Unsupervised Segmentation of Head Tissues from Multi-modal MR Images for EEG Source Localization

In this paper, we present and evaluate an automatic unsupervised segmentation method, hierarchical segmenta- tion approach (HSA)–Bayesian-based adaptive mean shift (BAMS), for use in the construction of a patient-specific head conductivity model for electroencephalography (EEG) source localization. It is based on a HSA and BAMS for segmenting the tissues from multi-modal magnetic resonance (MR) head images. The evaluation of the proposed method was done both directly in terms of segmentation accuracy and indirectly in terms of source localization accuracy. The direct evaluation was performed relative to a commonly used reference method brain extraction tool (BET)–FMRIB’s automated segmenta- tion tool (FAST) and four variants of the HSA using both synthetic data and real data from ten subjects. The synthetic data includes multiple realizations of four different noise levels and several realizations of typical noise with a 20 % bias field level. The Dice index and Hausdorff distance were used to measure the segmentation accuracy. The indirect evaluation was performed relative to the reference method BET-FAST using synthetic two-dimensional (2D) multimodal magnetic resonance (MR) data with 3 % noise and synthetic EEG (generated for a prescribed source). The source localiza- tion accuracy was determined in terms of localization error and relative error of potential. The experimental results dem- onstrate the efficacy of HSA-BAMS, its robustness to noise and the bias field, and that it provides better segmentation accuracy than the reference method and variants of the HSA. They also show that it leads to a more accurate localization accuracy than the commonly used reference method and sug- gest that it has potential as a surrogate for expert manual segmentation for the EEG source localization problem

Immunogenicity of premalignant lesions is the primary cause of general cytotoxic T lymphocyte unresponsiveness

Cancer is sporadic in nature, characterized by an initial clonal oncogenic event and usually a long latency. When and how it subverts the immune system is unknown. We show, in a model of sporadic immunogenic cancer, that tumor-specific tolerance closely coincides with the first tumor antigen recognition by B cells. During the subsequent latency period until tumors progress, the mice acquire general cytotoxic T lymphocyte (CTL) unresponsiveness, which is associated with high transforming growth factor (TGF) β1 levels and expansion of immature myeloid cells (iMCs). In mice with large nonimmunogenic tumors, iMCs expand but TGF-β1 serum levels are normal, and unrelated CTL responses are undiminished. We conclude that (a) tolerance to the tumor antigen occurs at the premalignant stage, (b) tumor latency is unlikely caused by CTL control, and (c) a persistent immunogenic tumor antigen causes general CTL unresponsiveness but tumor burden and iMCs per se do not

