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In-Vivo Feasibility Study and Developments for Cardiac Arrhythmia Ablation using Scanned Carbon Ions

Eichhorn, Anna Vera :
In-Vivo Feasibility Study and Developments for Cardiac Arrhythmia Ablation using Scanned Carbon Ions.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6082]
Technische Universität Darmstadt , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6082

Kurzbeschreibung (Abstract)

Cardiac arrhythmia are a widely spread global health burden. Currently, the standard treatments are anti-arrhythmic drugs and radio-frequency catheter ablation. The latter is an invasive procedure with varying success rates. For the treatment of atrial fibrillation, the most common cardiac disorder, repetitions of the procedure are necessary in a significant amount of cases. Furthermore, radio-frequency catheter ablation is particularly ineffective against ventricular tachycardia, another common cardiac arrhythmia, as the thickness of the myocardium in the ventricles often prevents transmural scar formation. A promising alternative is the use of radiotherapy. During the last few years, several studies showed that ionizing radiation can alter electrical pathways within the heart muscle. The use of carbon ions instead of photons should offer significant dosimetric advantages, due to the inverse depth-dose profile. Accurate treatment of moving targets with scanned ion beams remains challenging and is still not a clinical routine. For the high doses needed for cardiac targets, careful consideration of motion mitigation is necessary.

In this work, the first in-vivo feasibility study in pigs using scanned carbon ions to induce targeted changes of the cardiac electrophysiology is presented. The focus lies on the 4D treatment planning approach and the motion mitigation techniques applied in the study. In total, 15 pigs were irradiated in three different target groups: atrioventricular node (AVN), pulmonary vein, and left ventricular free-wall. In each group, a specific heart structure was ablated using single-fraction doses of 40 Gy, except for the AVN group were doses of 25, 40 and 55 Gy were applied to carry out a dose escalation study.

Electrophysiological changes were found in all target groups after the experiment. Nevertheless, due to heterogeneous results among animals of the same dose group, the success rate was not satisfactory. A critical discussion of 4D treatment planning and delivery revealed the accuracy of deformable image registration as a potential source of error. The influence on 4D dose calculation could potentially explain limited results in single pigs and dose groups. Furthermore, a scan path optimization was developed to reduce treatment time while improving interplay reduction compared to methods employed in the in-vivo study. This optimization could also facilitate single-fraction and hypofractionated treatments in clinical radiotherapy. The scan path optimization and a dynamic intensity control were implemented in a simulation software which was subsequently validated and tested at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (Germany).

This work summarizes the current status of ion beam cardiac ablations and identifies and realizes possible improvements for future in-vivo studies in support of a fast clinical transition of catheter-free ablation using carbon ions.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Eichhorn, Anna Vera
Titel: In-Vivo Feasibility Study and Developments for Cardiac Arrhythmia Ablation using Scanned Carbon Ions
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Cardiac arrhythmia are a widely spread global health burden. Currently, the standard treatments are anti-arrhythmic drugs and radio-frequency catheter ablation. The latter is an invasive procedure with varying success rates. For the treatment of atrial fibrillation, the most common cardiac disorder, repetitions of the procedure are necessary in a significant amount of cases. Furthermore, radio-frequency catheter ablation is particularly ineffective against ventricular tachycardia, another common cardiac arrhythmia, as the thickness of the myocardium in the ventricles often prevents transmural scar formation. A promising alternative is the use of radiotherapy. During the last few years, several studies showed that ionizing radiation can alter electrical pathways within the heart muscle. The use of carbon ions instead of photons should offer significant dosimetric advantages, due to the inverse depth-dose profile. Accurate treatment of moving targets with scanned ion beams remains challenging and is still not a clinical routine. For the high doses needed for cardiac targets, careful consideration of motion mitigation is necessary.

In this work, the first in-vivo feasibility study in pigs using scanned carbon ions to induce targeted changes of the cardiac electrophysiology is presented. The focus lies on the 4D treatment planning approach and the motion mitigation techniques applied in the study. In total, 15 pigs were irradiated in three different target groups: atrioventricular node (AVN), pulmonary vein, and left ventricular free-wall. In each group, a specific heart structure was ablated using single-fraction doses of 40 Gy, except for the AVN group were doses of 25, 40 and 55 Gy were applied to carry out a dose escalation study.

