Finite element modelling of radiofrequency and microwave liver tumor ablation

Abstract

Radiofrequenz ablation (RFA) ist eine minimal invasive Methode um mithilfe von Hitze pathologisches Gewebe wie z.B. Tumorgewebe zu zerstören. Bei einer RFA wird ein Applikator direkt in den Tumor eingef¨uhrt wo eine Koagu- lationsnekrose erzeugt wird. Während einer typischen Anwendung von 10 bis 15 Minuten wird eine ca. 3-5.5 cm große Sphäre an totem Gewebe erzeugt.<br />RFA wird derzeit für thermische Ablation von Knochen, Leber, Nieren, Herz, Prostata, Brust, Gehirn und Tumorgewebe eingesetzt. Allerdings variiert die Menge an thermischer Energie die benötigt wird um eine komplette Nekrose zu erzielen. Dies liegt vor allem daran, dass viele Gewebeparameter zu wenig bekannt sind. Derzeit wird RFA aufgrund von empirisch gefundenen Daten durchgeführt.<br />Meine Arbeit behandelt die Erstellung von Finite Element Modellen, die das thermische Verhalten von Radiofrequenz- und Mikrowellenablation (MWA) untersuchen. Der Hauptteil dieser Arbeit behandelt den Vergleich der Beteiligung von direkter Erwärmung, Wärmeleitung und Perfusion an der resultierenden Wärmeverteilung eines typischen Radiofrequenz bzw.<br />Mikrowellen Durchlaufs.<br />Ich habe Finite Element Modelle einer RF Elektrode (gekühlt, 17 gauge) und einer MW Antenne (Dipol, 13 gauge) erstellt. RFA wurde für eine 12 Minuten Dauer simuliert wobei die zugef¨uhrte Energie so kontrolliert wurde, dass die maximale Temperatur ungefähr bei 100 C liegt. MWA wurde für eine Dauer von 6 Minuten simuliert, die zugeführte Energie betrug dabei 75W. Bei beiden Modellen wurde sowohl die Veränderung von elektrischen und thermischen Gewebsparameter also auch die temperaturbedingte Veränderung der Blutperfusion berücksichtigt. Bei beiden Simulationen wurde die Gewebstemperatur und den berechneten Perfusionseffekt ermittelt und evaluiert.<br />Die maximale Gewebstemperatur lag bei 100 C für die RFA und bei 177 C für die MWA. Bei beiden Modellen wird das Gewebe nur in Nähe des Applikators direkt erhitzt. MWA ermöglicht höhere Temperaturen als RFA, da Mikrowellen durch Gewebsaustrocknung und Verkohlung nicht limitiert werden. Durch höhere Temperaturen und einer geringeren Anwendungszeit ist MWA geringer durch Perfusion beeinflusst.<br />

In radiofrequency ablation (RFA) heat is generated locally by a high frequency, alternating current that flows from the electrodes inserted into the center of a tumor. The local heat that is generated melts the tissue (coagulative necrosis) that is adjacent to the probe. Within a time period of 10 to 15 minutes, the local heating will result in a 3 cm to 5.5 cm sphere of dead tissue per treatment.<br />RFA so far has been widely used for thermal ablation in bone, liver, kidney, heart, prostate, breast, brain, and soft tissue tumors. However, the amount of thermal energy necessary to achieve a complete necrosis varies among many tissue parameters.<br />My work deals with the creation of finite element models describing such an ablation process and evaluating the various results. The main part deals with the comparison of the influence of direct heating, thermal conduction and perfusion on the heating pattern of a typical radiofrequency and microwave ablation session.<br />I created Finite Element computer models of a RF electrode (Cooled needle, 17 gauge), and a Microwave (MW) antenna (Dipole, 13 gauge). I simulated RF ablation for 12 min with power controlled to keep maximum tissue temperature at 100 C, and Microwave ablation (MWA) for 6 min with 75W of power applied. For both models I considered change in electric and thermal tissue properties as well as perfusion depending on tissue temperature. I determined the tissue temperature profile at the end of the ablation procedure and the calculated effect of perfusion on both RF and MW ablation.<br />Maximum tissue temperature was 100 C for RF ablation, and 177 C for MWA.<br />Lesion shape was ellipsoid for RF, and tear-drop shaped for MWA. MWA is less affected by tissue perfusion mainly due to the shorter ablation time and higher tissue temperature, but not due to providing deeper heating than RF.<br />Both MW and RF applicators only produce significant direct heating within mm of the applicator, with most of the ablation zone created by thermal conduction.<br />Both RF and MW applicators only directly heat tissue in close proximity of the applicators. MWA allows for higher tissue temperatures than RF since MW propagation is not limited by tissue desiccation and charring. Higher temperatures coupled with lower treatment times result in reduced effects of perfusion on MWA.