Трехмерное моделирование абляции опухоли печени с использованием электродов с несколькими зубцами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты трехмерного моделирования с использованием метода конечных элементов селективного уничтожения опухолей, расположенных в области раздвоенных кровеносных сосудов. Методология подразумевает подготовку троакара, оснащенного особой конфигурацией многозубчатых электродов, который функционирует как источник тепла для эффективного устранения злокачественных клеток при сохранении целостности окружающей здоровой ткани. Получены профили электрического потенциала, температуры и доли повреждений. Для количественной оценки степени повреждения ткани изучены доли некротической ткани в различных местах. Результаты убедительно демонстрируют, что клетки эффективно уничтожаются в направлении электродов, во всех других направлениях клетки остаются неповрежденными. Установлено, что увеличение входного напряжения от 22 до 27 В приводит к соответствующему повышению температуры внутри ткани. Анализ влияния скорости перфузии крови в диапазоне от 6.4×10–7 до 6.4×10–2 1/с на температуру показал, что более низкая скорость перфузии приводит к более высоким значениям температуры внутри печени. Предлагаемая модель имеет значительные перспективы как инструмент для онкологов, который можно использовать при разработке эффективных процедур термической абляции опухолей при минимальном сопутствующем ущербе здоровых тканей.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

E. Poorreza

Технологический университет Саханда

Автор, ответственный за переписку.
Email: elnaz.poorreza@gmail.com

Факультет электротехники

Иран, Тебриз

Список литературы

  1. Attaluri A., Ma R., Qiu Y., Li W., Zhu L. Nanoparticle Distribution and Temperature Elevations in Prostatic Tumours in Mice During Magnetic Nanoparticle Hyperthermia // Int. J. Hyperthermia. 2011. V. 27. № 5. P. 491.
  2. Kikumori T., Kobayashi T., Sawaki M., Imai T. Anti-cancer Effect of Hyperthermia on Breast Cancer by Magnetite Nanoparticle-loaded anti-HER2 Immunoliposomes // Breast Cancer Res. Treat. 2009. V. 113. P. 435.
  3. Dhiman M., Kumawat A.K., Repaka R. Directional Ablation in Radiofrequency Ablation Using a Multi-tine Electrode Functioning in Multipolar Mode: an in-silico Study Using a Finite Set of States // Comput. Biol. Med. 2020. V. 126. P. 104007.
  4. Kim T.-H., Lee J.M., Lee D.H., Joo I., Park S.-J., Yoon J.H. Can “no-touch” Radiofrequency Ablation for Hepatocellular Carcinoma Improve Local Tumor Control? Systematic Review and Meta-analysis // Eur. Radiol. 2023. V. 33. № 1. P. 545.
  5. Santana J.G., Petukhova-Greenstein A., Gross M., Hyder F., Pekurovsky V., Gottwald L.A., Boustani A., Walsh J.J., Kucukkaya A.S., Malpani R. MR Ima-ging–based in Vivo Macrophage Imaging to Monitor Immune Response after Radiofrequency Ablation of the Liver // J. Vascular Interventional Radiology. 2023. V. 34. № 3. P. 395.
  6. Jimenez-Candil J., Hernandez J.H., Galban A.C., Blanco F., Moriñigo J.L., García M.S., Oterino A., Sanchez P.L. Clinical and Economic Outcomes of a Systematic Same-day Discharge Programme after Pulmonary Vein Isolation: Comparison between Cryoballoon vs. Radiofrequency Ablation // Europace. 2023. V. 25. № 9. P. euad265.
  7. Beckwith M., Cushman D., Clark T., Park P.K., Burnham T., Burnham R., McCormick Z.L., Conger A. Radiofrequency Ablation of the Infrapatellar Branch of the Saphenous Nerve for the Treatment of Chronic Anterior Inferomedial Knee Pain // Pain Medicine. 2023. V. 24. № 2. P. 150.
  8. Yan S., Gu K., Wu X., Wang W. Computer Simulation Study on the Effect of Electrode–Tissue Contact Force on Thermal Lesion Size in Cardiac Radiofrequency Ablation // Int. J. Hyperthermia. 2020. V. 37. № 1. P. 37.
  9. Vutov Y., Nikolov D., Lirkov I., Georgiev K. Computer Simulation of a Saline Enhanced Radio-Frequency Hepatic Ablation Process // Large-scale Scientific Computing: 12th Int. Conf., LSSC 2019. Sozopol, Bulgaria, June 10–14, 2019. 2020. P. 382.
  10. Castro-López D.L., Berjano E., Romero-Mendez R. Radiofrequency Ablation Combined with Conductive Fluid-based Dopants (Saline Normal and Colloidal Gold): Computer Modeling and ex Vivo Experiments // BioMedical Engineering OnLine. 2021. V. 20. P. 1.
  11. Duan B., Wen R., Fu Y., Chua K.-J., Chui C.-K. Probabilistic Finite Element Method for Large Tumor Radiofrequency Ablation Simulation and Planning // Med. Eng. Phys. 2016. V. 38. № 11. P. 1360.
  12. Singh S., Melnik R. Computational Modeling of Cardiac Ablation Incorporating Electrothermomechanical Interactions // ASME J. Eng. Sci. Med. Diagn. Ther. 2020. V. 3. № 4. P. 041004.
  13. Fang Z., Mao H., Moser M.A., Zhang W., Qian Z., Zhang B. Irreversible Electroporation Enhanced by Radiofrequency Ablation: an in Vitro and Computational Study in a 3D Liver Tumor Model // Ann. Biomed. Eng. 2021. V. 49. № 9. P. 2126.
