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

1. Corso di “ELETTROFISIOLOGIA”Corso di “ELETTROFISIOLOGIA”
BIOFISICA dell’AblazioneBIOFISICA dell’Ablazione
Stefano Nardi, MD
AZIENDA OSPEDALIERA SANTA MARIA TERNIAZIENDA OSPEDALIERA SANTA MARIA TERNI
DIPARTIMENTO CARDIOTORACOVASCOLAREDIPARTIMENTO CARDIOTORACOVASCOLARE
STRUTTURA COMPLESSA DI CARDIOLOGIASTRUTTURA COMPLESSA DI CARDIOLOGIA
UNITA’ OPERATIVA DI ARITMOLOGIA CARDIACAUNITA’ OPERATIVA DI ARITMOLOGIA CARDIACA
LABORATORIO DI ELETTROFISIOLOGIA ED ELETTROSTIMOLAZIONELABORATORIO DI ELETTROFISIOLOGIA ED ELETTROSTIMOLAZIONE

2. 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

3. 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

4. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

5. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

6. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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’.

7. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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
BACKGROUND

8. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

9. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

10. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

11. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

12. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

13. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

14. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

15. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

16. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
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

17. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
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

18. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

19. • Durante erogazione di RF energia elettrica
viene generata da un GENERATORE e rilasciata
sulla superficie toracica del pz. Mediante un
apposito sistema di connessione
BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
- in TEMPI BREVI (ms) -
con una DINAMICA TEMPORALE definita
dalla forma d’onda che i livelli d’energia impiegata
disegnano nel tempo
BACKGROUND

20. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
• 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

21. Parametri della FORMA D’ONDA
BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
BACKGROUND
• ENERGIA
• CORRENTE
• TEMPO
• POLARITA’
• FASE

22. • 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)
BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
BACKGROUND
Parametri della FORMA D’ONDA

23. • Tempo: intervallo di TEMPO (ΔT) nel quale
viene EROGATA RF
• Polarità: direzione del flusso di corrente
(UNIPOLARE)
BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
BACKGROUND
Parametri della FORMA D’ONDA

24. • MONOFASICA
- sinusale smorzata (damped sine)
- troncata
• BIFASICA
- sinusale smorzata (damped sine)
- troncata
BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione
BACKGROUND
Parametri della FORMA D’ONDA

25. Catheter Ablation forCatheter Ablation for
Cardiac ArrhythmiasCardiac Arrhythmias

26. • 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’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione

27. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione

28. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione

29. BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione

30. 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 DA
UNA PLACCA, CONNESSA AL DORSO DEL PAZIENTE
BIOFISICA dell’ablazioneBIOFISICA dell’ablazione

31. INTRODUZIONE
• L’ablazione transcatetere
utilizza la RADIOFREQUENZA
quale fonte di ENERGIA per
RISCALDARE il tessuto
miocardico e DISTRUGGERE il
SUBSTRATO ARITMICO.
EP TRAININGEP 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%.

32. INTRODUZIONE
Gli sviluppi più interessanti al
giorno d’oggi sono
rappresentati dalla possibilità
di allargare le possibilità di
trattamento a:
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
- FIBRILLAZIONE
ATRIALE
- TACHICARDIA
VENTRICOLARE

33. Il MIOCARDIO localizzato a
contatto con la REGIONE A è
riscaldato per EFFETTO JOULE e
raffreddato per il fenomeno della
CONDUZIONE del CALORE
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
M y o c a r d iu m
C a th e te r
e le c tr o d e
B lo o d
AB
D is p e r s iv e e le c tr o d e
B lo o d o r o th e r o r g a n s
T h e r m is to r
Modello di ABLAZIONE
Il MIOCARDIO localizzato nella
REGIONE B è principalmente
RISCALDATO per CONDUZIONE
del CALORE dal margine della
REGIONE A

34. M y o c a r d iu m
C a th e te r
e le c tr o d e
B lo o d
AB
D is p e r s iv e e le c tr o d e
B lo o d o r o th e r o r g a n s
T h e r m is to r
CTR di ENERGIA (W)
erogazione costante di
ENERGIA
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
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”
Modello di ABLAZIONE

35. • 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.
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
Modello di ABLAZIONE
• La LESIONE è più piccola in superficie
rispetto che all’interno

