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Algorithmen für Thermometrie-Rekonstruktion in Nature Scientific Reports publiziert

Kürzlich platzierte unter der Federführung des Doktoranden Julian Alpers eine interdisziplinäre Gruppe aus medizinischen und wissenschaftlichen STIMULATE-Beteiligten eine wissenschaftliche Arbeit im renommierten Fachjournal Nature Scientific Reports. Zur verbesserten Behandlung von Krebsleiden erarbeitete die Gruppe Rekonstruktionsalgorithmen zum Monitoring der Hitzeverteilung bei dem minimal-invasiven Therapieverfahren Thermoablation.

Der Einsatz von Mikrowellen emittierenden Thermoablationsnadeln ist bei Tumoren in der Leber eine vielversprechende Technik zur minimal-invasiven Zerstörung des Tumorgewebes. Die thermoablative Therapie benötigt nur einen Nadelstich in das Zielgewebe und ist dadurch mit weniger Komplikationen im Vergleich zu herkömmlichen offenen Operationen behaftet. Die örtliche Verfolgung der Nadel im Körperinneren wird durch bildgebende Verfahren gewährleistet, wobei in diesem Fall häufig die Magnetresonanztomographie zum Einsatz kommt. Gleichzeitig ist das bildgebende Therapiemonitoring Stand der aktuellen Forschung und Entwicklung. Das Monitoring der Hitzeverteilung während der Ablation soll die vollständige Zerstörung des Tumors inklusive eines Sicherheitssaumes garantieren, was von größter Wichtigkeit für eine erfolgreiche Behandlung ist.

In der publizierten Arbeit stellen die Autoren drei Ansätze zur volumetrischen Wärmekartenrekonstruktion vor: Delaunay-Triangulation, Minimum Volume Enclosing Ellipsoids (MVEE) und Splines. Alle genannten Methoden basieren auf gleichmäßig verteilten 2D-Phasenbildern aus dem Magnetresonanztomographen, die um die Hauptachse der Applikationsnadel gedreht wurden. Als Versuchsobjekte dienten 13 Ex-vivo-Bioprotein-Phantome, darunter sechs Perfusions-Phantome, die eine Wärmeableitung simulieren, um die das Gewebe durchziehenden Blutgefäße zu simulieren. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass der Spline- und der MVEE-Ansatz das Potenzial für eine hochpräzise Rekonstruktion des ablatierten Volumens aufweist und die ursprünglich vorgeschlagene Temperaturinterpolationsmethode in einem realistischeren Setup hinsichtlich Genauigkeit und Robustheit übertrifft. Zur Überwindung lokaler Inhomogenitäten, die durch Rauschen oder MR-abhängige Artefakte verursacht werden, sollte in Zukunft der Einsatz von adaptiven Simulationen in Betracht gezogen werden. Zukünftige Arbeiten sollten auch Studien in Ex-vivo- und In-vivo-Tierversuchen durchführen, um die Übertragbarkeit von den Phantomen auf eine realistischere Umgebung zu überprüfen.

Die vollständige Publikation ist frei zugänglich hier zu finden: https://www.nature.com/articles/s41598-022-15712-7

(August 2022)

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Algorithms for thermometry reconstruction published in Nature Scientific Reports

Recently, under the leadership of PhD student Julian Alpers, an interdisciplinary group of medical and scientific STIMULATE-participants published a scientific paper in the renowned journal Nature Scientific Reports. To improve the treatment of cancer, the group developed reconstruction algorithms for monitoring the heat distribution during the minimally invasive therapy procedure thermoablation.

The use of microwave-emitting thermoablation needles is a promising technique for minimally invasive destruction of tumor tissue in the liver. Thermoablative therapy requires only one needle puncture into the target tissue and is thus associated with fewer complications compared to conventional open surgery. Local tracking of the needle inside the body is ensured by imaging techniques, in which case magnetic resonance imaging is used usually. At the same time, imaging therapy monitoring is state of the art in current research and development. Monitoring of the heat distribution during ablation should guarantee the complete destruction of the tumor including a safety margin, which is of most importance for a successful treatment.

In the published paper, the authors present three approaches to volumetric heat map reconstruction: Delauay triangulation, Minimum Volume Enclosing Ellipsoids (MVEE) and splines. All of the above methods are based on uniformly distributed 2D phase images from magnetic resonance imaging that were rotated around the major axis of the application needle. The experimental subjects were 13 ex-vivo bioprotein phantoms, including six perfusion phantoms with simulated heat sink effects to simulate the blood vessels traversing the tissue. In summary, the spline and MVEE approaches were shown to have the potential for highly accurate reconstruction of the ablated volume, outperforming the originally proposed temperature interpolation method in terms of accuracy and robustness in a more realistic setup. To overcome local inhomogeneities caused by noise or MR-dependent artefacts, the use of adaptive simulations should be considered in the future. Future work should also include studies in ex vivo and in vivo animal experiments to assess the transferability from the phantoms to a more realistic environment.

The full publication is freely available here: https://www.nature.com/articles/s41598-022-15712-7

(August 2022)

Algorithmen für Thermometrie-Rekonstruktion in Nature Scientific Reports publiziert