척추 전이 전기화학요법에서의 환자별 전기장 시뮬레이션

요약

이 프로토콜은 척추 전이에 대한 환자별 전기장 시뮬레이션 및 검증을 위한 완전하고 재현 가능한 워크플로우를 설명합니다. 이 워크플로우는 다중 모달 영상, 반자동 및 수동 분할, 조직 전도도 모델링, 선형 유한 요소 전기장 시뮬레이션, 그리고 시술 후 MRI 기반 괴사 중복 분석을 통한 실험적 검증을 통합합니다.

초록

전기화학요법(ECT)은 세포독성 물질의 투여와 고전압 전기 펄스를 결합하여 종양 세포막을 일시적으로 투과시키고 세포내 약물 흡수를 촉진합니다. 이 최소 침습 비열적 기법은 수술, 방사선 치료 또는 경피적 열 소작술이 제한될 수 있는 중요한 구조물 근처에 위치한 종양에 특히 적합합니다. 척추에서는 ECT가 통증 완화, 신경 감압, 국소 종양 조절을 제공하면서 신경 구조를 보존할 수 있습니다. 그러나 복잡한 척추 해부학, 전기장 분포에 대한 제한된 이해, 전용 계획 도구의 부재, 신경 손상 위험 등으로 인해 구현이 여전히 어렵습니다. 이 프로토콜은 척추 ECT에서 환자별 전기장 시뮬레이션을 위한 재현 가능한 워크플로우를 설명합니다. CT와 MRI를 결합한 멀티모달 영상은 오픈소스 3D 슬라이서 플랫폼 내에서 반자동 및 수동 분할을 통해 종양, 척추, 신경, 연부 조직 해부학을 재구성할 수 있게 합니다. 조직 전도도는 IT'IS 데이터베이스에 따라 할당되며, 선형 유한 요소 시뮬레이션(일정 전도도)은 전용 3D 슬라이서 모듈인 AI4DEEP를 사용하여 여러 등용량 임계값에 걸쳐 3D 전기장 맵을 계산합니다. 추적 조영제 증강 MRI는 시뮬레이션된 등전장 부피와 ECT 후 괴사 종양 부위를 비교하여 Dice 유사 계수를 통한 검증에 사용됩니다. 전문 중재 방사선 전문의들은 시뮬레이션된 전기장 지도, 추적 MRI, 임상 결과를 질적으로 비교하여 소프트웨어가 치료 부족 및 과다 치료 영역을 예측할 수 있는지 평가하였습니다. 9건의 ECT 절차가 진행되어 워크플로우를 평가하였습니다. 시뮬레이션된 전기장과 ECT 후 괴사 사이의 가장 높은 일치도는 이 임상 및 수치 환경에서 160–200 V/cm 범위에서 관찰되었습니다. 워크플로우는 임상 및 영상 추적 관찰과 일치하는 불충분하거나 과도한 치료 영역도 식별했습니다. 설명된 워크플로우는 재현 가능한 ECT 계획의 토대를 마련하며, 복잡한 척추 ECT 시술에서 안전성과 효능을 향상시키기 위해 최적화된 전극 배치 및 매개변수 조정을 지원합니다.

서론

척추 전이성 경막염은 골격 전이의 주요 부위이기 때문에 흔하며, 이는 전체 골 위치의 최대 50%를 차지하기 때문입니다 ^1,2. 임상 증상은 일반적으로 심한 통증과 현저한 삶의 질 저하, 그리고 침범 정도에 따라 하반신마비 또는 사지마비로 이어질 수 있는 급격한 진행성 신경학적 결손을 포함합니다 ^3,4. 전이성 경막외 척수 압박의 표준 치료는 방사선 치료이며, 감압 및 안정화 수술은 적절한 수행 상태와 예상 생존율을 가진 선택된 환자에게 이익이 됩니다 ^5,6. 입체정위 소모 방사선 치료는 특정 사례에서 국소 조절을 개선할 수 있으나, 척수 내성과 계획 복잡성에 의해 제한됩니다⁷. 방사선 치료 후 국소 재발 또는 진행이 빈번하며, 재방사선 치료는 누적 선량 제약에 의해 제한되어 지속적인 통증이나 진행성 신경학적 손상 환자에게는 치료적 막다른 길에 이르는 경우가 많습니다 ^6,7. 이와 관련해, 중요한 신경 구조 근처에서 통증 완화, 감압, 종양 조절을 달성할 수 있는 국소 비열적 기법이 필요합니다.

