2005 terni, università di medicina. corso di elettrofisiologia, la biofisica dell'ablazione

Corso di “ELETTROFISIOLOGIA”Corso di “ELETTROFISIOLOGIA” BIOFISICA dell’AblazioneBIOFISICA dell’Ablazione

Stefano Nardi, MD

AZIENDA OSPEDALIERA SANTA MARIA TERNIAZIENDA OSPEDALIERA SANTA MARIA TERNIDIPARTIMENTO CARDIOTORACOVASCOLAREDIPARTIMENTO CARDIOTORACOVASCOLARE STRUTTURA COMPLESSA DI CARDIOLOGIA STRUTTURA COMPLESSA DI CARDIOLOGIA

UNITA’ OPERATIVA DI ARITMOLOGIA CARDIACA UNITA’ OPERATIVA DI ARITMOLOGIA CARDIACA LABORATORIO DI ELETTROFISIOLOGIA ED ELETTROSTIMOLAZIONE LABORATORIO DI ELETTROFISIOLOGIA ED ELETTROSTIMOLAZIONE

BACKGROUND

• In ogni disciplina della medicina la DOSE, il TEMPO e la MODALITA’ di somministrazione contribuiscono alla EFFICACIA CLINICA della terapia prescelta

• Tali considerazioni valgono anche in ARITMOLOGIA

BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione


• L’ELETTROMAGNETISMO rappresenta un fenomeno comunemente presente in natura in grado di influenzare diversi FENOMENI BIOLOGICI.

• Tutti i FENOMENI BIOLOGICI presenti in NATURA sono resi possibili per il costante passaggio/trasferimento di ENERGIA tra corpi carichi ELETTRICAMENTE.

BACKGROUND


• Un corpo che presenta una polarità di carica di superficie vene definito ELETTRICAMENTE CARICO.

• Questo corpo se viene a contatto con un altro corpo simile ha la PROPRIETA’ FISICA di influenzare le sue caratteristiche mediante il trasferimento di CARICHE ELETTRICHE (fenomeno CHIMICO).

BACKGROUND


• La capacità di esercitare un trasferimento di cariche elettriche da un corpo ad un altro prende il nome di FENOMENO ELETTRO-MAGNETICO (EM).

• Il continuo passaggio di cariche elettriche da un corpo ad un altro è responsabile della formazione di un CAMPO ELETTRICO nel quale le cariche si dispongono secondo la loro polarità, formando un CAMPO MAGNETICO.

BACKGROUND


• I fenomeni ELETTRO-MAGNETICI sono caratterizzati da un passaggio continuo di CARICHE ELETTRICHE da un polo NEGATIVO ad un polo POSITIVO.

BACKGROUND

• Le cariche elettriche presenti in natura possono essere STATICHE, con formazione di un CAMPO ELETTRICO STATICO nel quale le cariche si dispongono a seconda del GRADO e del TIPO di POLARITA’.


• Se invece vengono dotate di MOVIMENTO (un filo percorso dalla corrente), questo sarà in grado di generare anche un campo MAGNETICO, nel quale si verifica un continuo passaggio di cariche elettriche

CAMPO

ELETTROMAGNETICO)

BACKGROUND


• Il continuo passaggio di cariche elettriche genera un FLUSSO di CORRENTE, nel quale in trasferimento delle cariche non avviene in maniera LINEARE, ma in maniera OSCILLATORIA, ossia mediante una oscillazione continua delle cariche elettriche.

• Un tipico esempio di campo E.M. è rappresentato dalla LUCE, nella quale il campo E.M. viene prodotto dal MOVIMENTO CONTINUO degli elettroni contenuti all’interno degli ATOMI.

BACKGROUND


• Il passaggio di una corrente elettrica all’interno di un tessuto/organismo e quindi la creazione nel tessuto stesso di un campo E.M. è in grado di influenzare le proprietà BIO-ELETTRICHE dei tessuti stessi, attraverso la cessione di ENERGIA (attraverso diversi meccanismi) con l’effetto finale di RISCALDAMENTO.

BACKGROUND


• Il passaggio continuo di elettroni che si viene a creare all’interno di un campo E.M. influenza l’attività di numerosi fenomeni cellulari come la FLUIDITA’ delle membrane cellulari, il TRASPORTO di IONI tra l’interno e l’esterno della cellula ed inoltre la CINETICA e le capacità OSSIDO-RIDUTTIVE di alcune reazioni chimiche.

BACKGROUND


• La capacità da parte di un CAMPO E.M. di influenzare i parametri cellulari, è una funzione che dipende dall’INTENSITA’ del campo E.M. e dalla sua FREQUENZA di OSCILLAZIONE (oscillazioni/sec; Hertz)

• Campi E.M. con differenti caratteristiche saranno totalmente DIFFERENTI

BACKGROUND


• La RADIOFREQUENZA (RF) rappresenta una particolare forma di energia che occupa un determinato spettro del campo elettromagnetico, ossia quella la cui frequenza è compresa tra i 300 Hz ed i 300 GHz.

