Đánh giá tiền lâm sàng toàn diện của một mô hình đa vật lý trong điều trị u gan bằng phương pháp đốt sóng cao tần

Springer Science and Business Media LLC - Tập 12 - Trang 1543-1559 - 2017
Chloé Audigier1,2, Tommaso Mansi2, Hervé Delingette1, Saikiran Rapaka2, Tiziano Passerini2, Viorel Mihalef2, Marie-Pierre Jolly2, Raoul Pop3, Michele Diana3, Luc Soler3,4, Ali Kamen2, Dorin Comaniciu2, Nicholas Ayache1
1Université Côte d’Azur and Inria Sophia-Antipolis Méditerranée Asclepios team, Inria Sophia Antipolis, France
2Medical Imaging Technologies, Siemens Healthcare, Princeton, USA
3IHU - Institut de Chirugie Guidée Par L’Image, Strasbourg, France
4IRCAD - Institut de Recherche Contre Les Cancers de L’Appareil Digestif, Strasbourg, France

Tóm tắt

Chúng tôi nhằm mục đích phát triển một khuôn khổ cho việc xác thực mô hình đa vật lý chuyên biệt cho điều trị u gan bằng phương pháp đốt sóng cao tần (RFA). Quá trình tính toán RFA trở nên cụ thể cho từng đối tượng sau vài cấp độ cá nhân hóa: hình học và sinh lý (hemodynamics, truyền nhiệt và một mô hình hoại tử tế bào mở rộng). Chúng tôi trình bày một thiết lập thí nghiệm toàn diện kết hợp hình ảnh giải phẫu và chức năng đa mô hình trước và sau phẫu thuật, cũng như giám sát can thiệp các tín hiệu trong quá trình phẫu thuật: nhiệt độ và công suất được cung cấp. Để khai thác tập dữ liệu này, một quy trình xử lý hiệu quả được giới thiệu, có khả năng xử lý tiếng ồn hình ảnh, độ phân giải biến đổi và độ dị hướng. Nghiên cứu xác thực bao gồm mười hai lần điều trị từ năm gan lợn khỏe mạnh: một sai số trung bình giữa điểm và lưới giữa phạm vi đốt được dự đoán và thực tế là 5.3 ± 3.6 mm. Điều này cho phép xây dựng một khung xác thực tiền lâm sàng từ đầu đến cuối xem xét tập dữ liệu có sẵn.

Từ khóa

#huấn luyện mô hình đa vật lý #đốt sóng cao tần #điều trị u gan #xác thực mô hình tiền lâm sàng

