20.500.12556/RUL-144624 Numerično modeliranje in načrtovanje zdravljenja za klinične aplikacije elektroporacije Numerical modeling and treatment planning for clinical applications of electroporation Elektroporacija je pojav, pri katerem s kratkimi visokonapetostnimi električnimi pulzi spremenimo strukturo celične membrane in s tem povečamo njeno prepustnost. Z ustrezno izbiro parametrov pulzov je pojav lahko reverzibilen ali ireverzibilen. Obe vrsti elektroporacije se uporabljata v različnih medicinskih aplikacijah. Reverzibilna elektroporacija se uporablja pri elektrokemoterapiji in genski elektrotransfekciji, ireverzibilna elektroporacija pa se uporablja za ablacijo tumorjev ter ablacijo v srcu pri zdravljenju atrijske fibrilacije. Numerične metode so pomembno orodje za analizo kompleksnih dogajanj v biološkem tkivu med elektroporacijo. Številni vidiki klinične uporabe elektroporacije so še vedno neraziskani. Numerično modeliranje nam omogoča raziskovanje novih pristopov k zdravljenju, preizkušanje novih oblik elektrod ter analizo različnih kliničnih scenarijev z vidika izvedljivosti in varnosti. Uporaba numeričnih modelov tudi zmanjša število predkliničnih in kliničnih študij, potrebnih za razvoj zdravljenja na podlagi elektroporacije. Vendar je treba modele pred vključitvijo v klinični delovni proces, npr. za načrtovanje zdravljenja, potrditi s poskusi in (pred)kliničnimi študijami. Ena najpomembnejših aplikacij numeričnega modeliranja je računalniško podprto načrtovanje zdravljenja. Predpogoj za uspeh vseh zdravljenj, ki temeljijo na elektroporaciji, je popolna pokritost kliničnega ciljnega volumna z dovolj visokim električnim poljem. Razporeditev električnega polja v tkivu je odvisna predvsem od postavitve elektrod in parametrov dovedenih pulzov. Natančno določanje porazdelitve električnega polja v tkivu, zlasti pri globoko ležečih tarčah, ni enostavna naloga. Za zagotovitev uspešnega izida zdravljenja je priporočljivo načrtovanje zdravljenja, ki temelji na numeričnih modelih, prilagojenih bolniku, in optimizacija parametrov zdravljenja. Kljub tehnološkemu napredku načrtovanje zdravljenja pri terapijah z elektroporacijo še vedno ni del standardne klinične prakse; glavna omejitev izhaja iz dejstva, da se načrti trenutno pripravljajo pred posegom. Razvoj načrtovanja zdravljenja v realnem času z uporabo dejanskih položajev elektrod bo omogočil nadzor parametrov zdravljenja in izida v realnem času in je ključni korak pri uvajanju računalniško podprtega načrtovanja zdravljenja v rutinsko klinično prakso. Namen disertacije je z uporabo numeričnega modeliranja in računalniško podprtega načrtovanja zdravljenja izboljšati zdravljenje globje ležečih tumorjev z elektroporacijo. V uvodnem delu je podan pregled kliničnih aplikacij elektroporacije, sledijo osnove načrtovanja zdravljenja, ter pregled metod, ki se uporabljajo pri modeliranju elektroporacije. Glavnino disertacije sestavlja šest izvirnih znanstvenih člankov, objavljenih v mednarodnih revijah, ki zajemajo delo, opravljeno v disertaciji. Metodologija in rezultati so v člankih podrobno obravnavani, zato so na koncu disertacije povzete le razprave in zaključki posameznih člankov. V disertacijo so vključeni trije izvirni znanstveni prispevki. Prvi prispevek obsega validacijo numeričnega modela elektroporacije v jetrih z uporabo kliničnih in predkliničnih podatkov. Drugi prispevek obsega vidike varnosti in učinkovitosti zdravljenja z elektroporacijo v tveganih kliničnih scenarijih, na primer v bližini srčnih spodbujevalnikov ali ob prisotnosti kovinskih kirurških sponk v območju zdravljenja. Numerično sta bila ovrednoteni tudi izvedljivost in varnost novega pristopa k zdravljenju metastaz v hrbtenici, kar dokazuje uporabnost numeričnega modeliranja pri razvoju novih načinov zdravljenja. Tretji prispevek zajema razvoj optimizacijskega algoritma za postavitev elektrod brez uporabe računsko zahtevnih metod. Algoritem bistveno skrajša čas in strokovno znanje, ki sta potrebna za razvoj načrta zdravljenja, in predstavlja prvi korak k načrtovanju zdravljenja v realnem času. Electroporation is a phenomenon in which short high-voltage electric pulses are used to change the structural integrity of the cell membrane, thereby increasing membrane permeability. With appropriate choice of pulse parameters, the phenomenon can be reversible or irreversible. Both types of electroporation are used in various medical applications. Reversible electroporation is used in electrochemotherapy and gene electrotransfer, while irreversible electroporation is used for ablation of tumors and ablation in the heart to treat atrial