36. Fattori DETERMINANTI
(dimensioni della lesione)
• Proprietà BIOFISICHE dei TESSUTI e
caratteristiche EMOREOLOGICHE
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
• 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)

37. Durante le procedure di ABLAZIONE, noi misuriamo sia la
temperatura sulla punta del catetere (TERMISTORE) che la
temperatura all’interno del miocardio (TERMOCOPPIA).
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
Sistema di CTR della TEMPERATURA

38. Assicura un trasferimento COSTANTE di CORRENTE dal generatore
RF al tessuto miocardico
A b la tio n u n it
E P T - 1 0 0 0 X P
T h e r m is to r a t
c a th e te r t ip
D I 2 2 0
A 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
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
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
TERMISTORE

39. 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.
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

40. RAZIONALE
Effetti 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
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

41. Dimensioni della LESIONE
BORDO: dalla porzione SCURA a quella ROSA
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

42. • 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)
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

43. M y o c a r d iu m
C a th e te r
e le c tr o d e
B lo o d
T h e r m is to r
E le c tr ic
c u r r e n t
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

44. EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

45. Quale è lo scopo dell’ablazione?
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Biofisica dell’ablazioneBiofisica 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

46. L’interfacciaL’interfaccia
Il sistema biologico:Il sistema biologico:
- il paziente
- il miocardio (struttura
e meccanismi)
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Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

47. Il sistema biologico
• rispetto per ilrispetto per il MIOCARDIOMIOCARDIO
– lesioni circoscritte
– lesioni omogenee
– rischio aritmogeno
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Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
• rispetto per il PAZIENTEPAZIENTE
– complicanze (tamponamenti, disfunzioni ventr.)
– invasività
– % di successo

48. La radiofrequenza (RF)
• Particolare forma di CORRENTE ELETTRICA
(corrente alternata ad elevata frequenza)
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Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
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

49. IL CIRCUITO
la corrente ha bisogno di un “mezzo”
per potersi propagare
costituiscono
un SISTEMA
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Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
CIRCUITO elettrico:
– catetere per ablazione
– elettrodo dispersivo
– paziente
Come si propaga l’energia?

50. La Radiofrequenza (RF),La Radiofrequenza (RF),
MECCANISMI diMECCANISMI di
AZIONEAZIONE
Sono 3 i principali meccanismi d’azione
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Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
– Effetto ELETTROLITICO
– Effetto FARAD
– conversione dell’energia in CALORE (E. potenziale
in E. termica)

51. • La RF causa un SURRISCALDAMENTO
dei tessuti biologici
– Creazione di un CAMPO ELETTRICO che aumenta il
movimento degli IONI
– Produzione di CALORE per FRIZIONE
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
La Radiofrequenza (RF),
Energia e Calore

52. La Radiofrequenza (RF)
Ablazione / Lesione
CALORE CONVETTIVO
perso nel flusso ematico
CALORE RESISTIVO del
sangue e dei tessuti
CALORE CONDUTTIVO
scambiato con i tessuti
CALORE CONVETTIVO
perso verso vasi
epicardici
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
Effetti della RF sull’ ENDOCARDIO

53. • I tessuti vengono riscaldati per EFFETTO
RESISTIVO
– solo una piccola zona nell’intorno della punta viene scaldata
direttamente
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Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
La Radiofrequenza (RF),
Energia e Calore
• Il riscaldamento del tessuto circostante
avviene per EFFETTO CONDUTTIVO
• La punta del catetere viene riscaldata per
CONDUZIONE

54. • I tessuti hanno una loro caratteristica
IMPEDENZA (Ω)
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
La Radiofrequenza (RF),
Energia e Calore
• Il CALORE prodotto sarà quindi funzione
– RESISTENZA (Ω) dei tessuti
– INTENSITA’ della corrente
– DURATA della corrente

55. La Radiofrequenza (RF),
Effetto termico sui tessuti
• 37°-50°
– riscaldamento del tessuto (danni reversibili)
• 50°-65°
– alterazione del tessuto (danni irreversibili)
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

56. 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)
EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

57. 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
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Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione
La Radiofrequenza (RF),
Ablazione / Lesione

58. ring
tip
EP TRAININGEP TRAINING
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59. EP TRAININGEP TRAINING
Biofisica dell’ablazioneBiofisica dell’ablazione

60. EP TRAININGEP TRAINING
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