Analysis of the Depth of Thermal Injuries Caused during the Cardiac Ablation Procedure with the Cooling of the Esophageal Wall

Authors

Keywords:

cardiac ablation, cooling, electrical modeling, esophageal injuries, thermal modeling

Abstract

Atrial fibrillation is a heart disease commonly treated by the radiofrequency cardiac ablation (CARF) method, and lesions in the esophagus are frequent consequences of the procedure. The conduction of the ablator electrode's heat promotes the appearance of high temperatures in regions that include the left atrium, the esophagus, and the connective tissue between them. The present study proposes an analysis of the thermal lesion’s depth in these tissues during the CA procedure considering the cooling of the esophageal wall (EW) in all simulation scenarios. The two-dimensional computer simulation used constant voltage, and the maximum simulated temperatures at the tip of the electrode were 60°C, 80°C, and 100 °C. The cooling temperature in the EW is 0°C. The simulated distances between the tip of the electrode and the EW were: (i) 5 mm and (ii) 2.5 mm. When the EW was kept at 0 °C, the lesion size decreased by an average percentage of 52.19% in scenario i and 61.07% in scenario ii. Esophageal temperature decreased by at least 30% in both scenarios. The study showed potentially positive results for the use of cooling applied in EW during CA since the prevention of unnecessary tissue overheating might help decrease the risk of severe injuries to the patient.

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Author Biographies

Sylvia de Sousa Faria, Universidade de Brasília

Sylvia de Sousa Faria possui graduação em Engenharia Eletrônica (2015) e mestrado em Engenharia Biomédica (2018) pela Universidade de Brasília (UnB). Atualmente faz doutorado, em sistemas eletrônicos e automação, na mesma universidade. Tem experiência na área de Engenharia Eletrônica, com ênfase em instrumentação biomédica e modelagem computacional de sistemas ablativos.

Priscilla Costa de Souza, Universidade de Brasília

Priscilla da Costa Souza possui graduação em Engenharia Eletrônica pela Universidade de Brasília (2019). Atualmente faz mestrado na área de Engenharia Mecatrônica na mesma universidade. Tem experiência na área de Engenharia Eletrônica, com ênfase em instrumentação biomédica e modelagem computacional de sistemas ablativos.

Gabriela Pessoa Souza, Universidade de Brasília

Gabriela Pessoa Souza faz graduação em Engenharia Eletrônica pela Universidade de Brasília. Atualmente faz iniciação científica. Tem experiência na área de Engenharia Eletrônica, com ênfase em instrumentação biomédica e modelagem computacional de sistemas ablativos.

Clara Fonseca da Justa, Universidade de Brasília

Clara Fonseca da Justa faz graduação em Engenharia Eletrônica pela Universidade de Brasília. Tem experiência na área de Engenharia Eletrônica, com ênfase em instrumentação biomédica e modelagem computacional de sistemas ablativos

Adson Ferreira da Rocha, Universidade de Brasília

Adson Ferreira da Rocha possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade de Brasília (1988), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (1991) e doutorado pela University of Texas at Austin (1997). Atualmente é Professor da Universidade de Brasília. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em instrumentação biomédica e processamento de sinais biomédicos.

Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa, Universidade de Brasília

Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa possui graduação em Engenharia Eletrônica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (2001), mestrado em Engenharia Eletrônica e Mecatrônica pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (2005) e doutorado em Engenharia Eletrônica e Biomédica pela Universidade de Brasília (2008).  Atualmente é Professora Associada da Universidade de Brasília. Tem experiência na área de Engenharia Eletrônica, com ênfase em instrumentação biomédica e modelagem matemática de sistemas fisiológicos.

References

D. B. de Oliveira, “Estudo sobre o efeito de técnicas preventivas na incidência de lesões esofageanas após ablação do átrio esquerdo para tratamento de fibrilação atrial,” USP Thesis, p. 119, 2015.

S. B. de Cardiologia, “SOBRAC - Sociedade Brasileira de Arritmias Cardíacas,” Online, 2018. https://sobrac.org/home/ (accessed Aug. 01, 2019).

