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Spacer-supported thermal ablation to prevent carbonisation and improve ablation size: a proof of concept study.

  • Introduction The concept of thermal ablation has proven a minimally invasive alternative or accompaniment to conventional tumour therapy. Patients with hepatic primary tumours or metastases are able to profit from it. Several modalities of thermal ablation exist, including radiofrequency ablation, microwave ablation and laser ablation. They differ in regards to their indications and their physical backgrounds, yet they all share the same aim: the hyperthermic ablation of tumorous target tissue. At this point in time the maximum ablation diameter attained in a singular session using a singular applicator is about 30 mm. The maximum attainable volume is about 23 cm3. However, the mean and median of hepatic lesions exceed that number with about 50 mm. Most hepatic tumours therefore cannot be easily ablated in toto. One of the main limitations of thermal ablation is the periprocedural transformation of vital tissue into a boundary layer. This boundary layer prevents efficient energy transmission into peripheral tissue and thus limits the potential of thermal ablation. The boundary layer is usually located centrally around the ablation applicator. In laser ablation the formation of this boundary layer is called carbonisation. A technically simple, yet potentially effective approach to delay or prevent the formation of this boundary layer is the usage of a spacer. This perfused spacer cools the central zone surrounding the applicator. Therefore central temperatures remain beyond the point of carbonisation. Methods The development of two spacer prototypes took place in cooperation with the AG “Experimentelle Radiologie” of the University Clinic Charité. The first fully closed prototype featured an internal circulation of cooling fluid without tissue perfusion. The second open prototype perfused into tissue through an opened tip. The conduct of this study included ex vivo experiments on bovine livers (n = 15) by means of laser ablation. Ablation diameter and ablation volume were recorded through MR-guided volumetry and manual displacement volumetry. The mean values of diameter and volume that were recorded when the stand-alone applicator system was used were then compared to the mean values recorded when using the closed spacer-supported applicator system and the open spacer-supported applicator system. The difference in values between the three applicator types were then examined for statistical significance using SPSS. To exclude covariates a preliminary experiment was conducted which aimed to maximise power input of the laser and time interval while minimising the chance of carbonisation. For that, one of the variables was increased in intervals and the ablation diameter of all three applicator types was measured until carbonisation occurred. Results In the preliminary experiment it was found that following the increase of the pre-set power input of the laser a proportional increase of ablation diameter followed. However when increasing power input above 25 Watt almost instantaneous carbonisation of the central tissue occurred. This was the same for all three applicator types. When increasing the time interval > 10 minutes the stand-alone applicator system showed central carbonisation, which was not the case when using the closed spacer-supported applicator system or the open spacer-supported applicator system. The two spacer prototypes only experienced carbonisation when a time interval of > 25 minutes was set. Thus the comparison of all three applicator types was conducted at 25 Watt and 10 minutes, whereas the comparison between the closed spacer-supported applicator system and the open spacer-supported applicator system was conducted at 25 Watt and 25 minutes. During the first experiment the stand-alone applicator system achieved mean values of 37.50 mm ablation diameter and 23.61 cm3 ablation volume. This was a statistically significant (p < 0.001) increase to the values either spacer was able to attain: the closed spacer-supported applicator system recorded a mean value of 28.67 mm ablation diameter and 18.12 cm3 ablation volume, whereas the open spacer-supported applicator system recorded a mean value of 31.00 mm ablation diameter and 18.49 cm3 ablation volume. However, setting a longer time interval was not possible when the stand-alone applicator system was used for ablation. Due to this, a second experiment comparing mean ablation diameter and volume between the two spacer prototypes followed. During the second experiment with a time interval of 25 minutes the closed spacer-supported applicator system attained a mean value of 52.07 mm ablation diameter and 75.25 cm3 ablation volume. These values showed a statistically significant (p < 0.001) difference in comparison to the open spacer-supported applicator system with mean values of 47.60 mm ablation diameter und 72.20 cm3 ablation volume. Discussion Within the framework of this study it was proven that the presence of a spacer between laser applicator and hepatic tissue was able to achieve a significant increase in ablation diameter and ablation volume. By using a closed spacer an increase in volume by a 3.19 factor of change was possible. The open spacer obtained an increase in volume by a 3.06 factor of change. The concept of using a spacer in thermal ablation as a proof of concept study is therefore valid and suitable for further pre-clinical studies.
