Neue Strategien in Planung und Durchführung von Thermoablationen in der Leber

Abstract

Allein in Deutschland erkranken jährlich über 40 000 Menschen neu an primären oder sekundären malignen Lebertumoren. Nach wie vor gilt die Leberteilresektion als die Therapie der Wahl, da sie die größten Heilungsraten erzielt. Allerdings können primär nur bis maximal ein Drittel der Patienten mit hepatozellulärem Karzinom (HCC) und nur ein Viertel der Patienten mit ausschließlicher hepatischer Filiarisierung des kolorektalen Karzinoms einer Operation zugeführt werden. Durch den Einsatz kombinierter neoadjuvanter Chemotherapieschemata konnte die Resektabilität von Lebermetastasen des kolorektalen Karzinoms auf 20–40 % gesteigert werden; beim HCC erreichen die lokale und neuerdings die systemische Chemotherapie als palliative Verfahren eine Verlängerung des medianen Überlebens um bis zu 3 Monate. Bei Komorbidität der Patienten oder kritischer intrahepatischer Tumorlokalisation und verteilung stellen Ablationsverfahren eine Therapiealternative dar. Um adäquate klinische Ergebnisse zu erzielen, müssen die Tumoren mit einem Sicherheitsabstand von mindestens 5–10 mm abladiert werden. Bei allen hyperthermen Ablationsverfahren – mit ihren Hauptvertretern Laser- und Radiofrequenzablation – werden Temperaturen im Zielgewebe zwischen 70 und 100 °C angestrebt. Durch Kühleffekte benachbarter Gefäße werden die Effekte der Thermoablation allerdings limitiert. Für eine adäquate Thermoablation sind daher einerseits eine individuelle Behandlungsplanung auch unter Berücksichtigung der individuellen Gefäßanatomie und andererseits eine Weiterentwicklung der Ablationssysteme wünschenswert. Wesentliche Bestandteile einer präoperativen und präablativen Planung sind die Bestimmung des Lebervolumens sowie die Berechnung von Leberteilvolumina. In bisherigen Protokollen wurden zur Ermittlung der Genauigkeit der In-situ- Lebervolumenberechnung häufig Leberresektatgewichte als Goldstandard herangezogen, was aber aufgrund der zu erwartenden unterschiedlichen Perfusionszustände der Leber problematisch ist. Mit Hilfe eines tierexperimentellen Ex-vivo-Modells untersuchten wir daher zunächst den Einfluss des Durchblutungszustandes der Leber auf das Lebervolumen sowie die Genauigkeit einer bildbasierten computergestützten Berechnung des Lebervolumens. Hierbei zeigte sich, dass das Volumen der Lebern im nicht perfundierten Zustand durchschnittlich nur 67 % des Volumens der Lebern im perfundierten Zustand beträgt. Die computergestützte Berechnung des Lebervolumens hingegen arbeitete mit einer Genauigkeit von 4  5 %, so dass sie geeignet ist, in der Planung verlässlich eingesetzt zu werden. Aufgrund der limitierenden Kühleffekte benachbarter intrahepatischer Gefäße sollte ihre individuelle Anatomie vor einer Thermoablation bekannt sein. Dreidimensionale Darstellungen erleichtern die räumliche Orientierung und die prätherapeutische Planung. Die hierfür erforderliche Segmentierungsgenauigkeit einer bildbasierten computergestützten Gefäßanalyse untersuchten wir für das Pfortadersystem in einem In-vivo-Schweinemodell mit portalvenösen Ausgusspräparaten als Goldstandard. Für die Gefäßsegmentierung der In-vivo- Datensätze wurden Sensitivitäten von 82 % bzw. 100 % für Pfortaderäste mit einem Durchmesser von 3–4 mm bzw. ≥ 5 mm erreicht. Für die Segmentierung der Ausgusspräparate ergaben sich Sensitivitäten von 73 % für Pfortaderäste bis 1 mm Durchmesser und 100 % für Pfortaderäste ≥ 3 mm Durchmesser. Daher kann das System als hinreichend genau für die Planung von Thermoablationen betrachtet werden. In zwei weiteren Arbeiten zur bilddatenbasierten semiautomatischen Gefäß- und Parenchymsegmentierung bei 27 bzw. 28 Spendern vor einer Leberlebend-transplantation konnten wir ebenfalls sehr hohe Genauigkeiten bei der Segmentierung der individuellen lebervenösen und portalvenösen Gefäßanatomie zeigen. Anschließend wurden die Informationen aus Gefäßbaumanalyse und Leberparenchymsegmentierung kombiniert. Die auf dieser Kombination aufbauenden semi¬automatischen Berechnungen von portalvenösen Perfusions- und lebervenösen Drainagegebieten korrelierten sehr gut mit den Gewichten der Leberteilresektate. Ergänzend zu anatomischen Gefäßbetrachtungen sollte das genaue Ausmaß der Kühleffekte einer Thermoablation benachbarter hepatischer Gefäße bekannt sein. Bisher wurden die verschiedenen Lebergefäßsysteme hinsichtlich ihres Kühleffektes nicht differenziert betrachtet. In einer experimentellen In-vivo-Studie zur quantitativen und qualitativen Bestimmung der Kühleffekte beobachteten wir signifikant unterschiedliche Kühleffekte von Lebervenen und Portalfeldern. So waren die Kühleffekte der Lebervenen stets umschrieben in unmittelbarer Gefäßnähe, während Portalfelder zu breiten Abflachungen der Ablationszonen auch in größerem Abstand zur Ablationssonde führten. Diese unterschiedlichen Effekte von Lebervenen und Portalfeldern sowie die individuelle Lebergefäßanatomie sollten bei der Planung von Thermoablationen von Tumoren in Gefäßnähe Berücksichtigung finden. Auch durch die Weiterentwicklung der Ablationssysteme konnten die Ergebnisse der Thermoablation verbessert werden. Allerdings blieben einige Nachteile der monopolaren RF-Ablation, wie z. B. die heterogene Energieverteilung sowie die auf maximal 5 cm im Durchmesser limitierte Größe der Ablationszonen, bestehen. In einer Pilotstudie untersuchten wir die Praktikabilität, die technische Effektivität, potenzielle Komplikationen sowie Größe und Form der Ablationszonen der bi- und multipolaren RF-Ablation. Diese ermöglichte gegenüber den bisher verwendeten Ablations¬systemen größere Ablationszonen bei vergleichbarer Praktikabilität, so dass eine Erweiterung des Indikationsspektrums auch auf größere Tumoren für die RF-Ablation zu erwarten ist. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeiten, dass bei einer adäquaten bildbasierten Therapieplanung und bei Einsatz neuartiger Ablationssysteme eine effiziente und individuell adaptierte Thermoablation von Lebertumoren möglich ist.

