Imitation of radiofrequency ablation with fiber delivered laser system for magnetic resonance guided treatment of atrial fibrillation

Abstract

Atriyal fibrilasyon (AF) mortalite ve morbidite riski yüksek olan ve en sık görülen kardiyak aritmiler arasında yer almaktadır. Tedavi olarak, atrial duvar boyunca doğrusal ve derinlemesine kesikler ve dikişlerle istenmeyen doku içi elektriksel akımları engelleyen ve yaygın olarak kabul gören cerrahi ?Cox Maze? prosedürünü taklit eden ve görüntüleme eşliğinde gerçekleştirilen birçok minimal girişimsel kateter yaklaşımı mevcuttur. Kalp odacıklarında yapılan RF operasyonları yaygın olarak kullanılmaktadır ve güvenli olarak addedilmektedir. Operasyon yaygın olarak yumuşak doku zıtlığından yoksun X- Işınları altında yapılmaktadır. Ayrıca, EKG (elektrokardiyografi) verileri ile bu yetersiz görüntülerin yorumlanması ve uygulanması teknik olarak zor ve zaman alıcıdır. Dolayısıyla, operasyon sırasında uzun süre radyasyona maruz kalan hasta üzerinde radyasyona bağlı yanıklar görülmektedir.RF ablasyonu sırasında uygun eşleme ve ayar devreleri kullanılarak MR görüntüleri alınabilmektedir, ancak operasyon süresince, belli oryantasyonlar için RF ve EKG kateter ve doku görüntülerinde bozulmalar görülmektedir. Öte yandan, fiber aracılığı ile lazer enerjisinin taşınmasının, bilinen hiçbir MR uyumluluk sorunu gözlenmemiştir ve bu yöntem MR yardımı ile kullanılabilir. Fakat bu yöntemde miyokard duvarını delme riski olduğundan, yöntem AF tedavisinde kullanılmaz. Fiber ucundaki çok yoğun ışık şiddetinden ötürü, normal bir fiberin dokunduğu yerde ani sıcaklık değişimleri olmaktadır ki bu da kömürleşme adı verilen ve özellikle kardiyak ablasyonlarda istenmeyen bir etki yaratmaktadır. Bu etki, yoğun ışığın saçılmasıyla (daha geniş alana yayılması ile) elenebilir. Silindirik simetride ışık yaymak için birkaç fiber kateter ucu tasarımı vardır, ancak, ablasyon sırasında kalp odasına göre konumları nedeniyle, var olan RF dağıtım yöntemlerini doğrudan uygulamak mümkün olmamaktadır.Bu tez çalışmasında, MRG yardımlı kateter yöntemi ile fiber ışığını çoklu fiberlerle kalbe taşıyacak ve RF ablasyon yaralarını aynen taklit edecek olan yeni bir lazer sisteminin ön çalışmaları yapılmıştır. Sistem, RF yanıklarını taklit ettiği için ve radyolojide RF kateterleri sıkça kullanıldığı için, operatör doktorun bu yeni MR uyumlu sisteme kolayca alışması beklenmektedir. Üçlü lazer fiber sistemi, ex-vivo ve in vitro denekler üzerinde yanıklar oluşturmak için kullanılmıştır. Ablasyon sırasında, oluşan lezyonun zamana bağlı sıcaklık değişimi ve şekli, gerçek zamanlı MR - Termometri görüntüleri ile teyit edilmiştir. Bunlara ek olarak, tek fiber ile ışığı küresel simetride saçma çalışmaları yapılmıştır. İnanıyoruz ki, bu yöntemlerin birleşimi, MRG uyumlu RF lazer sistemleri için çözüm oluşturacaktır.

Atrial Fibrillation (AF) is among the most common cardiac arrhythmias with a high risk of mortality and morbidity. As a cure several minimally invasive catheter approaches are performed under imaging guidance. These treatments imitate linear and transmural cuts and sutures along the atrial walls similar to the widely accepted surgical Cox Maze procedure to block undesired currents. Catheter delivery of RF energy to the cardiac chamber is widely used and approved as safe and successful. The operation is commonly performed under X-Ray which is deprived of soft tissue contrast. Besides, combination of the image with ECG (electrocardiogram) data makes the operation technically difficult and time consuming. Due to the long exposure times, X-Ray burns may be seen on the patient.MR images can be taken during RF ablation with proper matching and tuning circuits, however, during the operation RF and ECG catheters may cause artifacts in the image for some orientations. On the other hand, fiber delivery of laser energy has no significant MR compatibility issues and can be used under MR guidance. Nevertheless, MR guided laser ablation is not in clinical practice as a minimally invasive technique for curing AF possibly because of the risk of perforating the myocardial wall. Excess light intensity at the end of the fiber tip causes rapid changes in the temperature gradients which may cause charring. This is an undesired effect and especially in cardiac ablations, light intensity should be diffused. There are several diffusing tip designs to emit light in cylindrical symmetry, but, due to their orientation with respect to the cardiac chamber, common RF delivery methods cannot be applied directly.In this thesis, we propose a novel multiple fiber laser energy delivery with catheter approach and a system that imitates the scars created with RF probes under MR guidance. The system closely imitates the ablation pattern of RF delivery and therefore is expected to have quick adaptation by physicians. As a proof of principle, we used 3 fibers oriented in different directions and obtained real time MR thermometry maps of the ex-vivo and in-vitro ablation zones during laser delivery. In addition, various light diffusion methods are considered for single fiber power delivery. We believe the combination of these methods will be the solution for the MR compatible RF laser ablation system.