  14. Aryana A., Irastorza R.M., Berjano E., Cohen R.J., Kraus J., Haghighi–Mood A., Reddy V.Y., d’Avila A. Radiofrequency Ablation Using a Novel Insulated–tip Ablation Catheter Can Create Uniform Lesions Comparable in Size to Conventional Irrigated Ablation Catheters while Using a Fraction of the Energy and Irrigation // J. Cardiovasc. Electrophysiol. 2022. V. 33. № 6. P. 1146.
  15. Frank K., Lindenborn H., Dahlhaus D. Numerical and Experimental Characterization of Radiofrequency Ablation in Perfused Kidneys // Ann. Int. Conf. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2012. P. 5707.
  16. Villard C., Soler L., Gangi A. Radiofrequency Ablation of Hepatic Tumors: Simulation, Planning, and Contribution of Virtual Reality and Haptics // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Enginee-ring. 2005. V. 8. № 4. P. 215.
  17. Pop M., Davidson S.R., Gertner M., Jewett M.A., Sherar M.D., Kolios M.C. A Theoretical Model for RF Ablation of Kidney Tissue and Its Experimental Validation // Biomedical Simulation: 5th Int. Symp., ISBMS 2010, Phoenix, AZ, USA, January, 23–24, 2010. Proc. 5. Springer, 2010. P. 119.
  18. Tungjitkusolmun S., Staelin S.T., Haemmerich D., Tsai J.-Z., Cao H., Webster J.G., Lee F.T., Mahvi D.M., Vorperian V.R. Three-dimensional Finite-element Ana-lyses for Radio-frequency Hepatic Tumor Ablation // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2002. V. 49. № 1. P. 3.
  19. Keangin P., Rattanadecho P., Wessapan T. An Analysis of Heat Transfer in Liver Tissue During Microwave Ablation Using Single and Double Slot Antenna // Int. Commun. Heat Mass Transfer. 2011. V. 38. № 6. P. 757.
  20. Keangin P., Rattanadecho P. A Numerical Investigation of Microwave Ablation on Porous Liver Tissue // Adv. Mech. Eng. 2018. V. 10. № 8. https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/1687814017734133
  21. Keangin P., Rattanadecho P. Analysis of Heat Transport on Local Thermal Non-equilibrium in Porous Liver During Microwave Ablation // Int. J. Heat Mass Transfer. 2013. V. 67. P. 46.
  22. Rattanadecho P., Keangin P. Numerical Study of Heat Transfer and Blood Flow in Two-layered Porous Liver Tissue During Microwave Ablation Process Using Single and Double Slot Antenna, International // J. Heat Mass Transfer. 2013. V. 58. № 1–2. P. 457.
  23. Wu X., Liu B., Xu B. Theoretical Evaluation of High Frequency Microwave Ablation Applied in Cancer Therapy // Appl. Thermal Eng. 2016. V. 107. P. 501.
  24. Pennes H.H. Analysis of Tissue and Arterial Blood Temperatures in the Resting Human Forearm // J. Appl. Physiol. 1998. V. 85. № 1. P. 5.
  25. Paruch M. Mathematical Modeling of Breast Tumor Destruction Using Fast Heating During Radiofrequency Ablation // Materials. 2019. V. 13. № 1. P. 136.
  26. Soetaert F. Experimental and Numerical Analysis of Magnetic Nanoparticle Hyperthermia: an Interdis-ciplinary Cancer Treatment. PhD Thes. Ghent University, 2017.
  27. Wright N.T. Quantitative Models of Thermal Damage to Cells and Tissues // Heat Transfer and Fluid Flow in Biological Processes. Elsevier, 2015. P. 59.
  28. Gas P., Wyszkowska J. Influence of Multi-tine Electrode Configuration in Realistic Hepatic RF Ablative Heating // Archives of Electrical Engineering. 2019. V. 68. № 3. P. 521.
  29. Chang I.A. Considerations for Thermal Injury Analysis for RF Ablation Devices // Open Biomed. Eng. J. 2010. V. 4. P. 3.
  30. Mahfoud B. Effect of Wall Electrical Conductivity on Heat Transfer Enhancement of Swirling Nanofluid-flow // J. Nanofluids. 2023. V. 12. № 2. P. 418.
  31. Хабибуллин И.Л., Хамитов А.Т., Назмутдинов Ф.Ф. Моделирование процессов тепло- и массопереноса в пористых средах при фазовых превращениях, инициируемых микроволновым нагревом // ТВТ. 2014. Т. 52. № 5. С. 727.
  32. Пащина А.С., Дегтярь В.Г., Калашников С.Т. СВЧ-антенна на основе импульсной плазменной струи // ТВТ. 2015. Т. 53. № 6. С. 839.
  33. Poorreza E. Численный анализ теплообмена в тканях печени при СВЧ-абляции с использованием одной, двух, трех и четырех щелей // ТВТ. 2023. Т. 62. № 1. С. 131.
  34. Costandi S., Garcia-Jacques M., Dews T., Kot M., Wong K., Azer G., Atalla J., Looka M., Nasr E., Mekhail N. Optimal Temperature for Radiofrequency Ablation of Lumbar Medial Branches for Treatment of Facet-mediated Back Pain // Pain Practice. 2016. V. 16. № 8. P. 961.
  35. Mudaliar A.V., Ellis B.E., Ricketts P.L., Lanz O.I., Lee C.Y., Diller T.E., Scott E.P. Noninvasive Blood Perfusion Measurements of an Isolated Rat Liver and an Anesthetized Rat Kidney // J. Biomech. Eng. 2008. V. 130. 061013.
  36. Yhamyindee P., Phasukkit P., Tungjitkusolmon S., Sanpanich A.Analysis of Heat Sink Effect in Hepatic Cancer Treatment near Arterial for Microwave Ablation by Using Finite Element Method // IEEE. 5th Biomed. Eng. Int. Conf. 2012. P. 1.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение раздвоенного кровеносного сосуда и многозубцового зонда (а) и модель зонда (б).