fibrillation. Numerical methods are an important tool for analyzing complex interactions in biological tissue during electroporation. Many aspects of the clinical applications of electroporation are still unresolved. Numerical modeling allows us to investigate new treatment approaches, test new electrode designs, and analyze different clinical scenarios for the feasibility and safety aspects. The use of numerical models also reduces the number of preclinical and clinical studies required to develop treatments based on electroporation. However, before the models can be integrated into the clinical workflow, e.g., for treatment planning, they need to be validated by experiments and (pre)clinical studies. One of the most important applications of numerical modeling is computer-assisted treatment planning. A prerequisite for the success of all electroporation-based treatments is the complete coverage of the clinical target volume with a sufficiently high electric field. The distribution of the electric field in the tissue depends mainly on the electrode configuration and the parameters of the delivered pulse. Accurately determining the distribution of the electric field in the tissue, especially for deep-seated targets, is not a trivial task. Treatment planning based on patient-specific numerical models and optimization of treatment parameters, is advisable to ensure a successful treatment outcome. Despite the technological advances, treatment planning is still not part of the standard clinical practice for electroporation-based treatments; the major limitation stems from the fact that plans are currently generated prior to the procedure. The development of real-time treatment planning using actual electrode positions will allow real-time control of treatment parameters and outcome, and is a critical step toward introducing computer-assisted treatment planning into routine clinical practice. The aim of this dissertation is to improve future electroporation-based treatments through numerical modeling and computer-assisted treatment planning. First, a brief introduction to the clinical application of electroporation is given; then, the fundamentals of treatment planning are described, followed by an overview of the numerical approaches used in modeling the electroporation phenomenon. The main body of the dissertation consists of six original research papers published in international journals that comprise the work performed in the dissertation. The methodology and results are discussed in detail in the papers, therefore only the discussion and conclusions of the presented papers are reproduced at the end of the dissertation. Three original contributions to science are included within this dissertation. First, the numerical model of electroporation in the liver was validated using preclinical and clinical data. Second, the safety and efficacy aspects of electroporation-based treatments were numerically evaluated in risky clinical scenarios, such as near implanted pacemakers or in the presence of multiple metallic implants within the treatment zone. The feasibility and safety of a new treatment approach for spinal metastases was also numerically evaluated, demonstrating the utility of numerical modeling in the development of new treatments. Finally, an optimization algorithm for electrode placement was developed without using computationally intensive methods. The algorithm significantly reduces the time and expertise required to develop a treatment plan and is a step toward real-time treatment planning. elektroporacija elektrokemoterapija ireverzibilna elektroporacija onkologija numerični modeli načrtovanje zdravljenja optimizacija minimalno invazivno zdravljenje perkutana ablacija ablacija validacija electroporation electrochemotherapy irreversible electroporation oncology numerical model treatment planning optimization minimally invasive treatment percutaneous ablation ablation validation true false false Slovenski jezik Angleški jezik Doktorsko delo/naloga 2023-03-03 11:35:00 2023-03-03 11:35:17 2023-03-04 03:48:48 0000-00-00 00:00:00 2023 0 0 0000-00-00 NiDoloceno NiDoloceno NiDoloceno 0000-00-00 0000-00-00 0000-00-00 1970-01-01 52201 143940355 Cindric_Helena_-_Numericno_modeliranje_in_nacrtovanje_zdravljenja_za_klinicne_aplikacije_elektro.pdf Cindric_Helena_-_Numericno_modeliranje_in_nacrtovanje_zdravljenja_za_klinicne_aplikacije_elektro.pdf 1 2E3D1FF53343E51B20F711E18C1F9358 ff836f2b0a9d166bc52cfd792022d16336799eb8e7452ca1ce95d13b4dd0b0c1 14c5c739-b9af-11ed-a314-00155dcfd717 https://repozitorij.uni-lj.si/Dokument.php?lang=slv&id=167055 Fakulteta za elektrotehniko 0 0 0