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Biophysics model development describing 3D energy-tissue interaction for thermal ablation treatments in cancer care
2021 & 2022
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022
Genehmigende Fakultät
Fak03
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-02
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-12002
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/837410/files/837410.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
blood-vessel cooling effects (frei) ; mathematical modeling (frei) ; parameter estimation (frei) ; radiofrequency ablation (frei) ; reduced basis method (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624
Kurzfassung
In den letzten Jahren haben sich minimal-invasive Methoden zur Behandlung von Leberkrebs durchgesetzt. Von diesen wird die Radiofrequenzablation (RFA) aufgrund ihrer relativen Einfachheit der Implementierung und der geringen Rate an damit verbundenen Komplikationen am meisten bevorzugt. Bei der RFA wird eine Elektrode in den Tumor eingeführt und mit Hochfrequenzstrom durchflossen. Es wird erwartet, dass die verursachte Widerstandserwärmung den Tumor zerstört. Es wurde beobachtet, dass die Erfolgsrate von RFA-Behandlungen mit der Erfahrung des RFA-Klinikers dramatisch ansteigt. Die Herausforderung besteht darin, diese Abhängigkeit der Behandlungserfolgsrate von der Erfahrung des Klinikers zu reduzieren. Mathematische Modelle können nützlich sein, um das Behandlungsergebnis vorherzusagen und so die Behandlungsplanung zu unterstützen. Diese Modelle müssen schnell und dennoch genau sein, um von klinischem Nutzen zu sein. Während der RFA wird die an das Gewebe abgegebene Wärme durch feinteilige Perfusion in die Leber und durch große Blutgefäße abtransportiert. Diese Kühleffekte führen zu einer reduzierten thermischen Läsion, was die Wahrscheinlichkeit eines erneuten Auftretens von Krebs erhöht. Die genaue Vorhersage dieser Kühleffekte ist die Herausforderung für mathematische Modellierer. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Variation geometrischer Parameter wie Gefäßkonfiguration, Radius und aktive Länge der HF-Elektrode auf die thermische RFA-Läsion analysiert. Besonderes Augenmerk wird auf gerichtete Wirkungen des Blutflusses und der Blutgerinnung gelegt. Ein Klassifikationsschema für Blutgefäße basierend auf ihrem Radius wird vorgestellt. Das Schema gibt an, welche Annäherungen an die herrschenden Gleichungen von Blutgefäßen in Abhängigkeit von ihrem Radius zugelassen werden können. Diese Arbeit untersucht auch den Einfluss des Blutflusses auf temperaturgesteuerte RFA durch thermochrome Phantomexperimente und Simulationen. Die zuvor erhaltenen Ergebnisse zu Richtungseffekten werden um eine unabhängige Variation von Gefäßradius und Durchflussrate erweitert. Der vorgestellte Versuchsaufbau eignet sich zur Modellvalidierung in einem vereinfachten Setting. Als nächstes werden die Ergebnisse einer Parameterschätzungsstudie präsentiert. Ziel ist es, die optimale Perfusionsrate als Funktion des Gefäßradius zu bestimmen, um den Advektionsterm innerhalb der Blutgefäße durch den Pennes-Perfusionsterm zu ersetzen. Schließlich wird die Möglichkeit untersucht, die Methode der reduzierten Basis (RB) zur schnellen Schätzung von RFA-Ergebnissen bei patientenspezifischen Gefäßgeometrien und einer variablen Wärmequelle zu verwenden. Die empirische Interpolationsmethode (EIM) wird verwendet, um eine affine Annäherung an die parametrisierte Wärmequelle zu erhalten. Diese Arbeit trägt somit zur Entwicklung eines schnellen und dennoch genauen Modells bei, das auf die Vorhersage von hepatischen RFA-Ergebnissen zugeschnitten ist.In recent years, minimally invasive methods have become popular for the treatment of hepatic cancer. Of these, Radio-frequency ablation (RFA) is the most preferred because of its relative ease of implementation and low rate of associated complications. In RFA an electrode is inserted into the tumour and radio-frequency current is passed through it. The resistive heating caused is expected to destroy the tumour. It has been observed that the success rate of RFA treatments increases dramatically with the level of experience that the RFA clinician possesses. The challenge is to reduce this dependence of the treatment success rate on the level of experience a clinician has. Mathematical models can be useful to predict treatment outcome, thereby assisting in planning. These models must be fast, yet accurate to be of clinical use. During RFA the heat delivered to the tissue is carried away by fine-scale perfusion in the liver, and by large blood vessels. These cooling effects result in a reduced thermal lesion, which increases the possibility of cancer recurrence. Predicting these cooling effects accurately is the challenge for mathematical modellers.In this work the effect of variation in geometrical parameters such as vessel configuration, radius, and RF electrode active length on the RFA thermal lesion has been analysed. Special focus is placed on directional effects of blood flow and blood coagulation. A classification scheme for blood vessels based on their radius is presented. The scheme indicates which approximations to the governing equations may be admitted by blood vessels depending on their radius. This work also investigates the effect of blood flow on temperature-controlled RFA through thermochromic phantom experiments and simulations. The results on directional effects obtained previously are extended to include independent variation of vessel radius and flow-rate. The experimental setup presented is suitable for model validation in a simplified setting. Next the results of a parameter estimation study are presented. The objective is to determine the optimal perfusion rate as a function of vessel radius so as to allow the substitution of the advection term inside the blood vessels by the Pennes perfusion term. Finally the possibility of using the reduced basis (RB) method for fast estimation of RFA outcomes in the presence of patient-specific vascular geometries and a variable heat source is explored. The empirical interpolation method (EIM) is used to obtain an affine approximation to the parametrized heat source. This work, thus, contributes to the development of a fast, yet, accurate model tailored to the prediction of hepatic RFA outcomes.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021201140
Interne Identnummern
RWTH-2021-12002
Datensatz-ID: 837410
Beteiligte Länder
Germany
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