Therapieplanung für die Mikrowellenablation von Lebertumoren – Evaluation ex vivo

Die Mikrowellenablation (MWA) ist eine minimalinvasive Therapieoption zur Behandlung bösartiger Lebertumoren. Zu den potentiellen Vorteilen der MWA gegenüber anderen Ablationsverfahren gehören ein größeres Ablationsvolumen und eine kürzere Ablationszeit. Neben vaskulären Kühleffekten und dem verwendeten MWA-System ist der therapeutische Erfolg abhängig von der Expertise des behandelnden Mediziners sowie von der Komplexität des individuellen Patientenfalles. Ziel einer computergestützen Planungssoftware ist es, die onkologische Sicherheit und Effizienz der Therapie zu verbessern. Derzeit gibt es für die MWA kein Planungssystem, das patientenindividuelle Faktoren, wie Gefäßkühleffekte, einbezieht. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, eine interdisziplinäre entwickelte Planungssoftware (TASAP) für die MWA von Lebermalignomen im Hinblick auf Gefäßkühleffekte unter standardisierten Exvivo-Bedingungen zu evaluieren.
Dazu wurden 217 MWA in einem Ex-vivo-Schweineleber-Modell mit einem 40 W feedbackgesteuertem MWA-Generator mit ungekühltem Antennendesign durchgeführt. Zur Imitation eines Lebergefäßes wurden drei verschiedene perfundierte Glasröhren (3, 5 und 8 mm Außendurchmesser; im Folgenden als Kühlgefäß bezeichnet) mit vier verschiedenen Flussraten (0,10, 100 und 500 ml/min) und drei unterschiedlichen Antennen-Gefäß-Abständen (5, 10 und 20 mm) in die Leber eingebracht. Zur Etablierung einer genauen Messmethode der avitalen Ablationszone erfolgte eine histologische Aufarbeitung mithilfe von NADH-Färbungen (Vitalfärbung). Die histologischen und makroskopischen Ergebnisse wurden korreliert und ein Korrekturfaktor ermittelt. Die MWA-Läsionen wurden planimetrisch entlang der Querschnittsfläche auf Höhe des größten Nekrosedurchmessers mit dem etablierten Korrekturfaktor (r(x) + 21,2 %; 1,6 mm) orthogonal zur Antenne konturiert und vermessen. Durch die Etablierung einer Messmethode konnte die makroskopische avitale Zone (White Zone; WZ) exakt detektiert und die planimetrische Flächenvermessung optimiert werden. Als Grundlage für die TASAP diente ein numerisches Simulationsmodell, dieses wurde durch eine Versuchsreihe mit verschiedenen Energieeinträgen (12 – 24 W) kalibriert. Aufgezeichnete Generatorprotokolle wurden in die Planungssoftware integriert. Eine proximale, numerisch quantifizierte Antennenschafterwärmung wurden ebenfalls in die Software implementiert. Bei einem simulierten Energieeintrag von 16 W zeigte sich die beste Übereinstimmung von realer und simulierter Läsion mit einer medianen Flächendifferenz von 2,8 % zwischen transversaler Läsion und Simulation. Dabei wurden ein Dice-Koeffizient von 0,89 sowie ein Jaccard-Koeffizient von 0,81 ermittelt. Eine Planung von Ablationen ohne Kühlgefäße konnte mit der Planungssoftware unter der Berücksichtigung von Energieverlusten wie der Antennenschafterwärmung, mit einer Flächengenauigkeit (Schnittfläche) von 90,2 % berechnet werden. Die Flächendifferenz zwischen Läsion (179,2 mm²) und Simulation (189,4 mm²) betrug 2,8 % (p = 0,394).
Durch die Verwendung verschiedener Kühlgefäße konnten bei der MWA Flächenunterschiede der Ablationsflächen durch vaskuläre Kühleffekte nachgewiesen werden. Dabei war der Einfluss der vaskulären Kühleffekte auf die Ablationsfläche ab einer Flussrate von 10 ml/min konstant hoch. Die Simulation unter dem Einfluss peripherer Kühlgefäße zeigte eine Abweichung zwischen realer Ablation und Simulation mit einer Überschätzung in der Fläche von 32,8 bis 43,1 % (abhängig vom Kühlgefäß). Bei allen 192 Versuchen zeigte sich eine Radiusdifferenz von 1,6 mm, dies entspricht einer prozentualen Differenz von 19,8 %.
