In vitro Temperature Determination and Computer Simulation of the Temperature Distribution for optimal Planning and Control the Laser-induced Thermotherapy (LITT)
Final Report Abstract
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.
Publications
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