• In natura esistono sia sorgenti NATURALIi che sorgenti ARTIFICIALI in grado di generare campi di RF di diversa natura e con differenti spettri di frequenza

BACKGROUND


• I campi di RF sono RADIAZIONI NON IONIZZANTI (RNI), ossia NON provocano IONIZZAZIONE.

• PRODUCE CALORE che i normali processi di termoregolazione del corpo sono sufficienti a rimuove

• Tutti gli EFFETTI BIOLOGICI della RF sono chiaramente legati al RISCALDAMENTO.

• Non provoca RADIOATTIVITA’

BACKGROUND


• A differenza di altre forme di energia (raggi X e raggi GAMMA) è un tipo di energia TROPPO DEBOLE per rompere i legami che tengono unite le molecole nelle cellule. • Gli EFFETTI sui sistemi biologici dipendono da FREQUENZA ed INTENSITA’ del campo EM.

• L'assorbimento da parte dei tessuti viene misurato come TASSO di ASSORBIMENTO SPECIFICO (SAR) entro una data massa di tessuto

BACKGROUND la Radiofrequenza


• RF tra 1 MHz e 10 GHz penetra nei tessuti esposti e produce CALORE a seguito dell'assorbimento di energia.

• RF > 10 GHz si ferma a livello EPIDERMICO

• Il riscaldamento rappresenta l’effetto PRINCIPALE dei campi di RF ad ALTA FREQUENZA (>1MHz).

• La profondità di PENETRAZIONE dipende dalla FREQUENZA e presenta con essa un rapporto di CORRELAZIONE INVERSA

BACKGROUND


I campi RF < 1 MHz non producono un riscaldamento significativo.

La densità di corrente è la grandezza dosimetrica fondamentale per campi RF di frequenza < 1 MHz.

Essi inducono piuttosto la formazione di CORRENTI e CAMPI ELETTRICI nei tessuti, misurati in termini di DENSITA’ di CORRENTE (A/m2).

BACKGROUND


Comuni SORGENTI di RF

a). Monitor e Schermi video (3 - 30 kHz)b). Radio AM (30 kHz - 3 MHz)c). Riscaldatori industriali (0,3 - 3 MHz)d). Termoincollatrici RF e marconiterapia (3-30MHz)e). Radio FM (30 - 300 MHz)f). Telefonia mobile, emittenza televisiva, forni a

microonde, radarterapia (0,3 - 3 GHz)g). Radar, collegamenti satellitari (3 - 30 GHz) h). Il sole (3 - 300 GHz).

BACKGROUND


• RF compresa tra 0,3 e 30 MHz presenta una λ compresa tra 1000 e 10m e viene utilizzata in medicina per procedure di ablazione, coagulazione e cauterizzazione dei tessuti. • L’applicazione di una ΔV provoca il passaggio di cariche elettriche (CORRENTE) tra un piccolo elettrodo posizionato all’interno del corpo umano (Catetere Ablatore) ed uno largo posizionato sulla superficie.

BACKGROUND

• Durante erogazione di RF energia elettrica viene generata da un GENERATORE e rilasciata sulla superficie toracica del pz. Mediante un apposito sistema di connessione


- in TEMPI BREVI (ms) - con una DINAMICA TEMPORALE definita dalla forma d’onda che i livelli d’energia impiegata disegnano nel tempo

BACKGROUND


• Durante erogazione di CORRENTE determina

- la quantità di energia (dose) ricevuta dal pz.- il tempo di somministrazione della terapia

• Definisce la modalità di somministrazione dell’ ENERGIA durante le procedure di ABLAZIONE

BACKGROUND

FORMA D’ONDA

Parametri della FORMA D’ONDA


BACKGROUND

• ENERGIA• CORRENTE• TEMPO• POLARITA’• FASE

• Energia: quantità di energia totale rilasciata dal GENERATORE di RADIOFREQUENZA durante le procedure di ABLAZIONE (J)

• Corrente: flusso di energia elettrica rilasciata dal generatore nell’unità di tempo (A)


BACKGROUND


• Tempo: intervallo di TEMPO (ΔT) nel quale viene EROGATA RF

• Polarità: direzione del flusso di corrente (UNIPOLARE)


BACKGROUND


• MONOFASICA- sinusale smorzata (damped sine) - troncata

• BIFASICA- sinusale smorzata (damped sine) - troncata


BACKGROUND


Catheter Ablation for Catheter Ablation for Cardiac ArrhythmiasCardiac Arrhythmias

• Via Transvenosa • No anestesia generale • Energia elettromagnetica (EM) erogata attraverso un catetere • Necrosi TERMOCOAGULATIVA dei tessuti senza pericolo di perforazione • Numerose applicazioni di energia possibili

ABLAZIONE mediante RADIOFREQUENZA


Biofisica dell’Ablazione •Corrente alternata UNIPOLARE* 300–750 kHz (onda sinusoidale continua non modulata)

•T° del tessuto a contatto elettrodico 45–100 C°

•Diametro della lesione 5-6 mm

• Profondita’ di lesione 2–3 mm

Morady F. N.ENGL.J Med.1999:340 -534 -544;4.

*ELETTRODO INDIFFERENTE RAPPRESENTATO DAUNA PLACCA, CONNESSA AL DORSO DEL PAZIENTE


INTRODUZIONE• L’ablazione transcatetere

utilizza la RADIOFREQUENZA quale fonte di ENERGIA per RISCALDARE il tessuto miocardico e DISTRUGGERE il SUBSTRATO ARITMICO.

EP TRAINING EP TRAINING Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

• E’ oramai chiaramente dimostrata la sua efficacia nel CURARE le ARITMIE SOPRAVENTRICOLARI, con una percentuale di successo vicina al 95%.

INTRODUZIONE

Gli sviluppi più interessanti al giorno d’oggi sono rappresentati dalla possibilità di allargare le possibilità di trattamento a:


- FIBRILLAZIONE ATRIALE

- TACHICARDIA VENTRICOLARE

Il MIOCARDIO localizzato a contatto con la REGIONE A è riscaldato per EFFETTO JOULE e raffreddato per il fenomeno della CONDUZIONE del CALORE


M y o c a r d i u m

C a t h e t e re l e c t r o d e

B l o o dAB

D i s p e r s i v e e l e c t r o d e

B l o o d o r o t h e r o r g a n sT h e r m i s t o r

Modello di ABLAZIONE

Il MIOCARDIO localizzato nella REGIONE B è principalmente RISCALDATO per CONDUZIONE del CALORE dal margine della REGIONE A

M y o c a r d i u m


B l o o dAB

D i s p e r s i v e e l e c t r o d e

B l o o d o r o t h e r o r g a n sT h e r m i s t o r

CTR di ENERGIA (W) erogazione costante di ENERGIA


CTR di TEMPERATURA (°C) TERMISTORE in grado di assicurare un CONTROLLO COSTANTE della quantità di energia erogata, in modo tale da mantenere la punta del catetere ad una temperatura “TARGET”


• La maggior parte del danno termico è dovuto al fenomeno di RISCALDAMENTO dei tessuti che si verifica per CONDUZIONE a partenza dalla regione a diretto contatto con l’elettrocatetere

• La TEMPERATURA è maggiore all’interno rispetto alla superficie.



• La LESIONE è più piccola in superficie rispetto che all’interno

Fattori DETERMINANTI (dimensioni della lesione)• Proprietà BIOFISICHE dei TESSUTI e

caratteristiche EMOREOLOGICHE


• QUANTITA’ di ENERGIA EROGATA durante ATRF

• DURATA dell’ABLAZIONE. • TEMPERATURA TARGET utilizzata

• FLUSSO EMATICO attorno al catetere. • Condizioni di CONTATTO del catetere, come (profondità di penetrazione

ed angolo di contatto)

Durante le procedure di ABLAZIONE, noi misuriamo sia la temperatura sulla punta del catetere (TERMISTORE) che la temperatura all’interno del miocardio (TERMOCOPPIA).


Sistema di CTR della TEMPERATURA

Assicura un trasferimento COSTANTE di CORRENTE dal generatore di RF al tessuto miocardico

A b l a t i o n u n i tE P T - 1 0 0 0 X P

T h e r m i s t o r a tc a t h e t e r t i p

D I 2 2 0A D C c o n v e r t e r

1 k Ω 1 k Ω

0 . 1 µ F 0 . 1 µ F


Misura la differenza di VOLTAGGIO attraverso la punta del catetere La presenza di un SISTEMA di FILTRAGGIO IDONEO elimina le BASSE FREQUENZE (fc = 95 Hz) e permette quindi di minimizzare le interferenze della RF.

TERMISTORE

Effetti del FLUSSO sulla formazione della LESIONE • Langberg et al.: Presenza di elettrodi di

differenti dimensioni (4, 8, 12 mm) per creare diverse lesioni

• Nakagawa et al.: Catetere irrigato, ossia con soluzione salina che fuoriesce dalla punta del catetere, in mdo tale da creare una lesione più uniforme e precisa (differenza di temperatura)

• Peterson et al. Studio degli effetti di lesioni dal diverso diametro a seconda del flusso.


