RU2786661C2

RU2786661C2 - Method for determination of necrosis zone in thermal ablation

Info

Publication number: RU2786661C2
Application number: RU2021106135A
Authority: RU
Inventors: Валерий Николаевич Макаров; Дина Владимировна Шмелева; Никита Александрович Боос; Михаил Анатольевич Махов
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2022-12-23

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine, namely to methods for determination of a necrosis zone in thermal ablation. In the presented method including the use of radio-frequency or microwave equipment with electrode heating systems and a device for remote temperature measurement, vegetable tissue of potato tuber is used as a tumor simulator. Moreover, potato tuber is preliminary cut along vertical and horizontal axes relatively to a geometrical center, and cut potato pieces are fixed. Then, the tested electrode system is introduced into tubers, a generator is turned on, heating is carried out with specified levels of power and heating time, and a temperature is measured using the device for remote temperature measurement. After removal of electrodes from tuber, geometrical sizes of the necrosis zone are fixed, and the general view of this zone is photographed.

EFFECT: precise display of necrosis boundaries and pattern of distribution of a thermal field in a volume, while results of heating are reproducible and stored for a long period of time; the use of a method will allow for development of efficient thermal heating systems and selection of heating parameters in radio-frequency and microwave ablation installation.

1 cl, 5 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение. Предлагаемое изобретение относится к методам медицинской диагностики, а именно к способам определения зоны некроза при термоабляции при заданных параметрах вводимой мощности и времени нагрева опухоли.The field of technology to which the invention belongs. The present invention relates to methods of medical diagnostics, namely to methods for determining the zone of necrosis during thermal ablation at given parameters of input power and tumor heating time.

Уровень техники.The level of technology.

Радиочастотная и микроволновая абляции относятся к методам локальной термической деструкции. Принцип их действия основан на воздействии высокими температурами (60-130°С) на патологический очаг. Нагрев может осуществляться одноэлектродными или многоэлектродными системами нагрева. Суть метода заключается в введении одного или нескольких активных игольчатых электродов в биологическую ткань с целью термического воздействия за счет радиочастотного или микроволнового излучения в течение ограниченного промежутка времени, не превышающего 15 минут [Долгушин Б.И., Косырев В.Ю. Радиочастотная термоабляция опухолей / Под ред. Давыдова М.И. - М.: Практическая медицина, 2015. - 192 с.].Radiofrequency and microwave ablations are methods of local thermal destruction. The principle of their action is based on the impact of high temperatures (60-130 ° C) on the pathological focus. Heating can be carried out by single-electrode or multi-electrode heating systems. The essence of the method is the introduction of one or more active needle electrodes into biological tissue for the purpose of thermal exposure due to radio frequency or microwave radiation for a limited period of time not exceeding 15 minutes [Dolgushin B.I., Kosyrev V.Yu. Radiofrequency thermal ablation of tumors / Ed. Davydova M.I. - M.: Practical medicine, 2015. - 192 p.].

Критерием эффективности оборудования является конечный объем создаваемого некроза в тканях, при этом размер получаемой зоны некроза должен перекрывать размер опухоли примерно на 1 см. Температура 60°С - это температура, при которой наступает гарантированное уничтожение раковых клеток, поэтому так важно точно определить границу, где температура становится ниже 60°С. В соответствии с этим, при разработке нового оборудования и выборе режимов его работы необходимо зафиксировать границу создаваемого некроза, где температура равна 60°С. При этом получаемые данные контроля должны быть достоверными и соответствовать результатам, получаемым в реальной клинической практике.The criterion for the effectiveness of the equipment is the final volume of necrosis created in the tissues, while the size of the resulting necrosis zone should overlap the size of the tumor by about 1 cm. the temperature drops below 60°C. In accordance with this, when developing new equipment and choosing its operating modes, it is necessary to fix the boundary of the created necrosis, where the temperature is 60°C. At the same time, the obtained control data must be reliable and correspond to the results obtained in real clinical practice.

Так как опухоль расположена внутри организма, создаваемое тепловое поле с границей некроза нужно визуализировать. Для этого в качестве нагрузки для электродных систем вместо реальных органов человека используются различные имитаторы, схожие по своим характеристикам с биологической тканью.Since the tumor is located inside the body, the generated thermal field with the border of necrosis must be visualized. To do this, instead of real human organs, various simulators are used as a load for electrode systems, similar in their characteristics to biological tissue.

