Development of a Stent-Based Electrode for Radio Freqency Thermal Ablation Procedure

Abstract

Os stents metálicos auto-expansíveis são endopróteses normalmente utilizadas no tratamento paliativo dos sintomas provocados pelo crescimento de tumores cancerígenos no interior de órgãos tubulares, como sejam o cólon, o esófago ou o ducto biliar. A função deste dispositivo é a desobstrução do órgão por ação mecânica, exercendo uma força radial sobre as paredes do ducto, após ter sido posicionado. O nitinol, uma liga de níquel e titânio que, para além de possuir propriedades mecânicas únicas de elasticidade e de memória de forma, apresenta uma excelente biocompatibilidade, é um material que tem sido usado largamente na construção destas endopróteses. Por outro lado, a ablação térmica por radiofrequência é um procedimento clínico que se tem revelado bastante eficaz no tratamento de tumores localizados em órgãos de tecidos moles. O tratamento de hepatocarcinomas com recurso a esta metodologia é talvez um dos mais documentados na literatura. Nesta dissertação de doutoramento é proposto um elétrodo tubular que tem por base a utilização de um stent metálico auto-expansível. Pretende-se com este elétrodo possibilitar o tratamento de tumores localizados em órgãos tubulares através da ablação térmica por radiofrequência. É proposta uma metodologia que consiste na colocação do elétrodo segundo procedimentos convencionais no local a tratar, e.g., por laparoscopia, sendo posteriormente ligado a um gerador de radiofrequência através de um fórceps adaptado eletricamente para o efeito. Neste trabalho, é apresentada uma análise numérica e experimental da utilização deste elétrodo, de forma a avaliar e caracterizar o tipo de lesão térmica que é possível induzir. Os dados obtidos a partir do trabalho experimental revelaram resultados promissores quando a aplicação deste tipo de elétrodo. Verificou-se que é possível induzir necrose térmica no tecido adjacente ao elétrodo, obtendo-se um volume regular e bem definido. Dos dados experimentais, ainda foi possível definir e aferir um modelo numérico que permitiu simular a distribuição da temperatura no tecido biológico e prever o volume da lesão que pode ser induzida. A partir da simulação numérica foi possível estudar o efeito da geometria do stent na distribuição da temperatura no tecido e determinar o tamanho e a forma do volume da lesão que é possível obter. Sendo que muitos dos stents disponíveis comercialmente são, em estrutura, muito semelhantes ao modelo estudado neste trabalho, é possível concluir que estes podem ser considerados potenciais elétrodos para ablação por radiofrequência, sem que para isso seja necessária qualquer alteração. Foi ainda simulada a ablação térmica por radiofrequência de um tumor localizado no ducto biliar, de forma a estudar o efeito da transferência de calor por convecção devida ao fluxo de sangue em vasos sanguíneos localizados próximo do elétrodo. Para minimizar este efeito, foi ainda considerada uma ablação por radiofrequência coadjuvada pela injeção de uma solução salina no tecido tumoral, permitindo deste modo alterar a deposição de energia no tumor. Os resultados indicam que é possível melhorar a forma do volume da lesão induzida atendendo a um compromisso entre a tensão aplicada e a solução salina utilizada, se bem que o fenómeno de convecção térmica é ainda assim significativo na distribuição da temperatura no tumor. Finalmente, as principais conclusões deste trabalho evidenciam que o procedimento proposto de ablação térmica por radiofrequência utilizando um stent metálico auto-expansível como elétrodo ativo é viável. Sugere-se ainda que os stents atualmente disponíveis no mercado possam ser vistos como potenciais elétrodos, os quais, depois de colocados, podem ser ligados ao gerador de radiofrequência através do fórceps modificado aqui proposto.

Self-expandable metallic stents are endo-prosthesis commonly used for the palliative treatment of the symptoms caused by the growth of cancerous tumours inside tubular organs, like the colon, oesophagus or bile duct. After placing and deploying the stent, this device relieves the stricture problems by mechanical action, applying a radially outward force on the walls of the duct. Nitinol is an alloy of nickel and titanium that presents unique properties of elasticity and shape memory, besides excellent biocompatibility characteristics. For this, it has been widely used for producing this type of endo-prosthesis. Additionally, radio frequency thermal ablation is a medical procedure that has been considered as an effective therapy for the treatment of tumours located in softtissue organs. The hepatic radio frequency ablation for the treatment of hepatocarcinomas might be one of the most well-documented in the literature. In this Ph.D dissertation, it is proposed a tubular electrode based on a self-expandable stent. It is intended, with this electrode, to perform radio frequency thermal ablation therapy of tumours located in tubular organs. It is also proposed a methodology that consists of placing and deploying the electrode according common procedures, e.g., through laparoscopy. Next, the electrode is connected to the radio frequency power generator through an electrically modified forceps. In this work, it is presented a numerical and experimental analysis for characterization of the thermal induced lesion that is possible to achieve using the proposed electrode. Experimental data revealed promising results about the application of the proposed electrode. It was verified that it is possible to induce thermal necrosis in the tissue adjacent to the electrode, obtaining a regular, well-defined volume. Also, from the experimental results, it was possible to define and validate a numerical model that allows to simulate the temperature distribution in the biological tissue and anticipate the volume of the induced lesion. From the numerical simulation, it was studied the effect of the geometry of the stent on the temperature distribution in the tissue, and it was assessed the size and the shape of the volume. Taking into account that many of the currently available stents in the market are very similar to the structure of the model considered, it is possible to conclude that these stents can be regarded as potential radio frequency ablation electrodes without any particular modification. It was also simulated a radio frequency thermal ablation of a tumour located in a bile duct. It was intended to study the effect of the convective heat transfer caused by the blood flood in the blood vessels that are near the electrode. Additionally, it was considered a saline-enhanced radio frequency ablation, which consists of the injection of a saline solution into the tumorous tissue in order to modify the energy deposition in the tumour. The results show that, considering a compromise between the applied tension and the amount of saline solution used, it might be possible to improve the shape of the volume of induced lesion. However, the convective heat transfer still has a significant effect on the temperature distribution in the tumour. Finally, the main conclusions of this work evince that the proposed radio frequency thermal ablation procedure using a self-expandable metallic stent as an active electrode can be regarded as a feasible solution. It is also suggested that the current stent solutions commercially available can be considered as potential electrodes that can be connected to the radio frequency power generator, after placed and deployed, through the modified forceps proposed in this work.