Tài liệu tham khảo

Hall SK, Ooi EH, Payne SJ (2015) Cell death, perfusion and electrical parameters are critical in models of hepatic radiofrequency ablation. Int J Hyperth 31(5):538 Patterson EJ, Scudamore CH, Owen DA, Nagy AG, Buczkowski AK (1998) Radiofrequency ablation of porcine liver in vivo: effects of blood flow and treatment time on lesion size. Ann Surg 227(4):559 Crezee J, Lagendijk J (1990) Experimental verification of bioheat transfer theories: measurement of temperature profiles around large artificial vessels in perfused tissue. Phys Med Biol 35(7):905 Chang IA, Nguyen UD (2004) Thermal modeling of lesion growth with radiofrequency ablation devices. Biomed Eng Online 3(1):27 Schumann C, Rieder C, Haase S, Teichert K, Süss P, Isfort P, Bruners P, Preusser T (2015) Interactive multi-criteria planning for radiofrequency ablation. Int J Comput Assist Radiol Surg 10:1–11 Jiang Y, Mulier S, Chong W, Diel Rambo M, Chen F, Marchal G, Ni Y (2010) Formulation of 3D finite elements for hepatic radiofrequency ablation. Int J Modell Identif Control 9(3):225 Altrogge I, Preusser T, Kroger T, Haase S, Patz T, Kirby RM (2012) Sensitivity analysis for the optimization of radiofrequency ablation in the presence of material parameter uncertainty. Int J Uncertain Quantif 2(3):295–321 Payne S, Flanagan R, Pollari M, Alhonnoro T, Bost C, O’Neill D, Peng T, Stiegler P (2011) Image-based multi-scale modelling and validation of radio-frequency ablation in liver tumours. Philos Trans R Soc A 369(1954):4233 Audigier C, Mansi T, Delingette H, Rapaka S, Mihalef V, Boctor E, Choti M, Kamen A, Ayache N, Comaniciu D (2015) Efficient lattice Boltzmann solver for patient-specific radiofrequency ablation of hepatic tumors. IEEE Trans Med Imaging 34(7):1576 Chen X, Saidel GM (2009) Mathematical modeling of thermal ablation in tissue surrounding a large vessel. J Biomech 131:5–24 Audigier C, Mansi T, Delingette H, Rapaka S, Mihalef V, Carnegie D, Boctor E, Choti M, Kamen A, Comaniciu D, Ayache N, (2014) Lattice-Boltzmann method for fast patient-specific simulation of liver tumor ablation from CT images. In: MICCAI workshop ABDI Rieder C, Kroeger T, Schumann C, Hahn HK (2011) GPU-based real-time approximation of the ablation zone for radiofrequency ablation. Trans Vis Comput Gr 17(12):1812 Frericks BB, Ritz JP, Albrecht T, Valdeig S, Schenk A, Wolf KJ, Lehmann K (2008) Influence of intrahepatic vessels on volume and shape of percutaneous thermal ablation zones: in vivo evaluation in a porcine model. Investig Radiol 43(4):211 Pennes HH (1998) Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm. J Appl Physiol 85(1):5 Schwen LO, Krauss M, Niederalt C, Gremse F, Kiessling F, Schenk A, Preusser T, Kuepfer L (2014) Spatio-temporal simulation of first pass drug perfusion in the liver. PLoS Comput Biol 10(3):e1003499 ONeill D, Peng T, Stiegler P, Mayrhauser U, Koestenbauer S, Tscheliessnigg K, Payne S (2011) A three-state mathematical model of hyperthermic cell death. Ann Biomed Eng 39:570 Goldberg SN, Gazelle GS, Compton CC, Mueller PR, Tanabe KK (2000) Treatment of intrahepatic malignancy with radiofrequency ablation. Cancer 88(11):2452 Lardo AC, McVeigh ER, Jumrussirikul P, Berger RD, Calkins H, Lima J, Halperin HR (2000) Visualization and temporal/spatial characterization of cardiac radiofrequency ablation lesions using magnetic resonance imaging. Circulation 102(6):698 Dickfeld T, Kato R, Zviman M, Nazarian S, Dong J, Ashikaga H, Lardo AC, Berger RD, Calkins H, Halperin H (2007) Characterization of acute and subacute radiofrequency ablation lesions with nonenhanced magnetic resonance imaging. Heart Rhythm 4(2):208 Soler L, Nicolau S, Pessaux P, Mutter D, Marescaux J (2014) Characterization of acute and subacute radiofrequency ablation lesions with nonenhanced magnetic resonance imaging. Hepatobiliary Surg Nutr. 3(2):73 Gulsun MA, Tek H (2006) 3D modeling of coronary arteries. In: MICCAI workshop CVII Guetter C, Xue H, Chefd’Hotel C, Guehring J (2011) Efficient symmetric and inverse-consistent deformable registration through interleaved optimization. In: IEEE international symposium on biomedical imaging: from nano to macro. IEEE, pp 590–593 Horng TL, Lin WL, Liauh CT, Shih TC (2007) Effects of pulsatile blood flow in large vessels on thermal dose distribution during thermal therapy. Med Phys 34(4):1312 Faure F, Duriez C, Delingette H, Allard J, Gilles B, Marchesseau S, Talbot H, Courtecuisse H, Bousquet G, Peterlik I, Cotin S, (2012) Sofa: a multi-model framework for interactive physical simulation. In: Soft tissue biomechanical modeling for computer assisted surgery. Springer, pp 283–321 Nithiarasu P, Seetharamu K, Sundararajan T (1997) Natural convective heat transfer in a fluid saturated variable porosity medium. Int J Heat Mass Transf 40(16):3955 Guo Z, Zhao T (2002) Lattice-Boltzmann model for incompressible flows through porous media. Phys Rev E 66(3):036304 Chen S, Doolen GD (1998) Lattice Boltzmann method for fluid flows. Ann Rev Fluid Mech 30(1):329 Pan C, Luo LS, Miller CT (2006) An evaluation of Lattice Boltzmann schemes for porous medium flow simulation. Comput Fluids 35(8):898 Peng T, ONeill D, Payne S (2011) A two-equation coupled system for determination of liver tissue temperature during thermal ablation. Int J Heat Mass Transf 54(9):2100 Breen M, Chen X, Wilson D, Saidel, (2002) Modeling cellular thermal damage from radio-frequency ablation. In :EMBS/BMES conference, vol 1. IEEE, p 715 Livraghi T, Goldberg SN, Lazzaroni S, Meloni F, Solbiati L, Gazelle GS (1999) Small hepatocellular carcinoma: treatment with radio-frequency ablation versus ethanol injection. Radiology 210(3):655 Zheng Y, Barbu A, Georgescu B, Scheuering M, Comaniciu D (2007) Fast automatic heart chamber segmentation from 3D CT data using marginal space learning and steerable features. In: ICCV. IEEE, pp 1–8 Kröger T, Altrogge I, Preusser T, Pereira PL, Schmidt D, Weihusen A, Peitgen HO (2006) Numerical simulation of radio frequency ablation with state dependent material parameters in three space dimensions. In: International conference on medical image computing and computer-assisted intervention. Springer, pp 380–388 Audigier C, Mansi T, Delingette H, Rapaka S, Mihalef V, Pop R, Diana M, Soler L, Kamen A, Comaniciu D, Ayache N (2015) Challenges to validate multi-physics model of liver tumor radiofrequency ablation from pre-clinical data. In: MICCAI workshop on computational biomechanics for medicine X