전기화학요법(ECT)은 주로 블레오마이신과 같은 세포독성 물질을 투여하고, 일시적으로 원형질막 투과성을 높이고 세포내 약물 흡수를 촉진하는 짧은 고전압 전기 펄스를 결합합니다 ^8,9. ECT는 최소 침습, 비열, 비교적 종양 선택성을 가지며, 중요한 구조물 근처에 위치한 피부, 피하, 심부 종양에서 고무적인 결과를 보였습니다^10,11. 최근 임상 시리즈에서는 방사선 저항성 경막외 척수 압박에 대해 경피적 척수 ECT 후 1개월 기준 77%, 3개월 후 66.5%의 객관적 반응률을 보고했습니다. 통증도 현저히 감소하여, 기준선 7에서 1개월 기준 1으로 중앙값 통증 점수가 감소했습니다. 돌이킬 수 없는 신경학적 결손은 여전히 일부 환자¹²번에서 발생했다. 이러한 사건들은 전기장 분포의 중심적 역할을 강조합니다: 전극 기하학적 또는 조직 특성의 작은 변화가 치료량을 현저히 변화시켜 환자를 과다 치료와 과다 치료에 노출시킬 수 있습니다^13,14. 수치 연구에 따르면 환자별 모델링은 전극 배치를 최적화하고 척추 종양의 범위를 개선하면서 신경 구조 노출을 제한할 수 있음을 시사합니다^15,16.

전기천공 치료에 대한 여러 연구 계획 프레임워크가 제안되었으나, 임상에서의 일상적인 임상 구현은 메싱/매개변수 요구사항과 계산 시간^{17, 18, 19, 20, 21}에 의해 제한되고 있습니다. Sutter와 Poignard의 최근 연구는 임상 제약 조건과 호환되는 시술 후 영상 기반 시뮬레이션 워크플로우를 지원하며, 불완전한 전기장 등용량 커버리지가 IRE^22,23 이후 국소 실패와 정확히 연관됨을 보여줍니다. 이 프로토콜은 동일한 시뮬레이션 프레임워크를 기반으로 합니다.

따라서 본 글의 목적은 실제 임상 영상 데이터셋과 전달된 전극 구성을 바탕으로 척추 ECT에서 전기장 모델링 및 검증을 위한 재현 가능하고 환자별 워크플로우를 제공하는 것입니다. 현재 형태의 이 워크플로우는 전극 위치 최적화를 위한 사전 계획에 가장 적합하며, 세분화와 모델 준비 시간이 일상적인 절차 내 조정의 한계로 남아 있기 때문입니다. 이 연구는 가설 중심의 효능 연구가 아닌 방법론적 틀로 의도되었으며, 경막외 전이 및 기타 해부학적으로 복잡한 환경에서 경피적 CT 유도 ECT를 이미 수행하거나 계획 중인 중재 종양학 및 척추 팀을 대상으로 설계되었습니다.

프로토콜

이 회고적 연구는 기관 윤리 위원회(IRB 2025-566)에 따라 수행되었으며, 관련 국가 규정을 준수하였습니다. 모든 영상 데이터는 분석 전에 익명화되었으며, 사후 설계와 사용으로 인해 사전 동의 요구사항은 면제되었습니다. 장비와 소프트웨어는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 데이터 가져오기 및 장면 준비

1. 익명화된 모든 DICOM 시리즈를 3D 슬라이서(https://download.slicer.org/ 에서 사용 가능)에 가져오고, 각 볼륨에 명시적인 이름을 할당합니다: "MRIp"(시술 전 MRI), "CTi"(초기 시술 중 계획 CT), "CTa"(바늘 삽입 시술 중 CT), "MRI"(시술 후 MRI).
2. "CTi"를 모든 후속 세분화 및 등록의 기준 볼륨으로 설정하세요.
3. 3D 슬라이서에서 새 세그멘테이션 노드를 만들어 "CTi"에 "소스 볼륨"으로 연결하세요.
4. 슬라이서 씬을 기본 프로젝트 파일로 저장해 복구와 향후 수정이 가능합니다.
   참고: 복셀 크기 표준화는 필수가 아니며, 네이티브 이미지 해상도가 충분하다면 생략할 수 있습니다.

2. 초기 CT(CTi)에서의 해부학적 분절

1. 세그먼트 에디터 모듈을 열고 "피질 뼈"라는 이름의 세그먼트를 생성하세요. "CTi"의 "Threshold" 도구를 사용해 고밀도 피질골을 분리한 후, 필요하다면 가위나 페인트 도구를 사용해 세분을 수동으로 다듬으세요.
2. "Fat"이라는 이름의 세그먼트를 만드세요. 예를 들어, 신장 주위나 피하 공간의 저밀도 지방을 선택하기 위해 Threshold 도구를 사용하세요.
3. "추간판"이라는 이름의 구간을 만드세요. 3D 페인트 도구를 축방향, 시상면, 코로나 뷰에서 사용하고, 기존 세그먼트 외부에서 페인트를 확인해 페인트가 빈 복셀로 제한되도록 하여 기존 세그먼트가 덮어쓰지 않도록 하세요.
4. 척추 사탕골을 위해 '칸셀러스골'이라는 구간을 만드세요. 3D 페인트 도구를 사용해 내부 소모 구획을 채우고, 위에서 설명한 대로 기존 세그먼트 외부에 페인트 를 체크하세요.
5. "척수"라는 이름의 세그먼트를 만드세요. 3D 페인트 도구를 사용해 축방향 슬라이스에서 코드의 줄을 위에서 아래로 수동으로 윤곽을 그리세요.
6. "뇌척수액"이라는 이름의 구간을 만드세요. 3D 페인트 도구를 사용해 척수 주변의 뇌척수액 공간을 thecal sa 내에서 채우고, 기존 마그먼트 외부의 페인트도 확인하세요.
7. 시멘트, 코일, 폐가 있다면 추가 구간을 만드세요. 임계 값 도구를 사용해 과밀도 시멘트 또는 코일, 저밀도 폐 실질을 식별한 후 필요에 따라 수동 교정을 진행합니다.
8. 업데이트된 슬라이서 장면을 저장하세요.
   참고: 명시적으로 세그먼트에 할당되지 않은 배경 복셀은 이후 AI4DEEP에서 '근육 유사' 조직(기본 전도도)으로 취급됩니다.