L. Magalhães, “Diretrizes Brasileiras de Fibrilação Atrial,” Rev. da Soc. Bras. Cardiol., vol. 106, no. 2, pp. 1–15, 2016, doi: 10.5935/abc.20160055.

G. Y. H. Lip, “Atrial fibrillation,” Nat. Rev. Dis. Prim., vol. 2, pp. 1–26, Mar. 2016, doi: 10.1038/nrdp.2016.16.

J. L. Thanavaro, “Catheter Ablation for Atrial Fibrillation,” J. Nurse Pract., vol. 15, no. 1, pp. 19-25.e1, 2019, doi: 10.1016/j.nurpra.2018.07.017.

A. Costa Martinez, F. Walter Dafico Pfrimer, M. Scroccaro Costa, and A. Yoshihiro Nakano, “How to Develop a Single Channel Electrocardiograph with a Low Budget,” IEEE Lat. Am. Trans., vol. 16, no. 4, pp. 1057–1063, 2018, doi: 10.1109/TLA.2018.8362137.

M. L. Ramírez, R. V. Esparza, R. O. Reyna, J. U. M. Minjares, R. O. V. Chávez, and R. J. P. Chimal, “A Novel Methodology for Calculating Heart Rate using Image Processing,” Ieee Lat. Am. Trans., vol. 14, no. 8, pp. 3522–3527, 2016.

M. Scanavacca, “Current atrial fibrillation ablation: An alert for the prevention and treatment of esophageal lesions,” Arq. Bras. Cardiol., vol. 106, no. 5, pp. 354–357, 2016, doi: 10.5935/abc.20160078.

M. Olson, T. Nantsupawat, N. Sathnur, and H. Roukoz, Cardiac ablation technologies. Elsevier Inc., 2018.

E. J. Berjano and F. Hornero, “A cooled intraesophageal balloon to prevent thermal injury during endocardial surgical radiofrequency ablation of the left atrium: A finite element study,” Phys. Med. Biol., vol. 50, no. 20, 2005, doi: 10.1088/0031-9155/50/20/N03.

E. J. Berjano and F. Hornero, “Thermal-electrical modeling for epicardial atrial radiofrequency ablation,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 51, no. 8, pp. 1348–1357, 2004, doi: 10.1109/TBME.2004.827545.

M. Olson, T. Nantsupawat, N. Sathnur, and H. Roukoz, Cardiac Ablation Technologies. Elsevier Inc., 2019.

A. González-Suárez and E. Berjano, “Comparative analysis of different methods of modeling the thermal effect of circulating blood flow during RF cardiac ablation,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 63, no. 2, pp. 250–259, 2016, doi: 10.1109/TBME.2015.2451178.

E. Constanciel, “Design and evaluation of a transesophageal HIFU probe for ultrasound-guided cardiac ablation: Simulation of a HIFU mini-maze procedure and preliminary ex vivo trials,” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 60, no. 9, pp. 1868–1883, 2013, doi: 10.1109/TUFFC.2013.2772.

L. Yatziv, J. Ibarz, N. Strobel, S. Datta, and G. Sapiro, “Esophagus silhouette extraction and reconstruction from fluoroscopic views for cardiac ablation procedure guidance,” IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed., vol. 15, no. 5, pp. 703–708, 2011, doi: 10.1109/TITB.2011.2162247.

D. C. Schroeder, “Intravascular Cooling Device Versus Esophageal Heat Exchanger for Mild Therapeutic Hypothermia in an Experimental Setting,” Anesth. Analg., pp. 1–8, 2018, doi: 10.1213/ane.0000000000003922.

H. A. E. W. Lim, G. A. Cogert, C. S. Cameron, V. Y. Cheng, and D. A. Sandler, “Atrioesophageal Fistula During Cryoballoon Ablation for Atrial Fibrillation,” J. Cardiovasc. Electrophysiol., vol. 25, no. 2, pp. 208–213, 2014, doi: 10.1111/jce.12313.

