In-vitro Temperaturbestimmung und Computersimulation der Temperaturverteilung zur opimalen Planung und Steuerung der laserinduzierten Thermotherapie (LITT)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Modellierung und Kopplung der Computersimulation mit der MR-Thermometrie zur optimalen Planung, Kontrolle und Steuerung der laserinduzierten Thermotherapie (LITT). Um ein mathematisches Modell erstellen und validieren zu können, wurde ein Phantom für die Durchführung von reproduzierbaren Experimenten entwickelt. Das Phantom kann hinsichtlich der optischen Eigenschaften (Dosis-Wirkungs-Kurve beim Erhitzen) bis zu einer Temperatur von 95°C und hinsichtlich der MR-Relaxationseigenschaften bis 70°C als annähernd leberäquivalent betrachtet werden. Neben Messungen an einer ex-vivo Schweineleber kann das Gel-Phantom für LITT- Experimente im MRT verwendet werden, um wiederholte Versuchsabläufe, Temperaturverteilungen oder anatomische Simulationen durchführen und untersuchen zu können. Für die MR-Thermometrie zeigte sich bei der Evaluierung der PRF- und T1-Methode im Gel-Phantom sowie in der ex-vivo Schweineleber eine höhere Präzision und Genauigkeit bei der PRF-Methode (EPI-Sequenz). Zwischen den Sequenzen der T1-Methode wies die FLASH-Sequenz die höchste Genauigkeit und Robustheit auf. Aufgrund der Ergebnisse und der einfacheren Anwendung wurde die PRF-Methode im weiteren Verlauf des Projekts zur Verifikation von neuen Applikationen bevorzugt. Der Einfluss der Felddrift bei dieser Methode wurde durch eine Korrektur der Phase mittels der Phasendifferenzinformationen aus dem nicht aufgeheizten Bereich berücksichtigt. Das mathematische Modell beruht auf der Lösung der Bio-Heat-Gleichung, wobei die Energiequelle durch die Strahlungstransportgleichung beschrieben wird. Als Approximation der fünfdimensionalen Strahlungstransportgleichung wurde die P1-Approximation implementiert. Die segmentierte Lebergeometrie kann in das implementierte Programm eingelesen und mit Hilfe von Gmesh vernetzt werden. Zur Lösung wurde getDP und zur Visualisierung Paraview verwendet. Es wurden zahlreiche numerische Testrechnungen durchgeführt, um die vielen freien Parameter zu bestimmen, wie beispielsweise die Charakterisierung des Kühlkreislaufs im Applikator. Die Tests haben im Fall der Schweineleber eine gute Übereinstimmung mit Messdaten gezeigt. Ein programmiertes Softwaretool kombiniert die interaktive Darstellung der MR-Thermometrie und der Computersimulation zur Therapieplanung und –Steuerung der LITT. Der behandelnde Arzt verfügt mit diesem Tool künftig über weitere Optionen zur Kontrolle der Wärmeausbreitung und des Therapieverlaufs, um ggf. Therapieparameter anzupassen und ein höheres Outcome zu erzielen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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In vitro MR-guided Thermometry during Laser Induced Thermotherapy (LITT). “Biology Conference for Iranian Scholars in Europe”, Hamburg, 6.12 – 7.12.2008
Bazrafshan B., Hübner F., Koujan A., Larson MC, Meister D., Jegorovs J., Siedow N., Vogl TJ
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Development of an MR- compatible liver-equivalent phantom: application to Laser-induced Interstitial Thermotherapy and Radiofrequency Ablation. “Radiological Society of North America (RSNA)”, Chicago, 29.11 – 4.12.2009
Bazrafshan B., Hübner F., Koujan A., Larson MC, Vogel V., Mäntele W., Vogl TJ
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MR-thermometry methods evaluation using an MR-compatible liver-equivalent gel phantom and a fiber-optic thermometer: application to tumor thermal ablation. “European Society of Radiology (ECR)”, Wien; 5.03.2010
Bazrafshan B., Hübner F., Larson MC, Vogel V., Mäntele W., Vogl TJ
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MRI-based thermometry for tumor thermal ablation: a comparison of different MR sequences. “Iranian Congress of Radiology (ICR)”, Tehran, 13.05 – 16.05.2010
Bazrafshan B., Hübner F., Larson MC, Vogel V., Mäntele W., Vogl TJ
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Noninvasive magnetic resonance imaging-based thermometry: an ex vivo study on pig liver and gel phantom. “Radiological Society of North America (RSNA)”, Chicago, 28.11 – 3.12.2010
Bazrafshan B., Hübner F., Larson MC, Vogel V., Mäntele W., Vogl TJ
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On hidden potentials of the wave based method. ISMA2010, International Conference on Noise and Vibration Engineering, Leuven, Belgien, 20-22 Sept. 2010
Jegorovs, J.
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On the extension of the wave based method, Annual International Conference, Days on Diffraction, St. Petersburg, Russia, 8-12 Jun. 2010
Jegorovs, J.
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A liver-mimicking MRI phantom for thermal ablation experiments. Med Phys. 2011 May;38(5):2674-84
Bazrafshan B, Hübner F, Farshid P, Larson MC, Vogel V, Mäntele W, Vogl TJ
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Identification or temperature dependent parameters in laser-interstitial thermo therapy. Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, Vol. 22, No 9 (2012)
Tse O, Pinnau R, Siedow N
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MR-based thermometry of laser induced thermothe rapy: temperature accuracy and temporal resolution in vitro at 0.2 and 1.5 T magnetic field strengths. Lasers Surg Med. 2012 Mar;44(3):257-65
Vogl TJ, Huebner F, Naguib NN, Bauer RW, Mack MG, Nour-Eldin NE, Meister D
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Magnetic resonance temperature imaging of laser-induced thermotherapy: assessment of fast sequences in ex vivo porcine liver. Future Oncol. 2013 Jul;9(7):1039-50
Bazrafshan B, Hübner F, Farshid P, Paul J, Hammerstingl R, Vogel V, Mäntele W, Vogl TJ
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The influence of Nd:YAG laser irradiation on Fluoroptic® temperature measurement: an experimental evaluation. Lasers Med Sci. 2013 Feb;28(2):487-96
Hübner F, Bazrafshan B, Roland J, Kickhefel A, Vogl TJ
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Temperature imaging of laser-induced thermotherapy (LITT) by MRI: evaluation of different sequences in phantom. Lasers Med Sci. 2014 Jan;29(1):173-83
Bazrafshan B, Hübner F, Farshid P, Hammerstingl R, Paul J, Vogel V, Mäntele W, Vogl TJ
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Thermal ablation of liver metastases from colorectal cancer: radiofrequency, microwave and laser ablation therapies. Radiol Med. 2014 Jul; 119(7):451-61
Vogl TJ, Farshid P, Naguib NN, Darvishi A, Bazrafshan B, Mbalisike E, Burkhard T, Zangos S
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Validation of a mathematical model for laserinduced thermotherapy in liver tissue. Lasers Med Sci. 2017, Volume 32, Issue 6, pp 1399–1409
Hübner F, Leithäuser C, Bazrafshan B, Siedow N, Vogl TJ