In Germany alone, more than 40 000 new cases of primary or secondary liver cancer are diagnosed each year. Partial hepatectomy is still regarded as the therapy of choice, since it has the highest cure rate. However, primary surgery is only feasible in up to one third of the patients with hepatocellular carcinoma (HCC) and in only one fourth of those with exclusively hepatic metastases of colorectal cancer. Combined neoadjuvant chemotherapy has increased the resectability of colorectal liver metastases to 20–40 %; in HCC patients, palliative local and recently also systemic chemotherapy prolong median survival by up to 3 months. Ablation procedures are an alternative in patients with comorbidity or a critical intrahepatic tumor localization and distribution. To achieve adequate clinical results, tumors must be ablated with a safety margin of at least 5–10 mm. Target tissue temperatures should range from 70 to 100 °C for all hyperthermic ablation procedures – mainly laser and radiofrequency (RF) ablation. However, the effects of thermal ablations are limited by cooling effects of adjacent vessels. Thus adequate thermal ablation is achieved, on the one hand, by individual treatment planning that takes into account variations in the vascular anatomy and, on the other hand, by advancement of the ablation systems. Determining the liver volume and calculating partial liver volumes are essential components of presurgery and preablation planning. In previous protocols, the weights of hepatectomy specimens were often used as the gold standard for assessing the accuracy of in situ liver volume calculations. This is problematic, however, since liver perfusion varies. We therefore used an ex vivo animal model to examine the influence of perfusion on liver volume and the accuracy of image-based computer-aided liver volume calculation. Non- perfused livers were found to have only 67 % of the mean volume of perfused livers. However, computer-aided liver volume calculation was associated with 4  5 % accuracy and thus enables reliable planning. Since adjacent intrahepatic vessels limit therapy by their cooling effects, it is important to gain insight into their individual anatomy prior to thermal ablation. Three- dimensional representations facilitate spatial orientation and pretreatment planning. We investigated the requisite segmentation accuracy of image-based computer-aided vascular analysis for the portal system using an in vivo pig model with portovenous cast specimens as the gold standard. For vessel segmentation of the in vivo data sets, sensitivities of 82% or 100% were achieved for portal vein branches with a diameter of 3–4 mm or ≥ 5 mm. For segmentation of the cast specimens, sensitivities were 73 % or 100% for portal vein branches up to 1 mm or ≥ 3 mm in diameter. The system can therefore be considered accurate enough for planning thermal ablations. In two other studies on image-data-based vessel and parenchyma segmentation in 27 and 28 donors prior to living donated liver transplantation, we were also able to demonstrate very high accuracy in the segmentation of individual hepatic and portal vascular anatomy. Information from vascular tree analysis and liver parenchyma segmentation was then combined. The semiautomatic calculations of portovenous perfusion and hepatovenous drainage areas based on this combination were highly correlated with the weights of the partial hepatectomy specimens. Assessments of the vascular anatomy should be supplemented by knowledge of the precise extent to which cooling effects of adjacent hepatic vessels influence thermal ablation. Up to now, the various hepatic vessel systems have not been differentially assessed with regard to their cooling effects. We performed an experimental in vivo study for quantitative and qualitative analysis of the cooling effects and found that they differed significantly between hepatic veins and portal fields. The cooling effects of the hepatic veins were always circumscribed in direct vessel proximity, whereas portal fields led to broad flattening of the ablation zones even at a greater distance. These different effects of hepatic veins and portal fields as well as the individual hepatic vessel anatomy should be taken into consideration when planning thermal ablations of tumors near blood vessels. The results of thermal ablation were also improved by advancement of the ablation systems. However, some disadvantages of monopolar RF ablation still remained (e.g., heterogeneous energy distribution and a maximum ablation zone diameter of 5 cm). In a pilot study, we investigated bi- and multipolar RF ablation for practicability, technical effectiveness, and potential complications as well as for the size and shape of the ablation zone. Since multipolar RF ablation enabled larger ablation zones than the hitherto applied ablation systems with comparable practicability, the spectrum of indications for RF ablation will probably be expanded to also include larger tumors. Taken together, the results of these studies show that effective and individually adapted thermal ablation of liver tumors can be achieved by adequate image- based treatment planning and novel ablation systems.