Radiofrequency embolization of head and neck tumors (theoretical basis)

There are two approaches to tumor therapy. The first (radiofrequency ablation - RFA) is based on heating tumor cells to temperatures at which the cells die. The second (embolization) deprives the tumor of blood supply. Purpose of the study. In this study, we proposed to combine both methods into one and implement total tumor embolization by creating a closed contour of coagulated tissue around it, using the existing RFA equipment. Since the tumor is surrounded by a dense network of capillary vessels passing through the ablastic zone, heating of a part of this zone to coagulation temperature will lead to disruption of blood supply to the tumor, followed by possible apoptosis of tumor cells. Experimental model. The mathematical model of radiofrequency heating is built considering the following physical processes: absorption of energy of alternating electric current within a tissue, heat transfer and thermal damage to a tissue resulting from heating ablation. Possible schemes for connecting electrodes in azimuthal and transverse fields for 4, 8 and 12 electrodes are discussed. By alternately changing the polarity of the electrodes, it is possible to obtain electric fields directed along the azimuth, and with an increase in the number of electrodes, the radial component of the field tends to zero. Transverse components are created by simultaneously connecting electrodes in two opposite groups. Calculations and their discussion. The processes of formation of cylindrical and flat surfaces at different diameters of introduction of shaping electrodes were studied. The results of the calculations are presented, indicating the possibility of complete isolation of tumors with diameters up to 80–90 mm. Conclusion. For the first time, a system of total embolization is discussed where external coagulation of the entire vascular system surrounding the tumor is used instead of internal clogging of blood vessels by emboli. As a result, the processes of transition to cellular apoptosis and replacement of tumor cells with healthy ones is expected. The implementation of total embolization will allow a 100% cure for patients. Calculations carried out using the COMSOL MULTIPHYSICS software package indicate the possibility of embolization of tumors up to 80–90 mm in diameter. Thus, the study indicates the technical feasibility of realizing complete tumor embolization by using standard radio frequency equipment and special multielectrode systems. When using the proposed design, it is potentially possible to improve existing methods of therapy. The design of the electrode system does not require moving the electrodes during the heating procedure. Achieving complete embolization will allow avoiding the spread of cancer cells since, according to the calculations, the volume of coagulation required for heating is reduced by about 60%, and an increase in the generator power and the volume of energy supplied to the tissue, as in the case of the classical ablation method, is not required. In addition to oncology, such systems can be used for denervation of the renal artery due to the possibility of creating a hollow closed circular heating circuit. Существует два подхода к терапии опухолей. Первый (радиочастотная аблация – РЧА) основан на нагреве клеток опухоли до температур, при которых клетки гибнут. Второй (эмболизация) сводится к лишению опухоли кровоснабжения. Цель работы. В данном исследовании предлагается объединить оба метода в один и реализовать то- тальную эмболизацию опухоли путем создания вокруг нее замкнутого контура коагулированной ткани, используя существующее оборудование для РЧА. Так как опухоль окружена густой сетью капиллярных сосудов, проходящих через зону абластики, то нагрев части этой зоны до температур коагуляции при- ведет к нарушению подачи крови к опухоли с последующим возможным апоптозом клеток опухоли. Экспериментальная модель. Математическая модель радиочастотного нагрева построена с учетом следующих физических процессов: поглощения энергии переменного электрического тока в ткани, теплопереноса и термического повреждения ткани, возникающего в результате нагревания, аблации. Рассмотрены возможные схемы подключения электродов при азимутальном и поперечном полях для 4, 8 и 12 электродов. При поочередном изменении полярности электродов можно получить электрические поля, направленные по азимуту, причем с увеличением числа электродов радиальная компонента поля стремится к нулю. Поперечные компоненты создаются при одновременном соединении электродов в две группы, расположенные напротив друг друга. Расчеты и их обсуждение. Исследованы процессы формирования цилиндрических и плоских по- верхностей при разных диаметрах введения формообразующих электродов. Приведены результаты расчетов, свидетельствующие о возможности полной изоляции опухолей с диаметрами до 80–90 мм. Заключение. Впервые рассмотрена система тотальной эмболизации, где вместо внутреннего закупо- ривания сосудов эмболами используется внешняя коагуляция всей сосудистой системы, окружающей опухоль. В результате ожидается процесс перехода к клеточном апоптозу и замещению опухолевых клеток здоровыми. Реализация тотальной эмболизации позволит получить 100% излечение пациентов. Расчеты, проведенные с использование пакета программ СOMSOL MULTIPHYSICS, свидетельствуют о возможности эмболизации опухолей диаметром до 80–90 мм. Таким образом, проведенные исследо- вания свидетельствуют о технической возможности реализации полной эмболизации опухолей путем использования стандартного радиочастотного оборудования и специальных многоэлектродных систем. При использовании предложенной конструкции потенциально появляется возможность совершенст- вования существующих методов терапии. Конструкция электродной системы не требует перемещения электродов во время процедуры нагрева. Достижение полной эмболизации позволит избежать распро- странения раковых клеток за счет того, что необходимый для нагрева объем коагуляции по расчетам уменьшается примерно на 60%, увеличения мощности генератора и объема подводимой к ткани энергии, как в случае классического способа аблации, не потребуется. Такие системы помимо онкологии могут быть применены для денервации почечной артерии за счет возможности создания полого замкнутого кругового контура нагрева.