Computer modeling and experimentation in radiofrequiency-based minimally invasive therapies

Abstract

[ES] La ablación por radiofrecuencia (RF) se ha convertido en una técnica ablativa importante, ampliamente utilizada en el área de las terapias mínimamente invasivas de la medicina moderna. El avance en el campo de las tecnologías basadas en RF a lo largo de los años ha llevado a un número creciente de aplicaciones en diferentes áreas terapéuticas tales como arritmias cardíacas, epilepsia, oncología, resección asistida, apnea, dolor o cirugía estética. Sin embargo, existe una constante necesidad de desarrollar estudios computacionales y experimentales para mejorar el rendimiento de estas técnicas. El enfoque principal de esta tesis doctoral está centrado en examinar los efectos térmicos y eléctricos de ablación por radiofrecuencia de tejidos para mejorar la eficacia y la seguridad de las terapias y dispositivos basados en energía de radiofrecuencia. Las dos áreas principales de interés han sido el tratamiento del dolor y la cirugía hepática oncológica, que se han organizado en tres estudios independientes. La metodología de los estudios se ha basado en modelos computacionales y estudios experimentales sobre phantom de agar, modelos ex vivo e in vivo y ensayos clínicos. El estudio focalizado en el tratamiento del dolor ha incluido el análisis de los efectos eléctricos y térmicos del tratamiento con radiofrecuencia pulsada (PRF) y el riesgo relacionado con el daño térmico al tejido. Se han estudiado diferentes protocolos pulsados empleados en la práctica clínica utilizando modelos computacionales. La exactitud del modelo se ha validado mediante un modelo en phantom de agar. Se han propuesto también modelos computacionales adicionales para los protocolos pulsados alternativos en los cuales se reduciría el efecto térmico sin afectar al efecto eléctrico. En el estudio se ha discutido también el concepto de electroporación leve como el resultado de PRF. En el área de la cirugía hepática oncológica se han analizado dos técnicas diferentes. El primer estudio se ha centrado en examinar la hidratación del tejido durante la ablación por RF con un nuevo electrodo ICW. El nuevo diseño ha incluido dos agujas de perfusión expandibles integradas en el catéter. El objetivo principal ha sido mejorar la precisión del modelo computacional de ablación por RF de tumor utilizando una geometría realista de la distribución de solución salina en el tejido y evaluar el rendimiento del catéter de RF. Se han modelado diferentes casos de tumor infundido con solución salina y los resultados simulados se han comparado con los datos clínicos de un ensayo en 17 pacientes con cáncer hepático. Con el fin de obtener una distribución espacial realista de la solución salina infundida, se ha empleado un estudio in vivo sobre el modelo de hígado de cerdo. El segundo estudio se ha centrado en el desarrollo de una nueva técnica de sellado endoluminal basada en catéter, como una alternativa más efectiva para el manejo del remanente pancreático. El método ha consistido en una ablación por radiofrecuencia guiada por impedancia con la técnica de pullback. El ajuste del tipo de catéter de RF y del protocolo de ablación se ha realizado mediante modelos porcinos ex vivo. Posteriormente, la efectividad del sellado se ha evaluado sobre un modelo de cerdo in vivo.

