Correlation of Intrahepatic Light and Temperature Distribution in Laser-Induced Thermotherapy of Liver Tumors and Liver Tissue

Abstract

Introduction: For prediction of the effectiveness of laser-induced thermotherapy (LITT) of liver metastases and for the Planning of laser treatment it is indispensable to achieve knowledge about the intrahepatic light and temperature distribution in order to obtain data for an optimally adapted dosimetry.

Material and methods: We evaluated the optical properties of normal and tumorous rabbit-liver ex-vivo using a double integrating sphere technique as well as a Monte-Carlo-simulation. These data were correlated with the measurement of the intrahepatic temperature ditrsibution in-vivo during LITT.

Results: In our study we were able to show a positive correlation between ex-vivo results of optical properties and in-vivo results in temperature distribution. The absorption coefficient and scattering coefficients were significantly smaller in tumor tissue than in normal liver. This resulted in a higher optical penetration depth of the laser light into the tumor tissue (p < 0.01). Temperature measurement near the applicator was lower in tumor tissue, than that distant from the applicator (p < 0.01) corresponding to a higher temperature penetration depth. Both, higher optical and thermal penetration depth in the tumorous tissue was correlated with a significant increase in coagulation volume after LITT.

Conclusions: These results provide a better understanding of laser-tissue interaction and may be helpful to investigators in the field of light dosimetry in liver tissue.

Einleitung: Für die Vorhersage der Effektivität der laserinduzierten Thermotherapie (LITT) von Lebermetastasen und für die Planung der Laserbehandlung ist die Kenntnis der intrahepatischen Licht- und Temperaturausbreitung von Bedeutng, um Daten für eine optimierte Bestrahlungsplanung zu gewinnen.

Material und Methoden: Wir haben die optischen Parameter von gesunder und tumoröser Hasenleber ex-vivo unter Einsatz eines Doppel-Ulbrichtkugel-Messplatzes und einer Monte-Carlo-Simulation bestimmt. Diese Ergebnisse wurden mit Messungen der intrahepatischen Temperaturverteilung während der LITT korreliert.

Ergebnisse: In unserer Studie konnten wir zeigen, daß eine deutliche Korrelation zwischen den ex-vivo erhobenen Ergebnissen der optischen Parameter und den in-vivo Ergebnissen der Temperaturausbreitung bestand. Der Absorptionskoeffizient und Streukoeffizient war im Tumorgewebe signifikant niedriger als im normalen Lebergewebe. Hieraus resultierte eine höhere optische Eindringtiefe des Laserlichtes in das Tumorgewebe (p < 0.01). Die Temperaturmessung war im Tumorgewebe nahe am Applikator niedriger als im größeren Abstand vom Applikator (p < 0.01) korrespondierend zu einer erhohten thermischen Eindringtiefe. Beides, die höhere optische und thermische Eindringtiefe waxen mit einem signifikant höherem Koagulationsvolumen im Tumorgewebe nach LITT assoziiert.

Schlussfolgerungen: Diese Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der Laser-Gewebe-Interaktion und sind notwendig für experimentelle Arbeiten auf dem Gebiet der Lichtdosimetrie im Lebergewebe.