Скачать (32KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Расчетная сетка.

Скачать (29KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение электрического потенциала в плоскости XZ внутри ткани печени при воздействии в течение 10 мин электродом с разным количеством зубцов: (а) – один зубец, (б) – два, (в) – три, (г) – шесть.

Скачать (32KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Распределение температуры в плоскости XZ внутри ткани печени около электрода с одним зубцом (а), двумя (б), тремя (в), шестью (г).

Скачать (43KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изотермические поверхности T = 50°C в плоскости XZ внутри ткани печени при использовании электрода с разным количеством зубцов: (а) – один зубец, (б) – два, (в) – три, (г) – шесть.

Скачать (49KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Объемные распределения доли повреждений в ткани печени для электрода с одним зубцом (а), двумя (б), тремя (в), шестью (г).

Скачать (37KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Увеличение доли повреждения ткани печени со временем при использовании электрода с одним зубцом (а), двумя (б), тремя (в), шестью (г); A–D соответствуют точкам на рис. 5а.

Скачать (54KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости температуры в критической точке (–16.6, 0, 60) около электрода с одним зубцом (а), двумя (б), тремя (в), шестью (г).

Скачать (33KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Значения температуры у поверхности электрода в зависимости от напряжения для различного количества зубцов: 1 – один зубец, 2 – два, 3 – четыре, 4 – шесть.

Скачать (12KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Значения температуры у поверхности электрода в зависимости от скорости перфузии крови при использовании электрода с различным количеством зубцов: 1 – один зубец, 2 – два, 3 – четыре, 4 – шесть.

Скачать (14KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Сравнительный вид изотермических поверхностей (T = 50°C) в ткани печени при скорости перфузии крови 6.4×10–7 1/с (а), (в), (д), (ж) и 6.4×10–2 1/с (б), (г), (е), (з) и различном количестве зубцов электрода: (а), (б) – один зубец; (в), (г) – два; (д), (е) – четыре; (ж), (з) – шесть.

Скачать (43KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Сравнительный вид полей доли повреждения при скорости перфузии крови 6.4×10–7 1/с (а), (в), (д), (ж) и 6.4×10–2 1/с (б), (г), (е), (з) и различном количестве зубцов электрода: (а), (б) – один зубец; (в), (г) – два; (д), (е) – четыре; (ж), (з) – шесть.

Скачать (73KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025