Hyperthermia treatment planning and hybrid hyperthermia

Inhaltsverzeichnis 4 1\. Einleitung 6 1.1. Geschichtliche und allgemeine Aspekte der Hyperthermie 6 1.2. Zelluläre Aspekte der Hyperthermie 7 1.3. Einfluß auf Gewebe und andere Therapiemodalitäten 8 1.4. Klinische Ergebnisse 10 1.5. Technische Aspekte der Hyperthermie 11 1.6. Therapiekontrolle 13 1.7. Hyperthermie-Behandlungsplanung 15 2\. Zielstellung 16 3\. Originalarbeiten 17 3.1. Klinische Evaluation und Verifikation des Hyperthermie-Behandlungs- planungs-Systems HyperPlan (Originalarbeit 1) 17 3.2. Simulation verschiedener Applikatorpositionen bei der Behandlung eines präsakralen Tumors (Originalarbeit 2) 30 3.3. Teilkörperhyperthermie mit einem Radiofrequenz- Multiantennen-Applikator unter online Kontrolle in einem 1,5 T MR-Tomographen (Originalarbeit 3) 42 3.4. Methoden und Potentiale der MR-Bildgebung für das Monitoring der Radiofrequenz-Hyperthermie in einem Hybridsystem (Originalarbeit 4) 55 3.5. Nicht invasive MR-Thermographie beim Rektum-Ca- Rezidiv (Originalarbeit 5) 73 3.6. Nicht invasive MR-Thermographie bei Weichteilsarkomen während regionaler Hyperthermie: Korrelation mit Response und direkter Thermometrie (Originalarbeit 6) 83 3.7. Vergleich der MR- Thermographie mit Planungsrechnungen an Phantomen (Originalarbeit 7) 94 3.8. Adaption von Antenneprofilen für die MR geführte Hyperthermie in einem MR-HT Hybridsystem (Originalarbeit 8) 104 4\. Diskussion 114 4.1. Klinische Evaluation und Verifikation des Hyperthermie-Behandlungsplanungs-Systems HyperPlan 114 4.2. Simulation verschiedener Applikatorpositionen bei der Behandlung eines präsakralen Tumors 116 4.3. Teilkörperhyperthermie mit einem Radiofrequenz-Multiantennen-Applikator unter online Kontrolle in einem 1,5 T MR-Tomographen 118 4.4. Methoden und Potentiale der MR-Bildgebung für das Monitoring der Radiofrequenz-Hyperthermie in einem Hybridsystem 120 4.5. Nicht invasive MR-Thermographie beim Rektum-Ca-Rezidiv 124 4.6. Nicht invasive MR- Thermographie bei Weichteilsarkomen während regionaler Hyperthermie: Korrelation mit Response und direkter Thermometrie 126 4.7. Vergleich der MR- Thermographie mit Planungsrechnungen an Phantomen 128 4.8. Adaption von Antennenprofilen für die MR geführte Hyperthermie in einem MR-HT Hybridsystem 129 5\. Zusammenfassung und Ausblick 131 6\. Literaturverzeichnis 134 6.1 Abkürzungsverzeichnis 150 7\. Danksagung 153 8\. Eidesstattliche Erklärung 155Die Arbeit beschreibt die schrittweise Entwicklung der Hybrid-Hyperthermie, einer Kombination aus einer Radiofrequenz-Hyperthermie Einheit mit kontinuierlicher MR-tomographischer Überwachung. Die ersten Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Validierung des ersten dreidimensionalen Hyperthermie-Behandlungsplanungs-Systems (HTPS) anhand bereits vorliegender therapeutischer Messdaten (Originalarbeit 1). Im Ergebnis erwies sich das Planungssystem als tragfähiges „Konzept“ für die ersten technischen Therapiesimulationen, um grundsätzliche Fragen zur „Hardware“ der Hyperthermie zu beantworten. Dabei standen die virtuelle Entwicklung und Testung von 3D–steuerbaren Applikatoren sowie deren optimale Positionierung im Vordergrund (Originalarbeit 2). Parallel erfolgten erste Optimierungen der Therapiekontrolle und –dokumentation mittels nichtinvasiver Thermometrie über MRT. Auf der Grundlage dieser Forschungsergebnisse wurde der Forschungsschwerpunkt auf die Zusammenführung der nicht invasiven Thermometrie mit 3D-steuerbaren Applikatoren verlagert. Mit dem Aufbau und der Inbetriebnahme des Hybridsystems (Originalarbeit 3) wurde technisch das erste MRT-Hyperthermie-Hybridsystem realisiert, das die Überwachung der 3D- gesteuerten Hyperthermie in allen Körperregionen erlaubte. Die Entwicklung der simultanen, nicht invasiven, dreidimensionalen Thermometrie machte erstmals den therapeutischen Prozess sichtbar (Originalarbeit 4) und erlaubte erste einfache, manuelle Korrekturen der 3D Steuerung der Applikatoren. Heute steht nach zwei Messungen automatisch mit der Doppel-Echo Protonen Resonanzfrequenz Shift Methode (DE-PRFS) mit Driftkorrektur eine 3D-Temperaturverteilung mit hoher Präzision zur Verfügung. Die erste klinische Evaluation der Thermometrie erfolgte über den Vergleich der invasiven und minimal invasiven Thermometrie bei Patienten mit Rektum-Karzinom-Rezidiven (Originalarbeit 5) und Patienten mit Weichteilsarkomen (Originalarbeit 6). Die Ergebnisse der Messungen belegten die prinzipielle Durchführbarkeit und Korrektheit der Daten