  • Hintergrund Das Konzept der thermalen Ablation stellt eine minimalinvasive Alternative oder Ergänzung im Rahmen der Tumortherapie dar. Von dieser Methodik profitieren besonders PatientInnen mit hepatischen Primärtumoren und Metastasen. Verschiedene Modalitäten der thermalen Ablation existieren, darunter die Radiofrequenzablation, die Mikrowellenablation und die Laserablation. Sie unterscheiden sich anhand ihrer Indikationen und physikalischen Hintergründe, jedoch teilen sie alle das gleiche Ziel: die hyperthermische Ablation eines tumorösen Zielgewebes. Zum Zeitpunkt dieser Niederschrift beträgt der maximale Ablationsdurchmesser der in einer Sitzung durch einen Applikator erreicht werden kann ca. 30 mm. Das maximal erreichbare Volumen beträgt ca. 23 cm3. Der Mittelwert und Median hepatischer Raumforderungen geht jedoch mit ca. 50 mm weit darüber hinaus. Die meisten hepatischen Tumoren können also nicht vollständig abladiert werden. Eine der hauptsächlichen Limitationen der thermalen Ablation stellt die periprozedurale Transformation vitalen Gewebes in eine Grenzzone dar. Diese Grenzzone verhindert die effiziente Energieübertragung in das periphere Gewebe und somit die thermische Ablation. Sie befindet sich in der Regel direkt zentral um den Ablations-Applikator. In der Laserablation wird die Ausbildung dieser Grenzzone als Karbonisation bezeichnet. Ein technisch simpler, jedoch potentiell effektiver Ansatz die Ausbildung dieser Grenzschicht zu verhindern, ist der Einsatz eines Abstandshalters. Dieser mit isotoner Flüssigkeit perfundierte Abstandshalter kühlt die zentrale Zone um den Applikator. Infolgedessen verbleibt die zentrale Temperatur unter dem Karbonisationspunkt. Methodik Die Entwicklung zweier Abstandshalter erfolgte in Kooperation mit der AG Experimentelle Radiologie des Universitätsklinikum Charité. Der erste geschlossene Prototyp wies eine völlig interne Flüssigkeitszirkulation ohne Gewebsperfusion auf. Der zweite offene Prototyp perfundierte mittels einer offenen Spitze ins Gewebe. Die Durchführung dieser Studie beinhaltete ein ex vivo Experiment an boviner Leber (n = 15) mittels Laserablation. Ablationsdurchmesser und Ablationsvolumen wurden mittels MR-gestützter Volumetrie und manueller Volumetrie erfasst. Die Mittelwerte mittels Standardapplikators erzeugt Durchmessers und Volumens wurden mit den von dem geschlossenem Abstandshalter und dem offenen Abstandshalter erzeugten Werten verglichen. Die Unterschiede zwischen den drei Applikator-Typen wurden mit SPSS auf statistische Signifikanz überprüft. Um den Ausschluss von Kovariaten zu ermöglichen wurde ebenfalls ein vorausgehendes Experiment zur Maximierung der Laserleistung und der Zeitspanne durchgeführt. Dabei wurde eine der beiden Variablen in Intervallen erhöht und der mittels aller drei Applikator-Typen erzeugte Ablationsdurchmesser gemessen bis Karbonisation auftrat. Ergebnisse Es zeigte sich im vorausgehenden Versuch, dass mit der Erhöhung der voreinstellbaren Laserleistung eine proportionale Vergrößerung des Ablationsdurchmessers eintrat. Jedoch hatte die Einstellung der Leistung auf > 25 Watt eine sofortige Karbonisation des zentral gelegenen Gewebes zur Folge. Dies galt gleichermaßen für alle drei Applikator-Typen. Bei der Erhöhung des Zeitintervalls auf > 10 Minuten zeigte sich bei der Nutzung des Standardapplikators Karbonisation. Dies war nicht der Fall beim Einsatz des geschlossenen Abstandshalters sowie des offenen Abstandshalters, die erst bei einem Zeitintervall von > 25 Minuten Karbonisation aufwiesen. Insofern erfolgte der Vergleich aller drei Applikator-Typen bei 25 Watt und 10 Minuten und der Vergleich zwischen geschlossenem und offenen Abstandshalter bei 25 Watt und 25 Minuten. Im ersten Versuch zeigte sich der Standardapplikator mit Mittelwerten von 37.60 mm Ablationsdurchmesser und 23.61 cm3 Ablationsvolumen beiden Abstandshaltern statistisch signifikant (p < 0.001) überlegen: der geschlossene Abstandshalter erreichte einen Mittelwert von 28.67 mm Durchmesser und 18.12 cm3 Volumen, während der offene Abstandshalter einen Mittelwert von 31.00 mm Durchmesser und 18.49 cm3 Volumen erreichte. Jedoch war es nicht möglich, das Zeitintervall beim Einsatz des Standardapplikators zu verlängern. Aus diesem Grunde wurde ein zweites Experiment zwischen den beiden Abstandshalters angeschlossen. Im zweiten Versuch mit 25 Minuten Zeitintervall wies der geschlossene Abstandshalter Mittelwerte von 52.07 mm Ablationsdurchmesser und 75.25 cm3 Ablationsvolumen auf. Dies war eine statistisch signifikante (p < 0.001) positive Differenz im Vergleich zum offenen Abstandshalter mit Mittelwerten von 47.60 mm Ablationsdurchmesser und 72.20 cm3 Ablationsvolumen. Diskussion Im Rahmen dieser Studie wurde bewiesen, dass die Präsenz eines Abstandshalters in thermaler Ablation eine signifikante Vergrößerung von Ablationsdurchmesser und Ablationsvolumen ermöglicht. Dabei war mittels des geschlossenen Abstandshalters eine Volumenvergrößerung um einen Faktor von 3.19 möglich. Der offene Abstandshalter erzielte eine Volumenvergrößerung um den Faktor von 3.06. Das Konzept des Abstandshalters als proof of concept study zeigt sich somit valide und tauglich für weitere prä-klinische Studien.

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Metadaten
Author: Fiona MankertzORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-87424
Title Additional (German):Abstandshalter-gestützte Thermalablation zur Karbonisationsprävention und Ablationsvergrößerung: Ein Machbarkeitsnachweis.
Referee:Prof. Dr. med. Holger N. LodeORCiD, Prof. Dr. med. Norbert Hosten, Prof. Dr. med. Sönke Langner
Advisor:Prof. Dr. med. Norbert Hosten
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of first Publication:2023/07/21
Granting Institution:Universität Greifswald, Universitätsmedizin
Date of final exam:2023/07/10
Release Date:2023/07/21
Tag:hcc; laser ablation; liver ablation; minimally invasive therapy; radiology
GND Keyword:Laser, Radiologie, Tumor
Page Number:80
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Diagnostische Radiologie und Neuroradiologie
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit