Temperature simulations in hyperthermia treatment

Authors: René F Verhaart Zef Rijnen Valerio Fortunati Gerda M Verduijn Theo van Walsum Jifke F Veenland Margarethus M Paulides

Publish Date: 2014/07/12

Volume: 190, Issue: 12, Pages: 1117-1124

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Abstract

Hyperthermia treatment planning HTP is used in the head and neck region HN for pretreatment optimization decision making and realtime HTPguided adaptive application of hyperthermia In current clinical practice HTP is based on powerabsorption predictions but thermal dose–effect relationships advocate its extension to temperature predictions Exploitation of temperature simulations requires region and temperaturespecific thermal tissue properties due to the strong thermoregulatory response of HN tissues The purpose of our work was to develop a technique for patient groupspecific optimization of thermal tissue properties based on invasively measured temperatures and to evaluate the accuracy achievableData from 17 treated patients were used to optimize the perfusion and thermal conductivity values for the Pennes bioheat equationbased thermal model A leaveoneout approach was applied to accurately assess the difference between measured and simulated temperature ∆T The improvement in ∆T for optimized thermal property values was assessed by comparison with the ∆T for values from the literature ie baseline and under thermal stressThe optimized perfusion and conductivity values of tumor muscle and fat led to an improvement in simulation accuracy ∆T 21 ± 12 °C compared with the accuracy for baseline ∆T 127 ± 111 °C or thermal stress ∆T 44 ± 35 °C property valuesThe presented technique leads to patient groupspecific temperature property values that effectively improve simulation accuracy for the challenging HN region thereby making simulations an elegant addition to invasive measurements The rigorous leaveoneout assessment indicates that improvements in accuracy are required to rely only on temperaturebased HTP in the clinicDie Hyperthermiebehandlungsplanung HTP hyperthermia treatment planning wird in der Kopf und Halsregion zur Optimierung der Vorbehandlung Entscheidungsfindung und zur Echtzeitanpassung der Behandlung verwendet In der gegenwärtigen klinischen Praxis basiert die HTP auf Vorhersagen der Energieabsorption Die WärmeDosisWirkungsBeziehung befürwortet jedoch eine Erweiterung durch Temperaturvorhersagen Aufgrund der starken thermoregulatorischen Reaktion des Kopf und Halsgewebes sind für die Ausnutzung von Temperatursimulationen region und temperaturspezifische thermische Gewebeeigenschaften notwendig Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur patientengruppenspezifischen Optimierung von thermischen Gewebeeigenschaften basierend auf invasiv gemessenen Temperaturen Anschließend soll die mit dieser Methode erreichbare Genauigkeit evaluiert werdenDie Perfusions und Wärmeleitfähigkeitswerte des thermischen Modells basierend auf der Bioheat Equation von Pennes wurden unter Verwendung der Daten von 17 behandelten Patienten optimiert Für die genaue Bestimmung der Differenz zwischen der gemessenen und simulierten Temperatur ∆T wurde ein LeaveOneOut Validierungsverfahren verwendet Zur Evaluierung der Verbesserung von ∆T unter Verwendung der optimierten Wärmeeigenschaftswerte wurden diese mit Werten aus der Literatur sowohl ohne als auch mit thermischer Belastung verglichenDie optimierten Perfusions und Wärmeleitfähigkeitswerte für Tumore Muskeln und Fett führen zu einer Verbesserung der Simulationsgenauigkeit ∆T 21 ± 12 °C im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ohne ∆T 127 ± 111 °C und mit thermischer Belastung ∆T 44 ± 35 °CDie vorgestellte Methode führt zu patientengruppenspezifischen Temperatureigenschaftswerten welche die Simulationsgenauigkeit in der anspruchsvollen Kopf und Halsregion erheblich verbessern Simulationen bilden somit eine elegante Ergänzung zu invasiven Messungen Die rigorose LeaveOneOut Validierung zeigt dass Verbesserungen bezüglich der Genauigkeit notwendig sind um im Krankenhaus allein auf die temperaturbasierte HTP vertrauen zu können

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