Хотя существуют различные способы, наиболее часто для определения зоны некроза и отображения получаемого теплового поля прибегают к использованию частей органов животных.Although there are various methods, the most common way to determine the area of necrosis and display the resulting thermal field is to use parts of animal organs.

Так, например, для исследования распределения теплового поля в предстательной железе при трансректальном воздействии был создан имитатор, представляющий из себя желатиновую форму, обернутую в часть свиного кишечника [Педонова З.Н. и др. Исследование распределения физических полей в предстательной железе при трансректальном воздействии на примере фантома / Биотехносфера, 2016, №5(47), с. 19-22].So, for example, to study the distribution of the thermal field in the prostate gland during transrectal exposure, a simulator was created, which is a gelatinous form wrapped in a part of the pig intestine [Pedonova Z.N. et al. Study of the distribution of physical fields in the prostate gland during transrectal exposure on the example of a phantom / Biotechnosphere, 2016, No. 5(47), p. 19-22].

Известен также способ контроля процесса нагрева жидких сред [авторское свидетельство SU 1326910 А1, опубликовано 30.07.1987], заключающийся в использовании термоиндикаторного состава, изменяющего свой цвет в зависимости от температуры. Такой способ позволяет определить диапазон температур и объем нагрева.There is also known a method for controlling the process of heating liquid media [author's certificate SU 1326910 A1, published 07/30/1987], which consists in the use of a thermal indicator composition that changes its color depending on temperature. This method allows you to determine the temperature range and the amount of heating.

Наиболее распространенным и близким к предлагаемому способу является способ контроля температуры биологических тканей во время радиочастотной абляции [Спиридонов Е.Г. и др. К вопросу стандартизации морфологической оценки биоптатов печени при радиочастотной аблации / Вестник ВолгГМУ, 2013, №3 (47), с. 95-99], в котором в качестве имитатора используется ткань животных: печень кролика.The most common and close to the proposed method is a method of controlling the temperature of biological tissues during radiofrequency ablation [Spiridonov E.G. and others. On the issue of standardization of the morphological assessment of liver biopsy specimens during radiofrequency ablation / Vestnik VolgGMU, 2013, No. 3 (47), p. 95-99], in which animal tissue is used as a simulator: rabbit liver.

Общими недостатками имеющихся способов являются размытость границ получаемого теплового поля, что приводит к невозможности фиксации границы некроза и проблема воспроизводимости получаемых результатов. Задачей предлагаемого способа является устранение перечисленных недостатков путем замены имитатора из животной ткани на имитатор из растительной ткани с целью получения достоверного отображения создаваемого теплового поля в объеме с четкими границами температурного поля вблизи 60°С.Common disadvantages of the existing methods are the blurring of the boundaries of the resulting thermal field, which leads to the impossibility of fixing the boundaries of necrosis and the problem of reproducibility of the results obtained. The objective of the proposed method is to eliminate the above disadvantages by replacing the animal tissue simulator with a plant tissue simulator in order to obtain a reliable display of the created thermal field in a volume with clear boundaries of the temperature field near 60°C.

Сущность объекта патентования. Предлагаемый способ для определения зоны некроза основан на существенных изменениях свойств картофельного крахмала при температурах 58-62°С [Церетели Г.И. и др. Реорганизация вторичных кристаллических структур крахмала при хранении и отжиге / Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2012, Вып. 2, с. 40-49]. В этом температурном диапазоне наблюдается резкое увеличение теплоемкости крахмала, приводящее к изменению структуры нагретой области. В месте нагрева картофеля до 60°С образуется область с мелкокристаллической структурой, которая заполняется водой. Вид этой области меняется в зависимости от режима работы и конструкции электродов, при этом картина нагрева сохраняется в течение длительного времени (сутки и более).The essence of the object of patenting. The proposed method for determining the zone of necrosis is based on significant changes in the properties of potato starch at temperatures of 58-62°C [Tsereteli G.I. Reorganization of secondary crystalline structures of starch during storage and annealing / Bulletin of St. Petersburg State University. Ser. 4, 2012, Issue. 2, p. 40-49]. In this temperature range, a sharp increase in the heat capacity of starch is observed, leading to a change in the structure of the heated region. In the place where the potato is heated to 60°C, an area with a fine-grained structure is formed, which is filled with water. The appearance of this area varies depending on the mode of operation and the design of the electrodes, while the heating pattern persists for a long time (a day or more).

