Beoordeling van het thermische effect van radiofrequente elektromagnetische velden in biologische weefsels

Gedurende meer dan 5.000 jaar hebben artsen en chirurgen thermische therapie of "thermotherapieën" gebruikt om ziekten te behandelen die nu bekend staan als kanker. De methoden zijn in de loop der jaren ingrijpend veranderd en technologische evolutie heeft ongetwijfeld de werkbaarheid en veiligheid verbeterd, maar fundamenteel is hyperthermische therapie meestal een lokale behandeling voor de meeste kankerpatiënten. Er zijn meerdere vormen of methoden van hyperthermische therapie. Momenteel zijn de meest gebruikte thermische technieken Radiofrequente thermische ablatie (RFTA) en microgolfablatie (MWA), die op hoge temperatuur gebaseerde technieken  zijn die opgewekt worden met behulp van elektromagnetische veldenergie.

RFTA is een van de meest veelbelovende chirurgische behandelingen om een gelokaliseerde tumorlaesie te ableren, met behulp van een elektrode (RF-applicator of -sonde) wat gecontroleerd wordt door beeldvormingstechnieken zoals ultrageluid, computertomografie (CT) of magnetische resonantiebeelden (MRI). Deze technieken wordt momenteel gebruikt om goedaardige en kwaadaardige tumoren van de lever, de nieren, de longen, het bot en de borst te verwijderen. De resultaten van deze procedure zijn: minder pijn, minder schade aan gezond weefsel en minder herstelperiode.

Het doel van dit proefschrift is om theoretische en praktische hulpmiddelen te ontwikkelen om het thermische effect van RF-elektromagnetische velden in biologische weefsels tijdens ablatieve therapieën te beoordelen. In het bijzonder werd de RFTA op leverweefsel bestudeerd, aangezien de Wereldgezondheidsorganisatie aangeeft dat leverkanker wereldwijd aanleiding geeft tot de zes meest voorkomende sterfgevallen.

Verschillende factoren zijn geassocieerd met de ontwikkeling van thermische laesiegrootte en progressie tijdens het verwarmen van biologische weefsels, twee ervan zijn: de weefsel diëlektrische eigenschappen vóór verwarming en hun dynamische veranderingen tijdens en na de verwarming, en weefseltemperaturen en tijd op temperatuur (thermische veranderingen) ten gevolge van thermische gradiënten.

Omdat de energie, opgewekt door een RF-bron,  die wordt geabsorbeerd door het weefsel sterk afhankelijk is van de diëlektrische eigenschappen van het weefsel, zullen veranderingen in diëlektrische eigenschappen tijdens verwarming de weefseltemperatuurverdeling en de resulterende thermische schade beïnvloeden. Daarom is het begrijpen van de veranderingen in de diëlektrische eigenschappen van het weefsel tijdens het verwarmen van fundamenteel belang voor het verder optimaliseren van de medische behandeling.

Verschillende studies benadrukken het belang van computer modellering voor het voorspellen van de thermische HF-beschadiging van biologische weefsels. Ze houden rekening met het ontwerp van de RF-sonde, de tumorgrootte, lokalisatie en de toegepaste sterkte, weefseleigenschappen, frequentie, blootstellingstijd en andere parameters. De meeste studies bevatten echter alleen reversibele temperatuurafhankelijke veranderingen in elektrische geleidbaarheid of gaan ervan uit dat de geleidbaarheid bij lichaamstemperatuur constant blijft. De variatie van de elektrische geleidbaarheid en relatieve diëlektrische constante met de temperatuur tijdens het verwarmingsproces van lage (fysiologische) tot coagulatietemperaturen werd pas de laatste jaren bestudeerd.

