Treatment planning in electroporation-based therapies

Abstract

Diverses teràpies mèdiques es basen en l’electroporació. Entre d’altres, l’electroporació s'usa per al tractament de tumors sòlids. Com que només afecta les cèl·lules i la matriu extracel·lular queda intacta, amb l’electroporació es poden tractar tumors propers a teixits vitals. Tot i aquest clar avantatge respecte d’altres teràpies físiques, els tractaments s’han de planificar amb precisió perquè el resultat és altament dependent dels paràmetres del procediment i de les propietats dels teixits. Aquesta tesi se centra en el desenvolupament d’eines i models per a la planificació de tractaments amb teràpies basades en electroporació, concretament, per al tractament de tumors interns. A continuació, es relacionen les aportacions d’aquesta tesi. Primer, es descriu el desenvolupament d’una plataforma web que il·lustra la forta dependència de l’electroporació dels paràmetres del tractament i de les propietats elèctriques del teixit, en particular, la dependència del nombre i posició dels elèctrodes, el voltatge aplicat entre parells d’elèctrodes i la conductivitat elèctrica del teixit. Segon, s’estudien models que descriuen la mort cel·lular per predir el volum electroporat en casos de superposició de tractaments amb múltiples parells d’elèctrodes, cosa freqüent en les teràpies basades en electroporació. Per a aquest estudi, es van superposar tractaments per caracteritzar els models de mort cel·lular i, després, aquests models es van usar per analitzar fins a quint punt el volum del tractament es veu afectat en teràpies basades en electroporació. Tercer, es presenta una plataforma per a la planificació de tractaments amb teràpies basades en electroporació. La inserció òptima dels elèctrodes pot ser planificada preoperativament simulant el volum del tractament en models precisos específics per a cada pacient de forma senzilla i ràpida.

Tissue electroporation is the basis of several therapies. Among others, it is used in treatments of solid tumors. Because electroporation exclusively targets cells and leaves the extracellular matrix unaffected, tumor treatment near vital structures is feasible, which is a clear advantage over other therapies based on physical methods. However, careful treatment planning is required because electroporation is highly dependent on procedure parameters and tissue properties. This thesis focuses on the development of tools and models for treatment planning in electroporation-based therapies, specifically, for the treatment of internal tumors. The contributions of this thesis are as follows. First, the development of a web platform which illustrates the strong dependence of electroporation on treatment parameters and tissue electrical properties is described. Namely, the dependence on electrode number and positioning, voltage applied between electrode pairs, and tissue electrical conductivity. Second, models which describe cell are presented to predict treatment outcome in cases of treatment overlap with multiple electrode pairs, which are frequent in electroporation-based therapies. This study was performed by first characterizing the cell death models with overlapping treatments, and then, using these models to analyze how the treatment volume was affected in electroporation-based therapies. Third, a platform for treatment planning in electroporation-based therapies is presented. The optimal electrode insertion path can be planned preoperatively by simulating the predicted treatment volume on accurate patient-specific models in an easy-to-use and fast way.