Так как электрофизические свойства картофеля близки к свойствам органов человека [Архангельский Ю.С. Справочная книга по СВЧ электротермии. - Саратов: Научная книга, 2011. - 560 с.], то получаемая картина нагрева аналогична картине нагрева животных тканей, но выгодно отличается наличием четко выраженной границы зоны некроза.Since the electrical properties of potatoes are close to the properties of human organs [Arkhangelsky Yu.S. Reference book on microwave electrothermy. - Saratov: Nauchnaya kniga, 2011. - 560 p.], then the resulting heating pattern is similar to the pattern of heating animal tissues, but compares favorably with the presence of a clearly defined border of the necrosis zone.

Предлагается способ определения зоны некроза при термоабляции, включающий в себя использование радиочастотного или микроволнового оборудования для нагрева биотканей с устройством дистанционного измерения температуры типа «FLIR» и электродной системы из одного или нескольких электродов, отличающийся тем, что в качестве имитатора опухоли используется растительная ткань картофельного клубня, картофельный клубень предварительно разрезается по вертикальной и горизонтальной осям относительно геометрического центра и обрезанные куски картофеля фиксируются, затем в клубни вводится исследуемая электродная система, включается генератор и проводится процедура нагрева при заданных уровнях мощности и времени нагрева, затем после удаления электродов из клубня фиксируются геометрические размеры зоны некроза и фотографируется общий вид зоны нагрева, которая обладает четко выраженными границами и сохраняется на протяжении времени.A method is proposed for determining the zone of necrosis during thermal ablation, which includes the use of radiofrequency or microwave equipment for heating biological tissues with a remote temperature measurement device of the FLIR type and an electrode system of one or more electrodes, characterized in that potato tuber plant tissue is used as a tumor simulator. , the potato tuber is preliminarily cut along the vertical and horizontal axes relative to the geometric center and the cut potato pieces are fixed, then the investigated electrode system is introduced into the tubers, the generator is turned on and the heating procedure is carried out at the given power levels and heating time, then, after removing the electrodes from the tuber, the geometric dimensions are fixed necrosis zone and a general view of the heating zone is photographed, which has clearly defined boundaries and persists over time.

Техническим результатом такого способа является четкое отображение границ некроза и картина распределения теплового поля в объеме. Это отличает заявляемый способ от наиболее распространенных способов с применением животной ткани, при которых получаемая граница некроза размыта и плохо идентифицируема.The technical result of this method is a clear display of the boundaries of necrosis and a picture of the distribution of the thermal field in the volume. This distinguishes the proposed method from the most common methods using animal tissue, in which the resulting border of necrosis is blurred and poorly identifiable.

На фиг. 1 показаны результаты нагрева имитатора на продольном разрезе при испытании одноэлектродной системы. На изображении показан след 1, оставшийся от введения активного игольчатого электрода и полученная зона нагрева 2. В отличии от имитаторов, использующих животные ткани полученное тепловое поле и его граница хорошо различимы.In FIG. 1 shows the results of heating the simulator on a longitudinal section when testing a single-electrode system. The image shows trace 1 left after the introduction of the active needle electrode and the resulting heating zone 2. In contrast to simulators using animal tissues, the resulting thermal field and its boundary are clearly distinguishable.