Diesbezüglich muss das Simulationsmodell für die klinische Anwendung weiter optimiert werden. Faktoren wie die Implementierung der Gewebeschrumpfung und des periinterventionellen Temperaturprofiles könnten die Simulation der MWA weiter verbessern.
Bei der Interpretation der Ergebnisse muss berücksichtigt werden, dass die Experimente ex vivo an nativer Schweineleber durchgeführt wurden. Die Ergebnisse können indes als experimentelle, valide Grundlage für In-vivo-Versuche angesehen werden. Diese sind insofern von Bedeutung, als die präinterventionelle, simulationsbasierte Behandlungsplanung ein wertvolles Werkzeug bei der klinischen Anwendung von MWA sein kann. "Therapy planning for microwave ablation of liver tumors – Evaluation ex vivo"

Microwave ablation (MWA) is a minimally invasive therapy option for the treatment of malignant liver tumors. Potential advantages of MWA over other ablation methods include a larger ablation volume and shorter ablation time. In addition to vascular cooling effects and the MWA system used, therapeutic success depends on the expertise of the treating physician and the complexity of the individual patient case. The aim of computer-aided planning software is to improve oncological safety and the efficiency of therapy. There is currently no planning system for MWA that includes patient-specific factors such as vascular cooling effects. Therefore, the aim of this work was to evaluate an interdisciplinary developed planning software (TASAP) for the MWA of liver malignancies with regard to vascular cooling effects under standardized ex vivo conditions.
217 MWA were performed in an ex vivo porcine liver model with a 40 W feedback-controlled MWA generator with uncooled antenna design. To imitate a liver vessel, three different perfused glass tubes (3, 5 and 8 mm outer diameter; hereafter referred to as cooling vessel) with four different flow rates (0, 10, 100 and 500 ml/min) and three different antenna vessel distance (5, 10 and 20 mm) were introduced into the liver. In order to establish an accurate measurement method for the avital ablation zone, histological processing was performed using NADH staining (vital staining). Histological and macroscopic results were correlated and a correction factor was determined. The MWA lesions were planimetrically contoured and measured along the cross-sectional area at the level of the largest necrosis diameter with the established correction factor (r(x) + 21.2 %; 1.6 mm) orthogonal to the antenna. By establishing a measurement method, the macroscopic avital zone (white zone; WZ) could be exactly detected and the planimetric area measurement could be optimized. TASAP was based on a numerical simulation model calibrated by a series of experiments with different energy inputs (12 - 24 W). Recorded generator protocols were implemented in the planning software as well as a proximal, numerically quantified antenna shaft heating. A simulated energy input of 16 W showed the lowest median area difference of 2.8 % between transverse lesion and simulation, with a Dice coefficient of 0.89 and a Jaccard coefficient of 0.81. The planning of ablations without cooling vessels could therefore be calculated with the planning software, taking into account energy losses such as antenna shaft heating, with a surface accuracy (area of intersection) of 90.2 %. The area difference between transverse lesion (179.2 mm²) and simulation (189.4 mm²) was 2.8 % (p = 0.394).
By using different cooling vessels, differences of the ablation areas could be detected by vascular cooling effects. The influence of the vascular cooling effects on the ablation surface was constantly high from a flow rate of 10 ml/min. The simulation under the influence of peripheral cooling vessels showed a deviation between real ablation and simulation with an overestimation in the area of 32.8 to 43.1 % (depending on the cooling vessel). In all 192 experiments a radius difference of 1.6 mm was found, which corresponds to a percentage difference of 19.8 %.
In this respect, the simulation model must be further optimized for clinical application. Factors such as the implementation of tissue shrinkage and a periinterventional temperature profile could further improve the simulation of MWA.
The interpretation of the results must take into account that the experiments were performed ex vivo on native pig liver. However, the results can be regarded as an experimental, valid basis for in vivo experiments. These are important because pre-interventional, simulationbased treatment planning can be a valuable tool in the clinical application of MWA.