Dosimétrie clinique en radiothérapie moléculaire

La radiothérapie moléculaire (RTM) est une radiothérapie systémique, où le produit radiopharmaceutique se lie spécifiquement sur les tumeurs pour détruire sélectivement les cibles cancéreuses tout en préservant les organes sains. Lutathera® (177Lu-DOTATATE) est un radiopharmaceutique récemment approuvé par la FDA/EMA pour le traitement des tumeurs neuroendocrines gastro-entéro-pancréatiques (GEP-NETs). Dans la pratique clinique, les patients reçoivent une activité fixe de Lutathera®, 4 cycles de 7,4 GBq, en supposant que la pharmacocinétique du radiopharmaceutique est même entre les patients. La dosimétrie spécifique au patient permet un changement de paradigme majeur dans l'administration de la RTM, passant d'une approche "taille unique" à une véritable médecine personnalisée où l'activité administrée est évaluée spécifiquement sur la base de l'irradiation délivrée à chaque patient. Pour ce faire, il faut généralement déterminer la distribution spatiale du radiopharmaceutique dans les organes par imagerie à différents moments (imagerie quantitative), estimer le nombre total de désintégrations radioactives en intégrant l'activité dans le temps (évaluation pharmacocinétique) et calculer la dose absorbée à partir des caractéristiques physiques du radionucléide et du transport de l'énergie dans les tissus du patient. Actuellement, il n'existe pas de procédures normalisées pour effectuer la dosimétrie clinique. En outre, l'évaluation des incertitudes associées à la procédure de dosimétrie n'est pas triviale. Le projet DosiTest a été lancé pour évaluer les incertitudes associées à chacune des étapes du flux de travail de la dosimétrie clinique, via une inter-comparaison multicentrique basée sur la modélisation de Monte Carlo (MC). La première phase de la thèse a consisté à comparer les analyses dosimétriques effectuées par différents centres utilisant le même logiciel et le même protocole sur le même ensemble de données de patients dans le cadre du projet IAEA-CRP E23005 afin d'évaluer la précision de la dosimétrie clinique. À notre connaissance, c'est la première fois qu'une comparaison dosimétrique multicentrique d'un seul ensemble de données cliniques sur un patient a été entreprise en utilisant le même protocole et le même logiciel par de nombreux centres dans le monde entier. Elle a mis en évidence le besoin crucial d'établir des points de contrôle et d'effectuer des vérifications de bon sens pour éliminer les disparités significatives entre les résultats et distinguer les pratiques erronées de la variabilité inter-opérateurs acceptable. Un résultat important de ce travail a été le manque d'assurance qualité en dosimétrie de médecine nucléaire clinique et la nécessité de développer des procédures de contrôle qualité. Alors que la dosimétrie gagne en popularité en médecine nucléaire, les meilleures pratiques doivent être adoptées pour garantir la fiabilité, la traçabilité et la reproductibilité des résultats. Cela met également en avant la nécessité de dispenser une formation suffisante après l'acquisition des progiciels relativement nouveaux, au-delà de quelques jours. Ceci est clairement insuffisant dans le contexte d'un domaine émergent où l'expérience professionnelle fait souvent défaut. Ensuite, l'étude de l'exactitude de la dosimétrie clinique nécessite de générer des ensembles de données de test, afin de définir la vérité de base par rapport à laquelle les procédures de dosimétrie clinique peuvent être comparées. La deuxième section de la thèse traite de la simulation de l'imagerie TEMP scintigraphique tridimensionnelle en implémentant le mouvement du détecteur d'auto-contournement dans la boîte à outils Monte Carlo GATE. Après la validation des projections TEMP/TDM sur des modèles anthropomorphes, une série d'images réalistes de patients cliniques a été générée. La dernière partie de la thèse a établi la preuve de concept du projet DosiTest, en utilisant un ensemble de données TEMP/TDM virtuelles (simulées) à différents moments, avec différentes gamma-caméras, permettant de comparer différentes techniques dosimétriques et d'évaluer la faisabilité clinique du projet dans certains départements de médecine nucléaire.Molecular radiotherapy (MRT) is a systemic radiotherapy where the radiopharmaceutical binds specifically to tumours to selectively destroy cancer targets while sparing healthy organs. Lutathera® (177Lu-DOTATATE) is a radiopharmaceutical that was recently FDA/EMA approved for the treatment of the GastroEnteroPancreatic NeuroEndocrine Tumours (GEP-NETs). In clinical practice, patients are administered with a fixed activity of Lutathera®, assuming that radiopharmaceutical distribution is the same for all patients. Patient-specific dosimetry allows for a major paradigm shift in the administration of MRT from "one-size-fits-all" approach, to real personalised medicine where administered activity is assessed specifically on the base of the irradiation delivered to each patient. This usually requires determining the spatial distribution of the radiopharmaceutical in various organs via imaging at different times (quantitative imaging), estimating the total number of radioactive decays by integrating activity over time (pharmacokinetic assessment) and calculating the absorbed dose using the physical characteristics of the radionuclide and implementing radiation transport in patient's tissues. Currently, there are no standardised procedures to perform clinical dosimetry. In addition, the assessment of the uncertainties associated with the dosimetry procedure is not trivial. The DosiTest project (http://www.dositest.org/) was initiated to evaluate uncertainties associated with each of the steps of the clinical dosimetry workflow, via a multicentric inter-comparison based on Monte Carlo (MC) modelling. The first phase of the thesis compared dosimetry analysis performed by various centres using the same software and protocol on the same patient dataset as a part of IAEA-CRP E23005 project in order to appraise the precision of clinical dosimetry. To our knowledge, this is the first time that a multi-centric dosimetry comparison of a single clinical patient dataset has been undertaken using the same protocol and software by many centres worldwide. It highlighted the critical need to establish checkpoints and conduct sanity checks to eliminate significant disparities among results, and distinguish erroneous practice with acceptable inter-operator variability. A significant outcome of this work was the lack of quality assurance in clinical nuclear medicine dosimetry and the need for the development of quality control procedures. While dosimetry is gaining popularity in nuclear medicine, best practices should be adopted to ensure that results are reliable, traceable, and reproducible. It also brings forward the need to deliver sufficient training after the acquisition of the relatively new software packages beyond a couple of days. This is clearly insufficient in a context of an emerging field where the professional experience is quite often lacking. Next, the study of clinical dosimetry accuracy requires generating test datasets, to define the ground truth against which clinical dosimetry procedures can be benchmarked. The second section of the thesis addressed the simulation of three-dimensional scintigraphic SPECT imaging by implementing auto-contouring detector motion in the GATE Monte Carlo toolkit. Following the validation of SPECT/CT projections on anthropomorphic models, a series of realistic clinical patient images were generated. The last part of the thesis established the proof of concept of the DosiTest project, using a virtual (simulated) SPECT/CT dataset at various time points, with various gamma cameras, enabling comparison of various dosimetric techniques and to assess the clinical feasibility of the project in selected nuclear medicine departments

