基於 CT 影像進行用於腦腫瘤治療的交變電場模擬

概述

交變電場或腫瘤治療場 (TTFields) 療法是一種治療癌症，特別是復發性膠質母細胞瘤的電磁場療法，TTFields 療法透過頭皮上的陣列提供低強度電流，與傳統方法相比，已顯示出良好的效果。然而人們對 TTFields 在大腦內的精確分佈以及它們覆蓋復發性膠質母細胞瘤的程度仍然知之甚少，醫學影像數據的計算模擬為分析 TTFields 療法治療膠質母細胞瘤的效果提供了解決方案，Simpleware 軟體用於為此目的產生模型。

亮點

獲取復發性膠質母細胞瘤患者治療期間的 MRI 數據
使用 Simpleware 軟體生成具有換能器陣列的 3D 頭部模型
將網格匯出至 CAE 模擬軟體以分析電場分佈
結果有助於了解 TTFields 療法

MRI 影像擷取與腫瘤治療

研究人員旨在確定患者大腦內頻率相關的電場分佈，為此他們使用了聯合配準後钆 T1 加權、T2 和 MP RAGE 影像，以及預先指定的大腦結構電導率和相對介電常數值，對一名 67 歲右額腦後部復發性膠質母細胞瘤女性患者進行 TTFields 治療的回顧性神經影像學分析，該患者在接受神經外科切除、同時每日替莫唑胺顱腦照射和隨後替莫唑胺輔助治療後 6 個月。

然後，她接受了貝伐珠單抗（每兩週輸注 10 毫克/公斤的劑量）和 TTFields 治療（如果可能的話，她將其連續塗抹在剃光的頭上），換能器陣列的放置基於個性化的電腦生成的佈局，該佈局源自於對她的頭部、腫瘤大小和腫瘤位置的基於 MRI 的形態測量，她繼續進行這兩種治療 24 個月，直到在右側腦室外側緣檢測到另一個病變部位。

圖：患者腦部 MRI 影像：初次治療後 6 個月，上層(A)和下層(B)可見腫瘤；24 個月後在右側腦室外側緣檢測到新的病變部位(D)，而原發腫瘤穩定(C)。

影像處理與網格劃分

根據用於陣列佈局的相同基線 MRI，使用 Simpleware ScanIP 從共同配準的 MR 影像資料集產生頭部的 3D 模型，使用Simpleware FE 為每個分段頭部結構產生有限元網格，包括頭皮、顱骨、硬腦膜、腦脊髓液(CSF)、幕上灰/白質、腦室、腦幹、小腦、復發性膠質母細胞瘤以及換能器陣列，然後將複合有限元模型匯出為 COMSOL Multiphysics 格式的網格。

圖：使用 Simpleware 軟體建立具有換能器陣列的頭部模型。

模擬結果

將網格匯入 COMSOL Multiphysics (5.0) 中以求解電場分佈，所使用的電導率和相對介電常數分別為頭皮 0.001 S/m 和 1110、顱骨 0.021 S/m 和 204、硬腦膜 0.502 S/m 和 290、腦脊髓液 2.000 S/m 和 109、腦脊髓液 090、腦脊髓液 2.000 S/m 和 109、腦脊髓液 0.141 S/m.141 和 109、腦脊髓液和腦脊髓液 2010 年灰質、白質 0.087 S/m 和 1290，復發性膠質母細胞瘤 1.000 S/m 和 10,000。

圖：COMSOL Multiphysics 中的電場分析：心室角處場強較高，腫瘤上電場分佈不均勻 (A)。新的增強腫瘤位於右側腦室外側緣電場強度相對較低的區域 (B，箭頭)。

分析揭示了有關該過程的有價值的資訊，包括每個陣列陶瓷盤周圍最高電場強度的位置，以及減少頭皮刺激的潛力，腫瘤上也觀察到電場分佈不均勻，而 MRI 顯示治療後在電場強度相對較低的位置出現了新的增強腫瘤。能夠使用影像資料產生的模型來更好地了解電流分佈，為分析 TTFields 療法與傳統化療相比的療效提供了重要方法。

參考資料