sowie deren klinische Relevanz. Die Validierung des Hyperthermie Behandlungsplanungssystem wurde jetzt mittels 3D-MR-thermometrischer Daten erneut durchgeführt (Originalarbeit 7) und belegte die hohe Präzision der Mess- und der Planungsqualität. Diese Ergebnisse leiteten unmittelbar die ersten Optimierungsversuche des neuen Hybridsystems ein. Für die Optimierung der klinisch eingesetzten Hybridhyperthermie wurden als neues Verfahren (Originalarbeit 8) die Adaption der Planung und die computergesteuerte Online- Optimierung entwickelt. Sie korrigiert die verbleibenden Differenzen zwischen Vorausplanung und aktueller, nicht invasiver Temperaturmessung und eröffnet die Möglichkeit zur situationsgerechten Optimierung.This work shows the stepwise development of hybrid hyperthermia, which is a combination of a radio frequency hyperthermia system with a continuous MR control. The first step was the validation of the first 3D hyperthermia treatment planning system (HTPS) by use of existing patient treatment data (paper 1). The result was, that the planning system is a good concept for the first technical treatment simulations to solve cardinal problems of the hyperthermia hardware. Most important was the development and testing of 3D controllable applicators as well as their optimal positioning during treatment (paper 2). Concomitant there was the first optimisation of treatment control and documentation with non invasive thermometry by MRI. On the base of these results the main research was focussed to the combination of non invasive thermometry with 3D controllable applicators. With building and implementation of the hybrid system (paper 3) the first MR hybrid hyperthermia system was realized for control of 3D controllable hyperthermia in all regions of the body. This development of simultaneous non invasive thermometry showed for the first time the therapeutically process (paper 4) and permitted first simple manual corrections of the 3D steering of the applicator. Today, after two measurements we have automatically with the double-echo proton-resonance- frequency-shift method (DE-PRFS) with drift correction a 3D temperature dataset with a high precision. First clinical evaluation of this thermometry was made by the comparison of invasive and minimal invasive thermometry in patients with rectal cancer recurrences (paper 5) and patients with soft tissue sarcomas (paper 6). These data show the proof of principle and the correctness of the measurement as well as their clinical value. The validation of the HTPS was now repeated by 3D MR thermometry (paper 7) and the results show the high precision as well as the quality of the measurement and the planning itself. These results led directly to the first optimisation tests with the new hybrid system. For optimisation of clinical used hybrid hyperthermia a new method was developed (paper 8), the adaption of planning and computer supported online optimisation. This method corrects the residual differences between treatment planning and online non invasive thermometry and opens the door for proper optimisation

Compact self-grounded Bow-Tie antenna design for an UWB phased-array hyperthermia applicator

Using UWB hyperthermia systems has the potential to improve the heat delivery to deep seated tumours. In this paper, we present a novel self-grounded Bow–Tie antenna design which is to serve as the basis element in a phased-array applicator. The UWB operation in the frequency range of 0.43–1 GHz is achieved by immersing the antenna in a water bolus. The radiation characteristics are improved by appropriate shaping the water bolus and by inclusion of dielectric layers on the top of the radiating arms of the antenna. In order to find the most appropriate design, we use a combination of performance indicators representing the most important attributes of the antenna. These are the UWB impedance matching, the transmission capability and the effective field size. The antenna was constructed and experimentally validated on muscle-like phantom. The measured reflection and transmission coefficients as well as radiation characteristics are in excellent agreement with the simulated results. MR image acquisitions with antenna located inside MR bore indicate a negligible distortion of the images by the antenna itself, which indicates MR compatibility

3D-electric field and SAR distributions of two hyperthermia applicators single-spiral antenna (SA-115) and multi-dipole antenna-pairs (Sigma-60)

International audienc