia modułowy, otwartoźródłowy schemat postępowania, który można dostosować do różnorodnych scenariuszy anatomicznych i klinicznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w planowaniu ECT.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje procesy symulacji i walidacji w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie świadomych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu działań oraz optymalizację protokołów pod kątem efektywności kapitałowej.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację małoinwazyjnych interwencji onkologicznych z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obrazowaniu multimodalnym, segmentacji i modelowaniu obliczeniowym.
- Zależne od dostępu do infrastruktury CT/MRI oraz platform open-source, takich jak 3D Slicer i AI4DEEP.
- Wymaga standaryzacji przypisania przewodności tkanek i metryk walidacyjnych pomiędzy zespołami.
- Adaptacja do innych obszarów anatomicznych może wymagać dostosowania protokołu i parametrów.
- Walidacja opiera się na obrazowaniu kontrolnym i ocenie eksperta radiologa w celu korelacji klinicznej.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:00
Introduction
0:31
Anatomical Segmentation on Initial CT (CTi)
2:38
MRI Fusion and Tumor Segmentation
3:48
CT with Needle Fusion and Electrode Definition in AI4DEEP
4:50
Tissue Mapping and Electrode Parameter Setup in AI4DEEP
6:20
Electric Field Simulation and Isodose-Based Tumor Coverage Analysis
7:41
Post-Procedural MRI Selection and Necrosis Segmentation
9:15
Results
11:10
Conclusion