3. MRI 융합 및 종양 분절

1. 시저 전 MRI 볼륨 "MRIp"를 슬라이서 씬에 가져오세요.
2. Transforms 모듈을 사용하여 "MRIp"를 "CTi"에 강직하게 등록하며, 치료 수준에서 척추골 랜드마크를 사용합니다. 등록은 네 가지 미리 정의된 랜드마크에 의해 안내됩니다: 축 평면의 척추돌기의 끝과 한 횡돌기의 끝, 그리고 시상면의 척추돌기의 끝과 척추체의 전방 피질 경계입니다. 후척추 피질은 용해성 질환으로 인해 자주 변형되기 때문에 주요 랜드마크로 사용해서는 안 됩니다.
3. 변환을 "MRIp"에 적용하고 축 및 시상면에서 공동등록을 육안으로 평가합니다. 표적 등록 오차(TRE)는 미리 정의된 축 및 시상점 기준점에서 해당 CT 및 MRI 랜드마크 간의 평면 내 평균 거리(밀리미터 단위)로 정의됩니다. 시각 정렬과 TRE 모두 2.5 mm 미만일 때만 등록을 허용합니다; 그렇지 않으면 등록을 반복하세요.
4. "종양"이라는 새 구간을 만들고 "MRIp"(또는 경막외염이 잘 보일 경우 "CTi")에서 페인트 도구를 사용 해 기저 시점에서 경막외 및 척추 종양 침범을 수동으로 구분하세요.
5. "종양" 구간에 선택적 스무딩 을 적용하여 틈 없는 일관된 3D 볼륨을 얻으세요.
6. 업데이트된 슬라이서 장면을 저장하세요.
   참고: 여기서 프로토콜을 일시정지하고 이 단계에서 나중에 재개할 수 있습니다.

4. 바늘 융합 및 전극 정의를 이용한 CT AI4DEEP

1. 시술 중 CT에 주사 바늘이 붙은 "CTa"를 3D 슬라이서에 불러와.
2. Transforms 모듈을 사용하여 위와 동일한 척추 뼈 랜드마크를 사용하여 "CTa"를 "CTi"에 강하게 등록합니다.
   참고: 이 워크플로우에서는 "CTi"와 "CTa"가 전신 마취 하에서 초기 스캔과 전극 삽입 사이에 환자의 움직임 없이 획득되므로, CT대 CT 정렬이 보통 최적에 가까워져 수동 조정이 필요 없습니다. 따라서 TRE는 적용되지 않습니다. 뼈 창 설정에서는 전극에서 생성된 금속 아티팩트가 등록에 사용되는 척추 랜드마크의 시각화를 방해하지 않습니다.
3. AI4DEEP 모듈을 실행하고 각 전극마다 활성 전극 끝부터 가상 바늘 하나를 만듭니다.
4. 축, 관상, 시상표 시점에서 각 'Electrode_n'이 단일 물리적 활성 팁과 정확히 일치하는지 확인하세요.
   참고: 전체 해부학적 구조와 전극 분절의 품질, 그리고 물리적 전극과의 대응 여부는 분절 과정에 관여하지 않은 전문 중재 방사선 전문의가 외부에서 검증하였습니다. 만족스럽지 못하다고 판단되면 세분화가 그에 맞게 수정됩니다.
5. 해부학적 구조, 종양 분할, 전극 형상이 포함된 업데이트된 장면을 저장하세요.
   참고: 정확한 활성 팁 길이는 ECT 매개변수 구성 중 AI4DEEP 후반에 지정되며, 이 단계에서 인코딩할 필요가 없습니다.