Vandaar dat de studie van de thermische afhankelijkheden van de elektrische geleidbaarheid en de relatieve diëlektrische constante in deze omstandigheden belangrijk is. Aldus was het eerste experiment het verkrijgen van de thermische afhankelijkheden van elektrische geleidbaarheid en relatieve diëlektrische constante van ex-vivo varkensleverweefsels bij RF-frequenties van 5 kHz tot 500 kHz, tijdens verwarming van 37 °C tot 100 ° C bij verschillende verwarmingssnelheden. Specifiek werd het onderzoek uitgevoerd met een zeer langzame verwarmings- (VSH) snelheid, een langzame verhittings (SH) snelheid en een snelle verhitting (FH) snelheid, van ongeveer 0,1 °C / min, 3 °C / min en 10 °C / min respectievelijk. Twee experimentele opstellingen met verschillende verwarmingsbronnen en een vier-naalds elektrode aangesloten op een impedantie-analysator werden ontwikkeld om de thermische afhankelijkheden te evalueren. De resultaten bij een lichaamstemperatuur van 37 °C laten een goede overeenkomst zien met de gegevens die in de literatuur worden vermeld. De geleidbaarheid vertoont aanvankelijk een toename gevolgd door een afname, terwijl de permittiviteit toeneemt voor een daaropvolgende scherpe afname. Boven 60 °C worden verschillende trends waargenomen voor de drie onderzochte verwarmingssnelheden. De elektrische geleidbaarheid en diëlektrische constante vertonen een vergelijkbaar gedrag bij alle geëvalueerde frequenties en verwarmingssnelheden. De waargenomen abrupte verandering van de helling nabij 45 °C bij langzame verwarmingssnelheid kan worden gebruikt om het gebied van reversibele veranderingen in het weefsel te identificeren. Deze resultaten bevestigen de relatie tussen weefsel diëlektrische eigenschappen, werkfrequentie en blootstellingstijd met thermische schade tijdens verwarming.

Om het belang van elektrische geleidbaarheid te evalueren op het resultaat van RFTA met behulp van numerieke simulaties, werden de effecten van verschillende geleidbaarheidsmodellen bestudeerd waarbij de aanwezigheid van drie weefsels met verschillende diëlektrische eigenschappen (normaal leverweefsel, tumorgel fantoom en spierzoutspiegel) onderzocht werden. Een bijkomend probleem was hoe de geschikte experimentele gegevens moeten geselecteerd worden voor de simulatie, rekening houdend met de verwarmingssnelheid waarmee de gegevens werden verkregen en het vermogen dat aan de elektroden zal worden geleverd in de RFTA-beschouwde situatie. Om dit probleem op te lossen, werd een procedure voorgesteld voor het selecteren van de geschikte experimentele gegevens van de temperatuurafhankelijkheid van de elektrische geleidbaarheid, verkregen in het eerste experiment, voor de simulatie, rekening houdend met de verwarmingssnelheid waarmee de gegevens werden verkregen en het vermogen dat worden afgeleverd aan de elektroden in de RFTA-situatie, gebaseerd op het berekenen van het tijdgemiddelde van de verwarmingssnelheid in een representatief punt van de ablatiezone. De validatie van deze procedure werd uitgevoerd op basis van de berekening van het gemiddelde in de tijd en ruimte van de verwarmingssnelheid in de ablatiezone (met 99,0% celdood) met de computer, en dit in zeven runs van het leverablatieproces bij verschillende frequenties, toegepast vermogen en verwarmingssnelheid. Een wiskundig model van de elektrische geleidbaarheid als resultaat van het thermische gedrag gebaseerd op de Arrhenius-formulering werd ontwikkeld en gevalideerd. We vergeleken de effecten op thermische schade (berekende celsterfte gebied) van verschillende elektrische geleidbaarheids-modellen die de aanwezigheid van meerdere materialen (normale leverweefsel, tumor gel phantom en spier zoutoplossing phantom) met verschillende diëlektrische eigenschappen in een complexe 2D-FEM-model op twee geselecteerde RF-frequenties. De resultaten toonden aan dat niet alleen de initiële (basislijn) elektrische geleidbaarheid belangrijk is bij het voorspellen van de laesiegrootte, maar ook dat het het model van de temperatuurafhankelijkheid van de elektrische geleidbaarheid belangrijk is. Aan de andere kant bevestigden de numerieke resultaten dat het gebruik van lagere frequenties (20 kHz) dan de momenteel gebruikte RFTA frequentie (450 kHz) kan leiden tot een preferentiële verwarming van de tumor met kleinere schade aan het gezond weefsel. De geleidbaarheidsmodellen moesten echter ook worden getest in een meer realistische RFTA-situatie, waarbij het model van het tumorweefsel betrokken is in plaats van het model van een tumorgel-fantoom, en de voorspelde laesiegrootte moet experimenteel worden bevestigd. Verschillende grafische voorstellingen, zoals temperatuurprofielen, celoverlevingsfracties, tijdevolutie van de elektrische impedantie, toegepast RF-vermogen en elektrische potentiaal kunnen worden gebruikt om de resultaten te valideren. Een nieuwe generatie RFTA-elektroden kan wellicht best ontwikkeld worden op basis van een lagere werkfrequentie op 20 kHz.