[CA] L'ablació per radiofreqüència (RF) s'ha convertit en una tècnica ablativa important, àmpliament utilitzada en l'àrea de les teràpies mínimament invasives de la medicina moderna. L'avanç en el camp de les tecnologies basades en RF al llarg dels anys ha portat a un número creixent d'aplicacions en diferents àrees terapèutiques com ara arítmies cardíaques, epilèpsia, oncologia, resecció assistida, apnea, dolor o cirurgia estètica. No obstant això, hi ha una constant necessitat de desenvolupar estudis computacionals i experimentals per a millorar el rendiment d'aquestes tècniques. Aquesta tesi doctoral ha estat centrada en examinar els efectes tèrmics i elèctrics de l'ablació per radiofreqüència de teixits per tal de millorar l'eficàcia i la seguretat de les teràpies i dispositius basats en energia de radiofreqüència. Dos àrees principals són el tractament del dolor i la cirurgia hepàtica. Aquestos han sigut organitzats en tres estudis independents. La metodologia dels estudis ha estat basada en models computacionals i experimentals sobre phantom d'agar, models ex vivo i in vivo i assajos clínics. L'estudi enfocat en el tractament del dolor ha inclòs l'anàlisi dels efectes elèctrics i tèrmics del tractament amb radiofreqüència polsada (PRF) i el risc relacionat amb el dany tèrmic al teixit. S'han estudiat diferents protocols polsats emprats en la pràctica clínica utilitzant models computacionals. L'exactitud del model ha estat validada per mitjà d'un model de phantom d'agar. S'han proposat també models computacionals addicionals per a protocols polsats alternatius en els quals es reduiria l'efecte tèrmic sense afectar l'efecte elèctric. En aquest estudi s'ha discutit també el concepte d'electroporació lleu com el resultat de PRF. A l'àrea de la cirugía hepàtica han sigut analitzades dos tècniques diferents. El primer estudi s'ha centrat en la hidratació del teixit durant l'ablació per RF amb un nou elèctrode ICW. El nou disseny ha inclòs dos agulles de perfusió expandibles integrades en el catèter. L' objetiu principal ha sigut millorar la precisió del model computacional d' ablació de tumors per RF utilitzant una geometria realista per a la distribució de sèrum salií en el teixit i evaluar el rendiment del catèter de RF. S'han modelat diferents casos de tumor infundit amb sèrum salí i els resultats simulats han sigut comparats amb les dades clíniques d'un assaig dut a terme sobre 17 pacients amb càncer hepàtic. Amb l'objetiu d'obtenir una distribució espacial realista del sèrum salí injectat, s'ha du a terme un estudi in vivo basat en un model de fetge de porc. El segon estudi s'ha centrat en el desenvolupament d'una nova tècnica de tancament endoluminal bassat en catèter, com una alternativa més efectiva per a gestionar el romanent pancreàtic. El mètode ha consistit en una ablació per radiofreqüència guiada per impedància amb la tècnica de pullback. L'ajust del tipus de catèter de RF i del protocol d'ablació ha sigut realitzat per mitjà de models porcins ex vivo. Posteriorment, l'efectivitat del tancament ha sigut avaluada sobre un model de porc in vivo.

[EN] Radiofrequency (RF) ablation has become an important ablative technique widely used in the area of minimally invasive therapies of the modern medicine. The advancement in the field of RF-based technologies over the years has led to a growing number of applications in different therapeutic areas such as cardiac arrhythmias, epilepsy, oncology, assisted resection, apnea, pain or aesthetic surgery. There is, however, a constant need for the development of computer and experimental studies, which would enhance the performance and safety of these techniques. The main focus of this PhD Thesis was on examining the thermal and electrical phenomena behind tissue radiofrequency ablation in order to improve the efficacy and safety of the RF-based therapies and applicators. Two main areas of interest were pain management and oncology, which were organized into three independent studies. The research methodology was based on computer modeling and experimental studies on phantoms, ex vivo and in vivo models, and clinical trials. The research on pain management involved the analysis of electrical and thermal effects of the pulsed radiofrequency (PRF) treatment and the related risk of tissue thermal damage. Different pulse protocols used in clinical practice were studied using computer modeling and the study accuracy was validated by means of agar phantom model. Additional computer models for alternative pulse protocols were also proposed, in which thermal effect would be reduced but the electrical effect would remain unchanged. The study also discussed the concept of a mild electroporation from PRF. In the area of oncology, two different techniques were analyzed. First study focused on examining tissue hydration technique during RF ablation with a novel internally cooled wet (ICW) electrode. The new design involved two expandable perfusion needles built into the catheter. The main aim was to improve the accuracy of computer model of tumor RF ablation using a realistic geometry of saline distribution in tissue, and to assess the performance of the RF catheter. Different cases of saline-infused tumor were modeled and the simulated results were compared with the clinical data from a trial on 17 hepatic cancer patients. An in vivo study on pig liver model was used to obtain a realistic spatial distribution of the infused saline. The second study focused on the development of a new catheter-based endoluminal sealing technique as more effective alternative for management of the pancreatic stump. The method consisted of the impedance-guided radiofrequency ablation with pullback. Fine-tuning involving RF catheter type and ablation protocol was performed using ex vivo porcine models, and posteriorly, sealing effectiveness was assessed on an in vivo pig model.