5. AI4DEEP에서의 전도도 할당

1. AI4DEEP 인터페이스에서는 각 해부학적 분절을 표 1에 나타난 대로 미리 정의된 전기 전도도를 가진 조직 분류(예: 종양, 피질골, 관상골, 뇌척수액, 경막외지방, 추간판, 척수, 시멘트, 폐)에 할당합니다.
2. 기본 배경 조직을 '근육' 전도도로 설정하여 모든 세그먼트가 아닌 복셀을 근육으로 취급합니다.
3. AI4DEEP 요약 패널에서 각 세그먼트가 예상되는 조직 유형과 전도도에 매핑되어 있는지 확인한 후 구성을 저장하세요.
   참고: 전도도 값은 IT'IS 데이터베이스에서 도출되었으며, 모든 시뮬레이션에서 고정(선형) 전도도로 사용됩니다²⁴.

6. 펄스 및 바늘 특성

1. AI4DEEP에서는 임상 절차에 따라 각 전극의 활성 팁 길이(예: 20 mm, 30 mm, 40 mm)를 지정합니다. 전극 직경은 1.8mm였습니다.
2. 여기서 임상적으로 적용된 전기장 진폭(예: 500 V/cm, 600 V/cm, 1000 V/cm)이 등장합니다.
3. 치료 중에 활성화된 전극 쌍을 정의하세요.
4. 각 전극 쌍에 대해 전극 간 거리를 기준으로 인가된 전압을 계산하AI4DEEP, 요청된 전압 대 거리 비율(V/cm)이 준수되도록 합니다.
5. 임상 프로토콜에 따라 펄스 수(8)와 펄스 지속 시간(100 μs)을 설정합니다.
6. AI4DEEP 설정을 저장하세요.
   참고: 전압은 V/cm 단위의 전압 대 거리 비율로 입력됩니다; AI4DEEP 이 값을 각 전극 쌍의 절대 전압으로 자동으로 변환합니다.

7. 전기장 시뮬레이션

1. AI4DEEP에서는 구성된 해부학, 전도도, 전극 매개변수를 사용하여 정전기장 계산을 시작합니다.
2. 소프트웨어가 기하학적 구성을 자동으로 생성하고, 고차 비적합 유한 차분 방법을 사용하여 의료 이미지에 대한 선형 정전적 퍼텐셜을 해결할 수 있도록 허용합니다²⁵.
   참고: 일반적인 워크스테이션(예: Windows 11, 16GB RAM)에서는 케이스당 처리 시간이 약 5분이 소요됩니다.
3. 시뮬레이션 출력과 업데이트된 슬라이서 씬을 저장하세요.
   참고: 시뮬레이션 후 프로토콜을 잠시 멈추고 이후 등용량 분석 및 검증을 위해 재개할 수 있습니다.

8. 등용량 시각화 및 종양 커버리지

1. AI4DEEP에서 시뮬레이션된 장에서 전기장 등가면(등도량 부피)을 생성하는 옵션을 선택하세요.
2. 등용량 임계값 범위(예: 50 V/cm, 100 V/cm, 120 V/cm, 140 V/cm, 160 V/cm, 180 V/cm, 200 V/cm, 220 V/cm, 240 V/cm, 260 V/cm, 300 V/cm, 400 V/cm, 500, 600 V/cm)를 선택하고 이에 대응하는 3D 등용량 맵을 생성합니다.
3. 개별 등용량 지도를 3D 뷰에 표시하여 공간 장 분포를 관찰하는데, 일반적으로 낮은 시장 진폭에서는 연한 노란색, 그림 1에 나타난 것처럼 높은 시야 진폭에서는 빨간색까지 분포합니다.
4. 각 아이소선스에 대해 아이소AI4DEEP스피와 '종양' 분할의 중복 부분을 바탕으로 자동으로 계산한 종양 커버리지 값의 백분율을 기록하세요.
5. 모든 등용량 구간이나 모델, 종양 커버리지 값을 후속 분석을 위해 저장하세요.

9. 절차 후 MRI 선택, 가져오기 및 괴사 분할

1. 추적 MRI는 ECT 후 6주에 그리고 그 이후로 2개월마다 시행되었습니다. 가장 큰 괴사 부피 또는 최상의 방사선 반응을 보여주는 MRI가 분할 검사로 선정되었습니다. 이 선택은 ECT 후 종양 조직학과 증식률에 따라 달라질 수 있는 이질적이고 지연된 반응 시간을 고려하기 위해 이루어졌습니다.
2. 치료 후 조영제 강화 T1 지방 억제 축류 서열을 3D 슬라이서에 가져오세요.
3. 사전 절차 MRI 등록에 사용되는 것과 동일한 사전 정의된 척추 랜드마크를 사용하여 "CTi"에 "MRI"를 강직하게 등록한 후 변환을 적용합니다. 등록 정확도는 동일한 기준 랜드마크에서 동일한 ≤2.5 mm 임계값을 가진 TRE를 계산하여 문서화됩니다.
4. "종양 괴사"라는 새 구간을 만들고 ECT 후 MRI에서 종양의 비증성 괴사 부위를 수작업으로 조각별로 구분하세요.
5. 여러 추적 MRI가 가능할 경우, 가장 큰 괴사 부피 또는 최상의 방사선 반응을 보여주는 검사를 선택하여 이 데이터셋을 분할에 활용합니다.
6. "종양 괴사"에 선택적 스무딩을 적용하여 일관되고 연속적인 부피를 얻으세요.
7. ECT 후 완전한 방사선 반응이 발생한 경우, 수작업 분할 시간을 줄이기 위해 치료 전 '종양' 분절을 복제하여 '종양 괴사'로 이름을 변경할 수 있습니다. 3D 슬라이서에서 분할 모듈을 사용하여 "분할 복사/이동"을 선택한 후 같은 분할 노드 내에서 "종양" 부분을 복제하고, 이름을 "종양 괴사"로 변경한 후 ECT 후 MRI에서 적절성을 육안으로 확인하세요.
8. 중재적 방사선 전문의가 세분절에 관여하지 않는 전문가가 외부 검증을 수행하세요.
9. 네크로시스 구간이 있는 슬라이서 장면을 저장하세요.
   참고: 여기서 프로토콜을 잠시 멈추고 나중에 정량적 비교를 위해 재개할 수 있습니다.

10. 시뮬레이션된 필드와 괴사의 정량적 비교 (다이스 분석)

1. 3D 슬라이서에서 세그먼트 비교 모듈을 엽니다.
2. 기준 세그먼트로 종양 괴사 를 선택하고 비교 세그먼트로 1개의 아이소선즈 부피(예: 200 V/cm 아이소선스)를 선택하세요.
3. "종양 괴사"와 선택한 등용량 부피 간의 다이스 유사도 계수를 계산하고 값을 기록합니다. 모든 주사위 유사도 계수는 슬라이스별(2D) 기준이 아닌 전체 3D 세그먼트 부피로 계산되었습니다.
4. 관심 있는 모든 관련 등용량 수준에 대해 분석을 반복하여 모든 임계값 범위에 걸친 다이스 계수를 얻습니다.
5. 가장 높은 주사위 계수("최고 Iso")와 해당 최대 주사위 값("Best Dice")을 나타내는 등용량을 식별합니다.
6. 다이스 계수, 최고 ISO, 최고 다이스, 종양 커버리지 값을 스프레드시트나 통계 소프트웨어로 내보내 추가 분석을 수행합니다.
7. 최종 슬라이서 장면과 내보내진 모든 정량 결과를 저장하세요.

결과

이 워크플로우는 척추 전이성 경막외염 치료에 시행된 9건의 전기화학요법(ECT) 시술에 성공적으로 적용되었습니다. 모든 사례에 대해 환자별 예측 전기장 모델이 생성되어 전체 프로토콜이 다양한 해부학적 구성에서 실현 가능하고 재현 가능함을 확인했습니다. CTi와 MRIp 사이, CTi와 MRI 간 엄격한 등록이 모든 경우에서 이루어졌으며, 평균 TRE는 각각 1.8 mm ± 0.6 mm, 1.9 mm ± 0.7 mm였습니다. 선형 유한 요소 시뮬레이션은 각 절차마다 연속적인 3차원 전기장 분포를 생성했습니다. 모든 경우에서 50–600 V/cm 사이의 등용량 부피가 성공적으로 생성되었습니다.

시뮬레이션된 등용량 부피와 시술 후 괴사 부위 간의 정량적 비교가 8건의 분석 가능한 사례에서 수행되었으며; 3번 사례는 다중 전극 재배치로 인해 신뢰할 수 있는 공간 비교와 다이스 분석이 불가능해 제외되었습니다. 평균 주사위 유사도 계수는 코호트 전반에 걸쳐 종 모양의 관계를 보였다(그림 2). 값은 낮은 전기장 임계값에서 점차 증가하여 160–200 V/cm(0.37–0.39) 사이에서 최고조를 이루었고, 높은 임계값에서는 감소했습니다. 200 V/cm 등용량은 가장 높은 평균 Dice 계수(0.387)를 기록했으며, 이는 이 임계값이 임상 맥락에서 유효 치료량에 가장 근접함을 나타냅니다. 종양 커버리지 분석은 임계값이 증가함에 따라 점진적으로 감소하는 모습을 보여주었다: 140 V/cm에서 81.5%, 160 V/cm에서 74.8%, 180 V/cm에서 67.0%, 200 V/cm에서 61.0%였다. 이러한 결합된 정량적 지표들은 프로토콜이 ECT 후 반응량에 대해 해석 가능하고 의미 있는 예측을 제공함을 시사합니다. 테스트된 등용량 임계값을 가로지르는 전체 케이스별 다이스 곡선은 그림 3에 나와 있습니다. 사례 간 뚜렷한 이질성이 관찰되었으며, 분석 가능한 사례 중 최적 주사위 값은 0.0156에서 0.7684 사이, 해당 최고 Iso 값은 100에서 500 V/cm 사이였습니다. 사례 수준 분석을 요약하면, 괴사의 최고 DICE 계수, 해당 등용량, 해당 임계값에서의 종양 커버리지, 최적의 방사선 반응, 그리고 이상반응이 표 2에 보고되어 있습니다.

