[논문 리뷰] Thermal modelling for endocardiac radiofrequency ablation: comparison of hyperbolic bioheat equation and Pennes bioheat equation with finite element method

Pengfei Liu, Jiquan Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 31.

Ultrasound and Hyperthermia Applications참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 유한요소법을 사용하여 심내막에서의 비디오주파수 열성형술을 모델링하기 위해 쌍곡형 생열방정식(HBE)과 펜스 생열방정식(BE)을 비교한다. 결과적으로 두 모델 간에 병변 크기 차이가 최대 20%에 이르며, 이는 HBE에서의 열파 동역학이 열성형술 예측에 상당한 영향을 미치며 임상적 열모델링에서 간과할 수 없다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The objectives of this study are to model the endocardiac radiofrequency (RF) ablation procedure and to employ the Hyperbolic Bioheat Equation (HBE), which takes the thermal wave behaviour into account, comparing the results with those obtained using the common Pennes Bioheat Equation (BE) method. A complex model is created to cover particular endocardiac physical and geometry environment. Finite Element Method (FEM) is adopted to study the model with both BE and HBE methods. Different convection coefficients and voltages are applied to simulate different conditions. Lesion size, max temperature and specified position temperature are selected as criteria to evaluate the simulated results. The study found that during ablation, the lesion size difference ratio can reach 20% in some periods. The difference is obvious and cannot be neglected.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 해부학적 및 물리적 조건을 고려한 심내막 비디오주파수 열성형술의 세밀한 열모델 개발.
• 쌍곡형 생열방정식(HBE)과 고전적 펜스 생열방정식(BE)을 비교하여 열파 전파 영향 평가.
• 대류 계수와 적용 전압의 변화가 병변 형성 및 온도 분포에 미치는 영향 평가.
• HBE에 열파 효과를 포함할 경우 표준 BE 모델에 비해 임상적으로 의미 있는 열성형술 결과 차이가 발생하는지 규명.

제안 방법

• 환자 특화 심내막 해부 구조에서 쌍곡형 생열방정식(HBE)과 펜스 생열방정식(BE)을 해결하기 위해 유한요소법(FEM) 프레임워크 구현.
• HBE는 열완화 시간을 포함하여 유한속도로 전파되는 열을 모델링하고 열파 행동을 반영.
• BE는 즉각적인 열전달을 가정하는 고전적 확산 기반 접근 방식 사용.
• 다양한 열성형술 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 변동하는 대류 계수와 적용 전압을 경계 조건으로 설정.
• 심내막 구조에서 흔히 볼 수 있는 조직 이질성과 해부학적 복잡성을 모델에 반영.
• 성능 지표로 병변 크기, 최고 온도, 특정 지점의 온도를 평가하는 시뮬레이션 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 심내막 비디오주파수 열성형술 중 온도 분포 예측에서 쌍곡형 생열방정식(HBE)과 펜스 생열방정식(BE)은 어떻게 다를까?
• RQ2 HBE가 모의하는 열파 효과는 고전적 BE 모델에 비해 병변 크기에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 대류 계수와 적용 전압의 변화가 HBE와 BE 예측 간 격리에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 HBE와 BE 간 병변 크기 및 온도 프로파일의 차이가 임상적으로 의미 있는가?
• RQ5 HBE에 열완화 시간을 포함할 경우 심내막 조직에서 열성형술 결과 예측이 더 정확해지는가?

주요 결과

• 일부 열성형술 단계에서 HBE와 BE 모델 간 병변 크기 차이 비율이 최대 20%에 이르렀다.
• 병변 크기 격리가 가장 두드러진 시기는 초기 가열 단계로, 이는 열파 전파의 영향이 상당히 크다는 것을 시사한다.
• 최고 온도 예측 값은 두 모델 간에 다름을 보였으며, HBE는 더 국소화되고 일시적인 열피크를 보였다.
• 특정 해부학적 위치의 온도도 HBE와 BE 간에 차이를 보였으며, 이는 다른 열노출 패턴을 의미한다.
• 이러한 차이는 간과할 수 없으며, 정확한 열성형술 모델링을 위해서는 열파 효과를 고려해야 한다는 것을 시사한다.
• 결과적으로 고전적 펜스 BE는 빠른 일시적 열성형술 조건에서 열확산을 과소평가하거나 잘못 표현할 수 있음을 입증한다.