Electrophysiological changes were found in all target groups after the experiment. Nevertheless, due to heterogeneous results among animals of the same dose group, the success rate was not satisfactory. A critical discussion of 4D treatment planning and delivery revealed the accuracy of deformable image registration as a potential source of error. The influence on 4D dose calculation could potentially explain limited results in single pigs and dose groups. Furthermore, a scan path optimization was developed to reduce treatment time while improving interplay reduction compared to methods employed in the in-vivo study. This optimization could also facilitate single-fraction and hypofractionated treatments in clinical radiotherapy. The scan path optimization and a dynamic intensity control were implemented in a simulation software which was subsequently validated and tested at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (Germany).

This work summarizes the current status of ion beam cardiac ablations and identifies and realizes possible improvements for future in-vivo studies in support of a fast clinical transition of catheter-free ablation using carbon ions.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
Hinterlegungsdatum: 19 Mär 2017 20:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6082
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-60822
Gutachter / Prüfer: Durante, Prof. Dr. Marco ; Aumann, Prof. Dr. Thomas
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 6 Februar 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Herzrhythmusstörungen sind ein weitverbreitetes Gesundheitsproblem mit steigender Inzidenz aufgrund einer alternden Bevölkerung. Die heutige Standardbehandlung für Herzrhythmusstörungen ist, neben der Gabe von Medikamenten, die Katheterablation. Die Erfolgsaussichten der Katheterablation sind vor allem abhängig von der behandelten Herzregion. Während Behandlungen von Vorhofflimmern, der am häufigsten auftretenden Herzrhythmusstörung, zwar oftmals wiederholt werden müssen, bietet die Katheterablation dennoch eine Möglichkeit der Heilung für einen großen Teil der Patienten. Deutlich schlechter hingegen sind die Aussichten für die Behandlung von ventrikulären Tachykardien, da aufgrund der Dicke des Myokards oftmals keine transmurale Narbe induziert werden kann. Eine vielversprechende Alternative ist die strahlentherapeutische Behandlung. In den letzten Jahren wurden mehrere Studien publiziert, welche die Möglichkeit erforschen, die elektrische Leitfähigkeit des Myokards durch Bestrahlung zu verändern. Hierfür sollte die Verwendung von Kohlenstoffionen durch das inverse Tiefendosisprofil große Vorteile bieten. Allerdings stellt die konforme Bestrahlung von bewegten Zielen immer noch eine große Herausforderung dar und wird noch nicht in der klinischen Routine angewendet. Besonders für die hohen Dosen, die für die Behandlung von Herzrhythmusstörungen nötig sind, ist eine sorgfältige Bewegungskompensation notwendig. In dieser Arbeit wird die erste in-vivo Studie zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen mit gescannten Kohlenstoffionen, mit dem Ziel elektrophysiologische Änderungen im Herzmuskel zu induzieren, vorgestellt. Eine Gesamtübersicht über das Experiment und die Ergebnisse befinden sich in dieser Arbeit, der Fokus liegt hierbei auf der durchgeführten 4D Bestrahlungsplanung und Bewegungskompensation. Insgesamt wurden 15 Schweine bestrahlt, welche in drei Gruppen aufgeteilt wurden: atrioventrikulärer Knoten (AVN), freie Wand des linken Ventrikels und obere Pulmonalvene. In allen Gruppen wurden Tiere mit Einzelfraktionsdosen von 40~Gy bestrahlt, mit Ausnahme der AVN Gruppe. In dieser Gruppe wurden Tiere mit Dosen von 25, 40 und 55\ Gy behandelt. In der vorgestellten Studie war eine erfolgreiche Bestrahlungen für alle Ziele möglich. Dennoch waren die Ergebnisse auch für gleiche Dosisgruppen heterogen und dementsprechend die Erfolgsraten nicht zufriedenstellend. Eine kritische Diskussion über 4D Bestrahlungsplanung und Strahlapplikation zeigte auf, dass die deformierbare Bildregistrierung eine potentielle Fehlerquelle darstellt. Dies könnte potentielle Einschränkungen der Ergebnisse erklären. Zusätzlich wurden nach dem Experiment verschiedene Strategien entwickelt, um die Behandlungszeiten von bewegten, einzelfraktionierten oder hypofraktionierten Plänen zu verringern und zusätzlich Interplay Effekte besser zu kompensieren als die in der präsentierten Studie verwendeten Methoden. Diese Ansätze wurden in einem Simulationstool implementiert und anschließend an der Heidelberger Ionenstrahl-Therapie Anlage getestet und validiert. Diese Arbeit fasst den aktuellen Stand der katheterlosen Ablation mit Kohlenstoffionen zusammen und stellt nötige Änderungen für zukünftige in-vivo Studien in diesem Feld dar. Dies unterstützt eine zügige Translation der katheterlosen Ablation mit Kohlenstoffionen in die klinische Routine.Deutsch
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