그림 4에는 치료 후 종양 괴사와 200 V/cm 등용량 부피 간의 대표적인 오버레이가 나타나 있으며, Dice 분석에 사용되는 공간 비교와 워크플로우가 제공하는 이미지 기반 검증 유형을 보여줍니다.

대표적인 임상 사례는 성공적이거나 최적이 아닌 결과를 모두 보여줍니다. L3 경막외염 환자 한 명에서는 첫 ECT 세션에서 <5% 괴사가 발생했고 임상적 호전은 없었습니다. 시뮬레이션은 200 V/cm 임계값에서 종양 커버가 부적절함을 보여주었으며, Best Dice ≈은 0.10이었습니다. 두 번째 시술에서는 전극 배치가 수정되어 200 V/cm에서 >90%의 모의 종양 커버리와 Dice 계수를 달성하여 완전한 방사선 및 임상 반응에 해당합니다. 이 예시는 그림 5에 나타나 있으며, 이 방법이 저처리된 영역을 식별하고 최적의 전극 구성을 안내하는 방법을 보여줍니다.

반면, L5–S1 경막외염 환자는 300 V/cm 등용량이 오른쪽 S1 공으로 시뮬레이션된 확장을 보였으며, 이는 수술 후 신경근병증과 MRI 증거와 일치하였다. 반대편 뿌리는 고지대 밖에 남아 있었습니다. 이 사례는 프로토콜이 잠재적 과다 치료를 감지하고 고장 노출과 관찰된 신경학적 합병증을 연관시키는 능력을 입증합니다(그림 6).

전반적으로 이 결과들은 워크플로우가 안정적인 전기장 예측을 제공하고, 불충분하거나 과도한 전장 노출을 모두 식별할 수 있으며, 임상 및 영상 결과와도 잘 일치함을 확인시켜 줍니다. 이는 척추 ECT에서 치료 계획, 전극 배치 최적화, 수술 중 의사결정에 대한 잠재적 중요성을 뒷받침합니다.

그림 1: 3D 슬라이서에서 AI4DEEP 모듈을 이용한 전기장 시뮬레이션. 수치 필드 모델링은 IT'IS 데이터베이스에서 수집한 절차적 입력(전극 기하학, 활성 길이, 인가 전압)과 조직 전도도를 기반으로 수행되었습니다. 50–600 V/cm 범위의 색상 구분된 등용량 지도가 관상(A) 및 기축(B) 평면의 시술 중 CT 영상에 겹쳐져 예측되는 종양 커버리지와 인접 신경 구조의 노출을 시각적으로 평가할 수 있게 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 2: 시뮬레이션된 전기장 임계값 간의 평균 지표. 종양 커버리지(파란 곡선)는 필드 임계값이 커질수록 감소합니다. 주사위 계수는 종 모양 분포를 따르며, 괴사의 경우 약 160–200 V/cm(≈0.38)에서 최고조에 달합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 3: 시뮬레이션 등용량 부피와 치료 후 종양 괴사 간 Dice 유사 계수의 사례별 분포. 주사위 유사 계수는 치료 후 종양 괴사의 분할된 부피와 50–600 V/cm 사이의 각 시뮬레이션된 전기장 등용량 간의 전체 3D 부피에서 계산되었습니다. 얇은 색선은 개별 사례를, 굵은 빨간 선은 코호트 평균을 나타냅니다. 상당한 사례 간 변동에도 불구하고, 평균 곡선은 종 모양 분포를 보였으며, 최대 일치율은 약 160–200 V/cm 정도입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 4: 선택한 시뮬레이션 등용량 부피와 겹쳐진 치료 후 괴사 분절의 대표적인 예시. (A) 전극이 삽입된 축방향 시술 내 CT(CTa)로, 전극 위치를 분할하고 치료 기하학을 정의하는 데 사용됩니다. (B) 초기 시술 중 CT(CTi)와 함께 고정된 등록 후 최적의 반응 시 축 추적 MRI(MRI). (C) MRI에서 치료 후 괴사 부위의 수동 분할(녹색). (D) 괴사 분절과 선택된 시뮬레이션된 200 V/cm 등용량 부피(노란색)의 직접 3D 오버레이. 이 환자의 경우 200 V/cm에서 다이스 유사성은 0.28이었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 5: 항종양 반응과 일치하는 전기장 시뮬레이션. 59세 L3 경막외염 환자가 초기 수술을 받았으나 실패했으나(A, B), 한 달 후 대체 바늘 구성(C, D)으로 재치료하여 완전한 반응을 보였습니다. (A) 첫 번째 시술 중 바늘 삽입을 비스듬히 본 관상 3D 뷰. (B) 전기장 지도(200 V/cm 등용량)에서 종양 커버리지 부족을 보여줍니다. (C) 재치료 중 바늘 삽입의 사선 시상 3D 뷰. (D) 종양 덮개 90%를 초과하는 전기장 지도(200 V/cm 등용량 표시). 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 6: 관측된 신경 손상과 일치하는 전기장 시뮬레이션. 67세 남성으로, 투명세포 신세포암과 L5–S1 경막외 질환을 앓고 있습니다. (A) 200 V/cm 및 300 V/cm 등용량을 각각 노란색과 갈색으로 보여주는 전기장 시뮬레이션. 오른쪽 S1 신경근(화살표)은 피질 파열과 전극 근접성 때문에 시뮬레이션된 필드에 포함되며, 왼쪽 신경근은 보존됩니다. (B) 치료 후 MRI에서 오른쪽 S1 신경근 침범을 확인한 결과(화살표), 이는 시술 후 우측 신경근 통증 및 감각 결손과 일치합니다. 왼쪽은 영상 검사에서 정상으로 유지되었고 임상적으로도 무증상이었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