RAZIONALEEffetti RF (controllo di temperatura) • Per ottenere un effetto di raffreddamento è

richiesta una maggiore quantità di energia a livello della punta del catetere

• La densità della corrente e la formazione di calore mediante effetto Joule all’interno del tesusto miocardico aumenta. Current density and Joule heat generation inside the myocardium increase. More tissue exceeds 50 °C threshold.

• The directly heated rim rises to a higher temperature and becomes larger

• La temperatura del Miocardio aumenta velocemente. Myocardial temperature rises faster. More time to conduct heat further.


Dimensioni della LESIONE

BORDO: dalla porzione SCURA a quella ROSA


• Più alta sarà la temperatura TARGET maggiore sarà l’energia RICHIESTA

• Il raggiungimento di una temperatura ALTA provocherà una lesione di dimensioni maggiori (sia in profondità che in larghezza)

• Per ottenere un flusso più alto è richiesta una maggiore energia.

• Una frequenza di flusso maggiore aumenta la larghezza della lesione (sia in profondità che nel diametro)


M y o c a r d i u m


B l o o dT h e r m i s t o r

E l e c t r i cc u r r e n t


Quale è lo scopo dell’ablazione?


TERAPEUTICOTERAPEUTICO eliminazione dell’aritmia miglioramento della QOL del paziente

Come?MODIFICAMODIFICA del tessuto responsabile dell’aritmia

ELIMINAZIONEELIMINAZIONE tessuto/i responsabile dell’aritmia Interruzione di un CIRCUITO ELETTRICOCIRCUITO ELETTRICO Creazione di una lesione Necrosi localizzata

L’interfacciaL’interfacciaIl sistema biologico:Il sistema biologico:

- il paziente - il miocardio (struttura e meccanismi)


Il sistema biologico• rispetto per ilrispetto per il MIOCARDIO MIOCARDIO

– lesioni circoscritte– lesioni omogenee– rischio aritmogeno


• rispetto per il PAZIENTEPAZIENTE– complicanze (tamponamenti, disfunzioni ventr.)– invasività– % di successo

La radiofrequenza (RF)• Particolare forma di CORRENTE ELETTRICA

(corrente alternata ad elevata frequenza)


Quale forma di energia?

- NON MODULATA in AMPIEZZA• coagulazione dei tessuti biologici

- ELEVATA FREQUENZA• preserva l’attività elettrica del cuore (DEPOLAR.)• effetto termico di tipo RESISTIVO

IL CIRCUITO la corrente ha bisogno di un “mezzo”

per potersi propagare

costituisconoun SISTEMA


CIRCUITO elettrico:– catetere per ablazione– elettrodo dispersivo– paziente

Come si propaga l’energia?

La Radiofrequenza (RF), La Radiofrequenza (RF), MECCANISMI di MECCANISMI di AZIONEAZIONE

Sono 3 i principali meccanismi d’azione


– Effetto ELETTROLITICO– Effetto FARAD– conversione dell’energia in CALORE (E. potenziale

in E. termica)

• La RF causa un SURRISCALDAMENTO dei tessuti biologici– Creazione di un CAMPO ELETTRICO che aumenta il

movimento degli IONI

– Produzione di CALORE per FRIZIONE


La Radiofrequenza (RF), Energia e Calore

La Radiofrequenza (RF) Ablazione / Lesione

CALORE CONVETTIVO perso nel flusso ematico

CALORE RESISTIVO delsangue e dei tessuti

CALORE CONDUTTIVOscambiato con i tessuti

CALORE CONVETTIVOperso verso vasiepicardici


Effetti della RF sull’ ENDOCARDIO

• I tessuti vengono riscaldati per EFFETTO RESISTIVO

– solo una piccola zona nell’intorno della punta viene scaldata direttamente



• Il riscaldamento del tessuto circostante avviene per EFFETTO CONDUTTIVO

• La punta del catetere viene riscaldata per CONDUZIONE

• I tessuti hanno una loro caratteristica IMPEDENZA (Ω)



• Il CALORE prodotto sarà quindi funzione– RESISTENZA (Ω) dei tessuti

– INTENSITA’ della corrente

– DURATA della corrente

La Radiofrequenza (RF), Effetto termico sui tessuti• 37°-50°

– riscaldamento del tessuto (danni reversibili)• 50°-65°

– alterazione del tessuto (danni irreversibili)


La Radiofrequenza (RF), Fattori determinanti la LESIONE- FORMA D’ONDA, FREQUENZA della RF– DENSITA’ della corrente– TEMPERATURA di contatto– IMPEDENZA– PRESSIONE di contatto– GEOMETRIA dell’elettrodo– PROPRIETA’ del tessuto (trasferimento di calore)


IMPEDENZA del sistema

• Impedenza tipica del SISTEMA: 70-150Ohms– paziente– catetere d’ablazione– elettrodo indifferente

• Il GENERATORE influisce per più del 50% su questo valore


La Radiofrequenza (RF), Ablazione / Lesione

ring

tip


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