Biomaterials in skull base surgery

Reconstruction materials and techniques for the base of the skull have undergone rapid developments and differentiation in recent years. While mostly autotransplants, collagens or resorbable alloplastic materials are preferred for duraplasties, pronounced organ-specific differences can be observed in the reconstruction of hard tissues. The use of polymethylmethacryl bone cement, once wide-spread, has decreased greatly due to the release of toxic monomers. Bony autotransplants are still used primarily for smaller skull-base defects, intraoperatively formable titanium nets may be also used for larger fronto- or laterobasal reconstructions of bony defects. Defects in visible areas are increasingly closed with preformed titanium or ceramic implants, which are planned and fitted to the individual patient using preoperative CT imaging. At the skull base, this applies especially to reconstructions of the frontal sinus. For extensive reconstructions of the orbita, titanium nets and non-resorbable plastics have proven valuable; in closing smaller defects especially of the orbital floor, resorbable implants based on Polyglactin 901 are also used

Modelling the Human Cardiac Fluid Mechanics. 4th ed

With the Karlsruhe Heart Model (KaHMo) we aim to share our vision of integrated computational simulation across multiple disciplines of cardiovascular research, and emphasis yet again the importance of Modelling the Human Cardiac Fluid Mechanics within the framework of the international STICH study. The focus of this work is on integrated cardiovascular fluid mechanics, and the potential benefits to future cardiovascular research and the wider bio-medical community

Modelling the human cardiac fluid mechanics. 3rd ed

The third edition of this article on the modelling and simulation of the flow in human hearts supplements earlier editions. It discusses the flow-structure coupled heart model KAHMO FSI (Karlsruhe Heart Model) and examines patient-specific clinical application of the heart model for cardiac surgery. The KAHMO heart model can be used to predict flow losses and flow structures due to pathalogical ventricle defects. These are considered before and after surgery

Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab

From bench to bedside - current clinical and translational challenges in fibula free flap reconstruction.

Fibula free flaps (FFF) represent a working horse for different reconstructive scenarios in facial surgery. While FFF were initially established for mandible reconstruction, advancements in planning for microsurgical techniques have paved the way toward a broader spectrum of indications, including maxillary defects. Essential factors to improve patient outcomes following FFF include minimal donor site morbidity, adequate bone length, and dual blood supply. Yet, persisting clinical and translational challenges hamper the effectiveness of FFF. In the preoperative phase, virtual surgical planning and artificial intelligence tools carry untapped potential, while the intraoperative role of individualized surgical templates and bioprinted prostheses remains to be summarized. Further, the integration of novel flap monitoring technologies into postoperative patient management has been subject to translational and clinical research efforts. Overall, there is a paucity of studies condensing the body of knowledge on emerging technologies and techniques in FFF surgery. Herein, we aim to review current challenges and solution possibilities in FFF. This line of research may serve as a pocket guide on cutting-edge developments and facilitate future targeted research in FFF