표 1: 현장 시뮬레이션에 사용되는 전기 전도도 값. 각 해부학적 구조에는 해당 IT'IS 전도도 값(S/m)과 분할 및 모델링을 위한 시각적 색상 코드가 부여되었습니다. 이 표 1의 확대 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

사건	괴사에 가장 적합한 주사위	최적 아이소도즈 (V/cm)	최고로 등용량 종양 덮개 비율 (%)	최고의 반응 (0 = 안정 질환 또는 진행, 1 = 부분 반응, 2 = 완전 반응)	부작용	부작용 유형
1	0.62	120	60	2	0
2	0.77	160	86	1	1	왼쪽 L4-L5 신경근 통증
3	해당 없음	해당 없음	해당 없음	2	0
4	0.17	500	27	1	0
5	0.32	300	48	1	1	오른쪽 C8 신경근통
6	0.02	100	91	1	0
7	0.15	160	85	2	0
8	0.64	260	83	1	0
9	0.66	220	64	2	1	오른쪽 L5-S1 신경근 통증, 감각저하 및 고유수용감각 저하

표 2: 사례별 정량적 결과. 괴사에 가장 적합한 다이스는 치료 후 종양 괴사와 비교했을 때 모든 검사된 등용량 부피에서 얻은 가장 높은 다이스 유사 계수에 해당합니다. 최적 등용량은 가장 높은 주사위 값과 관련된 등용량에 해당합니다. 최적의 등용량 종양 범위, 최상의 임상-방사선 반응, 그리고 시술 관련 부작용도 보고됩니다.

토론

이 프로토콜은 척추 ECT에서 환자별 전기장 시뮬레이션을 위한 재현 가능한 워크플로우를 제공합니다. 정확하고 임상적으로 해석 가능한 예측을 얻기 위해서는 여러 방법론적 단계가 매우 중요합니다. 정확한 종양 분절이 필수적인데, 경막외 질환은 비조영제 시술 중 CT에서 잘 보이지 않기 때문입니다. 따라서 시술 전 및 시술 후 MRI의 융합은 경막외 및 척추 침범의 정확한 구분에 핵심입니다. 실제로 이미지 융합은 시각적 제어 및 표적 등록 오류(TRE) 측정을 포함한 수동 강체 등록에 의존하거나, 패치 기반 시야각 매칭²⁶과 같이 더 고급 정렬이 필요한 경우 전용 변형 가능한 다중 모달 등록 방식을 사용할 수 있습니다. 전극 활성화 쌍과 인가된 전기장 진폭(V/cm)의 정확한 기록도 매우 중요하며, 절차적 매개변수와 모델 간의 불일치가 시뮬레이션된 장 분포에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. 바늘을 이용한 시술 중 CT를 계획 CT에 신중하게 등록하고, 다면재건에서 활성 팁 전극 구간을 수동으로 조정하는 것도 임상 구성에 충실히 반영되도록 하는 데 필요합니다.

모델 구현 과정에서 여러 실용적인 고려사항이 제기되었습니다. 워크플로우는 안정적인 빠른 시뮬레이션을 위해 최소 16GB에서 바람직하다면 32GB RAM을 갖춘 충분한 컴퓨팅 자원이 필요합니다. CT에 금속 인공물이 남으면 임계값 기반 도구 사용 시 분할 코일, 시멘트 또는 액체 색전을 과대평가할 수 있으므로, 전도 구조 변형을 방지하기 위해 수동 보정이 필요합니다. 전신 지방, 폐, 근육 마스크와 같은 매우 큰 분절을 처리하는 것은 기억을 과부하할 수 있으며, 특히 10개 이상의 조직 전도도가 할당될 때 더욱 그렇습니다. 이 경우 관심 있는 해부학적 영역으로 분할을 제한하면 안정성이 향상되고 계산 시간이 단축됩니다. 이러한 문제 해결 요소들은 워크스테이션과 센터 간 재현성을 유지하는 데 중요합니다.

