Treatment planning methods for clinical electroporation

Abstract

Two treatment modalities based on the electroporation phenomenon, electro-chemotherapy and irreversible electroporation, have been developed in the last decades to destroy solid tumors. These treatments are based on the delivery of short high voltage pulses across electrodes and their success depends on covering the whole tumor with an adequate electric field magnitude. This leads to a need for software tools capable of allowing patient-specific treatment planning. In particular, there is a need for treatment planning tools similar to those used in radiotherapy in order to plan the location of the electrodes and the voltage magnitudes to be applied across these electrodes. Here it is described a treatment planning platform prototype which allows users to perform the complete treatment planning sequence in a single environment. The planned treatment volume is represented on the patient medical images after computing, by the finite element method, the electric field magnitude generated by needle-shaped electrodes. Here it is also reported a study in which the above prototype was employed for analyzing the potential impact of liver blood vessels on tumor ablation by irreversible electroporation. From this study it is concluded that those vessels must not be neglected in treatment planning and that undertreatment around those vessels may be occurring frequently in current irreversible electroporation treatments of liver tumors. Finally, it is described the implementation and characterization of a fast semi-analytical algorithm for computing the electric field distribution generated by needle-shaped electrodes. This algorithm is intended to rapidly pre-visualize the expected treatment region before proceeding with an accurate, but laborious and slow, computation based numerical methods.

Dos modalidades de tratamiento basadas en el fenómeno de la electroporación, la electroquimioterapia y la electroporación irreversible, han sido desarrolladas en las últimas décadas para destruir tumores sólidos. Estos tratamientos se basan en la aplicación de pulsos cortos de alta tensión a través de electrodos y para su éxito se requiere abarcar todo el tumor con una magnitud de campo eléctrico adecuada. Esto lleva a la necesidad de herramientas software que permitan la planificación de tratamiento específica del paciente. En particular, existe la necesidad de herramientas de planificación de tratamiento similares a las utilizadas en radioterapia para planificar la ubicación de los electrodos y las magnitudes de voltaje a aplicar a través de estos electrodos. Aquí se describe un prototipo de plataforma de planificación de tratamiento que permite a los usuarios realizar la secuencia completa de planificación de tratamiento en un solo entorno. El volumen planificado de tratamiento se representa sobre las imágenes médicas del paciente después de calcular, mediante el método de elementos finitos, la magnitud del campo eléctrico generada por electrodos en forma de aguja. Aquí también se detalla un estudio en el que el prototipo anterior se empleó para analizar el impacto potencial de los vasos sanguíneos hepáticos sobre la ablación de tumores por electroporación irreversible. De este estudio se concluye que estos vasos no deben ser descuidados en la planificación del tratamiento y que alrededor de esos vasos se puede estar produciendo sub-tratamiento frecuentemente en los tratamientos de electroporación irreversible que actualmente se aplican para tumores hepáticos. Finalmente, se describe la implementación y caracterización de un algoritmo semi-analítico rápido para calcular la distribución de campo eléctrico generada por electrodos en forma de aguja. Este algoritmo está destinado a pre-visualizar rápidamente la región de tratamiento esperada antes de proceder con un preciso, pero laborioso y lento, proceso de cálculo basado en métodos numéricos.