Computer-assisted approaches to support radiofrequency ablations of spinal metastases

Abstract

The spine is the most common body part to develop bone metastases from various primary tumours with increasing case numbers over the last decades. The drastic effects on the quality of life evoked by spinal metastases, such as severe pain symptoms or neurological deficits due to nerve root and spinal cord compressions, demand a fast-acting, yet gentle therapeutic solution, as enabled by minimally invasive interventions like radiofrequency ablations. For this purpose, one or multiple applicators with electrode needle tips are placed within the tumour volume and necrotise the cancerous tissue by high frequency-induced tissue heating. The entire clinical workflow of such a minimally invasive intervention is based on medical imaging, starting from the initial diagnosis over image-guidance during the intervention to therapy control via follow-up scans. Computer-assisted strategies can support the radiologists to obtain more relevant information from the acquired images and to transfer these to subsequent processing steps. This enables a more sophisticated workflow, while reducing the required time and workload of the radiologists. However, the specific image processing aspects to achieve this goal are challenging with regard to the required expert-like performance, high level of automatisation, and short computational times. This thesis focuses on various aspects throughout the clinical workflow of radiofrequency ablations of spinal metastases. For this purpose, the thesis is structured following the chronological sequence of the clinical process and contains approaches to support the radiologist during the pre-, intraand post-interventional phase. Limitations and gaps in the existing state of the art of each aspect led to the development and implementation of novel strategies to provide suitable and applicable solutions. In detail, segmentation approaches of involved anatomical structures like vertebral bodies, metastases and resulting necrosis zones have been developed - the latter two being, to the best of the author’s knowledge, the first of their kind. Furthermore, an image registration method is presented, which is able to cope with the poor image quality of interventional imaging and the specific issue of spinal deformations due to different patient positioning. Finally, a novel framework is proposed to automatically visualise and quantify the treatment outcome of spinal metastasis interventions. Each of the above-mentioned methods has been evaluated on a wide range of patient data in order to demonstrate robustness, reliability, accuracy, and speed to meet the clinical objectives.

Die Wirbelsäule ist die muskuloskelettale Struktur, in der sich am häufigsten Knochenmetastasen verschiedenster Primärtumore entwickeln und dies mit stetig steigenden Fallzahlen in den letzten Jahrzehnten. Wirbelsäulenmetastasen verursachen eine drastische Beeinträchtigung der Lebensqualität der meisten Patienten, bedingt durch eine ausgeprägte Schmerzsymptomatik sowie teilweise durch neurologische Ausfallerscheinungen aufgrund von Nervenwurzel- und Rückenmarkkompressionen. Dies wiederum erfordert eine unverzögert wirksame, aber im Hinblick auf das fortgeschrittene Alter der meisten Patienten trotz allem schonende therapeutische Lösung, wie sie insbesondere minimal-invasive Eingriffe, beispielsweise die Radiofrequenzablation, versprechen. Hierbei werden ein oder mehrere Applikatoren mit Elektroden an deren Spitze in dem Tumorvolumen platziert, welche anschließend das metastasierte Gewebe mittels hochfrequenzinduzierter Gewebeerhitzung nekrotisieren. Die medizinische Bildgebung spielt während des gesamten klinisch-therapeutischen Prozesses einer minimal-invasiven Intervention eine entscheidende Rolle; angefangen bei der initialen Diagnose, über die bildgestützte Durchführung des Eingriffs, bis hin zur abschließenden Therapiekontrolle mittels Bildgebung. Computergestützte Strategien können Radiologen gezielt dabei helfen, aus den generierten Bildern zusätzlich relevante Informationen zu gewinnen und diese auch auf nachfolgende Prozessschritte zu übertragen. Dies eröffnet die Perspektive auf einen insgesamt fortschrittlicheren klinischen Arbeitsablauf und reduziert darüber hinaus die zeitliche und mentale Arbeitsbelastung der beteiligten Radiologen. Die spezifischen Bildverarbeitungsaspekte zur Erreichung dieses Ziels sind jedoch im Hinblick auf ihre Komplexität sowie die erforderliche methodische Genauigkeit und die kurzen Berechnungszeiten, eine Herausforderung. Diese Dissertation thematisiert verschiedene Aspekte des klinischen Arbeitsablaufs bei der Radiofrequenzablation von Wirbelsäulenmetastasen. Hierzu folgt die Arbeit dem chronologischen Ablauf des klinischen Prozesses und beinhaltet Strategien für die zielgerichtete Unterstützung der Radiologen während der prä-, intra- und post-interventionellen Phase. Bestehende Limitationen oder Lücken im derzeitigen Stand der Technik jedes einzelnen Aspektes erforderten die Entwicklung und Umsetzung neuer Lösungsstrategien, welche auf geeignete Art und Weise die klinischen und technischen Anforderungen erfüllen. Im Detail wurden Verfahren zur Segmentierung von relevanten anatomischen Strukturen, wie bspw. der Wirbelkörper, der Metastasen und der resultierenden Nekrosezonen entwickelt, sowie ein Bildregistrierungsverfahren, das der schlechteren Bildqualität interventioneller Bildgebung und dem spezifischen Problem derWirbelsäulendeformationen aufgrund unterschiedlicher Patientenpositionierung gerecht wird. Abschließend wird ein Framework vorgestellt, welches eine automatische Quantifizierung und Visualisierung des Behandlungserfolges nach tumorbedingten Wirbelsäuleninterventionen ermöglicht. Jede der oben genannten Methoden bzw. Lösungsstrategien wurde mithilfe einer Vielzahl von klinischen Patientendaten evaluiert, um die benötigte Robustheit, Genauigkeit und Geschwindigkeit der Verfahren zu demonstrieren.