이 방법은 몇 가지 한계가 있습니다. 분할은 주로 수작업으로 이루어졌으며, 본 연구에서는 단일 운영자가 수행했습니다. 그 결과, 이 과정은 여전히 시간이 많이 소요되며, 현재 형태로는 절차 내 사용을 불가능하게 하고, 운영자 간 재현성 평가를 허용하지 않습니다. 이 모델은 선형적이고 정적인 전도도 값에 의존하며, 전기천공 중 발생하는 동적 전도도 변화는 공간 장 분포에 영향을 줄 수 있음을 고려하지 않습니다. 블레오마이신의 약동학적 모델링이 없다는 점도 또 다른 불일치의 원인입니다. 효과적인 전기천공이 약물 가용성을 보장하지 않으며, 저관류 또는 이전에 방사선 검사를 받은 종양에서 괴사는 시뮬레이션된 전기천공 부피보다 작을 수 있습니다. CT와 MRI 간의 등록 부정확성도 종양-등용량 비교에 영향을 미칠 수 있습니다. 주사위 계수는 전체 3D 부피에서 계산되었으며, 절대 수치로 겸손하게 유지되었습니다. 이는 척추 ECT에서 신경 손상 위험을 줄이기 위해 전극이 무막외 종양에서 일정 거리를 두고 의도적으로 배치될 수 있기 때문입니다. 이 환경에서 주요 정보는 절대 Dice 값보다는 등용량 임계값 전반에 걸친 분포에 있으며, 이는 관측된 ECT 후 괴사량과 가장 잘 일치하는 범위를 식별하는 데 사용되었습니다.

기존의 척추 전기화학요법 수치 연구들이 주로 이론적 구성이나 단순화된 기하학적 접근법을 평가한 것과 비교할 때, 이 프로토콜은 실제 영상 데이터셋과 임상적으로 제공된 전극 구성을 기반으로 한 완전히 환자 맞춤형 워크플로우를 제공합니다^15,16. 160–200 V/cm 범위가 치료 후 괴사와 가장 일치하는 것으로 확인된 것은 동일한 수치적 방법으로 비가역적 전기천공에서 관찰된 상대적 규모 변화와 일치하는데, 400 V/cm 등용량이 국소 종양 조절과 정확히 상관관계가 있다^22,23. 기법마다 임계값이 다르지만, 장 세기와 효과적인 조직 반응 간의 상대적 관계는 유지되어 시뮬레이션 기반 계획의 중요성을 뒷받침합니다. 그러나 이 범위는 현재 워크플로우에 특화된 것으로 간주되어야 하며, 다른 모델, 세분화 전략 또는 임상 프로토콜에 적용되는 기전적 ECT 임계치가 아니라 경험적 임계값으로 해석되어야 합니다.

이 방법은 여러 잠재적 응용을 가지고 있습니다. 치료 전 대체 전극 형상을 테스트하고 종양 커버리지를 평가하여 수술 전 계획을 지원할 수 있습니다. 향후 CT/MRI 분할 자동화가 이루어지면, 이 워크플로우를 절차 내 안내에 통합하여 전극 위치 조정을 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 국소 약물 흡수와 연관된 시술 전 관류 MRI를 통한 관류 기반 블레오마이신 분포 추정을 도입하면 효과적인 전기공공 부피 예측을 개선할 수 있습니다. 초기 ECT 후 MRI는 2차 조직 재형성 전에 즉각적인 전기천공 영역을 식별하는 데도 도움이 될 수 있으며, 이는 가역 전기천공²⁷에서 보고된 바와 같습니다. 현장 임계값을 정교화하고, 운영자 간 재현성을 평가하며, 최적의 안전 마진을 정의하기 위해 추가적인 전향적 및 다중심 검증이 필요합니다. 학습 곡선이 짧을 것으로 예상되지만, 분할 정확도는 처음 몇 가지 사례 이후에는 향상되며, 수정된 분할은 템플릿으로 재사용할 수 있습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
3D Slicer	3D Slicer (open-source)	N/A	버전 5.6.2.
AI4DEEP 모듈 (3D Slicer 확장)	AI4DEEP	N/A	3D Slicer 내에서 사용되는 전기장 시뮬레이션 모듈.
Cliniporator VITAE	IGEA	IG0012A	전기화학 요법에 사용되는 펄스 발생기
하이브리드 혈관조영-CT 시스템 (Alphenix 4D CT + Aquilion ONE)	Canon Medical Systems	TSX-305A	단일 방에서 통합된 혈관조영 시스템(Alphenix) 및 CT 스캐너(Aquilion ONE); 시술 중 CT 이미징 및 시술 안내에 사용됨.
직선 바늘 전극 "VGD"	IGEA	IG0E726	활성 길이: 20 mm / 30 mm / 40 mm(대상 크기 및 해부학에 따라 선택).
워크스테이션	Dell	N/A	Dell 워크스테이션, intelVPro ISM, Windows 11 - 16 GB RAM; 이미지 처리 및 시뮬레이션에 사용됨.