Сущность способа поясняется с помощью фиг. 2 - на ней показана последовательность действий при испытании электродных систем на примере одноэлектродного нагрева. Перед нагревом имитатора 3 производится его предварительное разрезание по вертикальным и горизонтальным осям (отмечено пунктиром) на линии геометрического центра имитатора, далее производится нагрев предварительно разрезанного по вертикальной и горизонтальной осям имитатора с помощью исследуемой электродной системы 4. Контроль распределения температуры производится с помощью тепловизионного устройства типа «FLIR» 5. После нагрева электродная система удаляется из имитатора, фиксируются размеры зоны некроза и общий вид зоны. Заключительным этапом является формирование конечных картин нагрева с фиксацией полученных зон некроза в сечении, при этом может быть сформировано как вертикальное сечение 6, так и горизонтальное сечение 7.The essence of the method is explained with the help of Fig. 2 - it shows the sequence of actions when testing electrode systems using the example of single-electrode heating. Before heating simulator 3, it is preliminarily cut along the vertical and horizontal axes (marked by a dotted line) on the line of the geometric center of the simulator, then the simulator preliminarily cut along the vertical and horizontal axes is heated using the electrode system 4 under study. The temperature distribution is controlled using a thermal imaging device of the type «FLIR» 5. After heating, the electrode system is removed from the simulator, the dimensions of the necrosis zone and the general view of the zone are recorded. The final stage is the formation of final heating patterns with fixation of the resulting necrosis zones in the section, while both vertical section 6 and horizontal section 7 can be formed.

На фиг. 3а показан результат нагрева имитатора разным количеством электродов в поперечном разрезе - четыре, шесть, восемь, расположенных на различных диаметрах. При нагреве в картофеле происходят структурные изменения, связанные с резким повышением теплоемкости крахмала, и образуется видимая область нагрева с четко выраженными границами. При продольном разрезе (фиг. 3б) можно увидеть границы теплового поля по высоте.In FIG. 3a shows the result of heating the simulator with a different number of electrodes in a cross section - four, six, eight, located at different diameters. When heated, structural changes occur in potatoes associated with a sharp increase in the heat capacity of starch, and a visible heating area with clearly defined boundaries is formed. In a longitudinal section (Fig. 3b), one can see the boundaries of the thermal field along the height.

На фиг. 4 показаны термограммы распределения температуры для системы из шести игольчатых электродов по поперечному сечению разреза, полученные с помощью тепловизора «FLIR». Слева показана термограмма в начале нагрева, в центре - температурное распределение в середине нагрева, картина справа -конечный результат нагрева. На термограмме обозначениями sp1-sp3 показаны значения температуры в конкретных точках. Точки sp1, sp3 показывают температуру на границе теплового поля, sp2 - температуру в центре. Используя информацию термограмм можно сделать вывод о равномерности нагрева исследуемой многоэлектродной системы.In FIG. Figure 4 shows thermograms of the temperature distribution for a system of six needle electrodes along the cross section of the section, obtained using the FLIR thermal imager. The thermogram at the beginning of heating is shown on the left, the temperature distribution in the middle of heating is in the center, the picture on the right is the final result of heating. On the thermogram, the symbols sp1-sp3 show the temperature values at specific points. Points sp1, sp3 show the temperature at the boundary of the thermal field, sp2 - the temperature in the center. Using the information from thermograms, it is possible to draw a conclusion about the uniformity of heating of the multielectrode system under study.

Эксперименты показали эффективность предлагаемого способа контроля. Получаемые картины нагрева наглядно демонстрируют распределение теплового поля в объеме с четкой фиксацией границы зоны некроза, при этом результаты нагрева воспроизводимы и сохраняются на протяжении длительного отрезка времени. Использование данного способа позволит разрабатывать эффективные системы термического нагрева и осуществлять подбор параметров нагрева в радиочастотных и микроволновых установках абляции.Experiments have shown the effectiveness of the proposed control method. The resulting heating patterns clearly demonstrate the distribution of the thermal field in the volume with a clear fixation of the border of the necrosis zone, while the heating results are reproducible and persist over a long period of time. The use of this method will allow the development of efficient thermal heating systems and the selection of heating parameters in radio-frequency and microwave ablation units.

Claims

A method for determining the zone of necrosis during thermal ablation, in which the plant tissue of a potato tuber is used as a tumor simulator, including the use of radio frequency or microwave equipment with electrode heating systems and a remote temperature measurement device, wherein the potato tuber is preliminarily cut along the vertical and horizontal axes relative to the geometric center, and cut potato pieces are fixed, then the investigated electrode system is introduced into the tubers, the generator is turned on, and the heating procedure is carried out at the given power levels and heating time, the temperature is measured using a remote temperature measurement device, then, after removing the electrodes from the tuber, the geometric dimensions of the necrosis zone are fixed, and a general view of this zone is photographed.