T. Tsuchiya, K. Ashikaga, S. Nakagawa, K. Hayashida, and H. Kugimiya, “Atrial fibrillation ablation with esophageal cooling with a cooled water-irrigated intraesophageal balloon: A pilot study,” J. Cardiovasc. Electrophysiol., vol. 18, no. 2, pp. 145–150, 2007, doi: 10.1111/j.1540-8167.2006.00693.x.

C. Berkmortel, H. Avari, and E. Savory, “Computational Modelling Of Radiofrequency Cardiac Ablation To Study The Effect Of Cooling On Lesion Parameters,” CSME Int. Congr. 2018 May, pp. 1–5, 2018, doi: 10.25071/10315/35233.

J. C. Cobos Torres and M. Abderrahim, “Measuring Heart and Breath Rates by Image Photoplethysmography using Wavelets Technique,” IEEE Lat. Am. Trans., vol. 15, no. 10, pp. 1864–1868, 2017, doi: 10.1109/TLA.2017.8071228.

E. Kulstad, M. Mercado-Montoya, and S. Shah, “Influence of thermal conductivity on esophageal protection with a cooling device during high-power short-duration radiofrequency ablation,” Eur. Heart J., vol. 40, no. Supplement_1, p. 2019, 2019, doi: 10.1093/eurheartj/ehz748.0611.

J. John, L. Garg, M. Orosey, T. Desai, D. E. Haines, and W. S. Wong, “The effect of esophageal cooling on esophageal injury during radiofrequency catheter ablation of atrial fibrillation,” J. Interv. Card. Electrophysiol., vol. 58, no. 1, pp. 43–50, 2020, doi: 10.1007/s10840-019-00566-3.

S. de S. Faria, P. C. de Souza, G. P. Souza, S. de S. R. F. Rosa, and A. F. da Rocha, “Estudo sobre a propagação do calor durante o procedimento de ablação cardíaca com e sem resfriamento da parede esofágica,” in Anais do XII Simpósio de Engenharia Biomédica - IX Simpósio de Instrumentação e Imagens Médicas, 2018, pp. 1–4, doi: 10.5281/zenodo.3459549.

K. Lemola, “Computed Tomographic Analysis of the Anatomy of the Left Atrium and the Esophagus Implications for Left Atrial Catheter Ablation,” Am. Hear. Assoc., vol. 110, no. 24, pp. 3655–3660, 2004, doi: 10.1161/01.CIR.0000149714.31471.FD.

S. Y. Ho, D. Sanchez-Quintana, J. A. Cabrera, and R. H. Anderson, “Anatomy of the left atrium: Implications for radiofrequency ablation of atrial fibrillation,” J. Cardiovasc. Electrophysiol., vol. 10, no. 11, pp. 1525–1533, 1999, doi: 10.1111/j.1540-8167.1999.tb00211.x.

E. J. Berjano and F. Hornero, “What affects esophageal injury during radiofrequency ablation of the left atrium? An engineering study based on finite-element analysis,” Physiol. Meas., vol. 26, no. 5, pp. 837–848, 2005, doi: 10.1088/0967-3334/26/5/020.

J. J. P. Erez, A. D’avila, and E. Berjano, “Electrical and Thermal Effects of Esophageal Temperature Probes on Radiofrequency Catheter Ablation of Atrial Fibrillation : Results from a Computational Modeling Study,” J. Cardiovasc. Electrophysiol., vol. 26, no. 5, pp. 556–564, 2015, doi: 10.1111/jce.12630.

R. M. Irastorza, A. D’avila, and E. Berjano, “Thermal latency adds to lesion depth after application of high-power short-duration radiofrequency energy: Results of a computer-modeling study,” J. Cardiovasc. Electrophysiol., vol. 1, no. 1, pp. 1–6, 2017, doi: 10.1111/jce.13363.

M. M. Montoya, “Protecting the esophagus from thermal injury during radiofrequency ablation with an esophageal cooling device,” J. Atr. Fibrillation, vol. 11, no. 5, pp. 1–7, 2019, doi: 10.4022/jafib.2110.

T. Kuwahara, “Oesophageal cooling with ice water does not reduce the incidence of oesophageal lesions complicating catheter ablation of atrial fibrillation: Randomized controlled study,” Europace, vol. 16, no. 6, pp. 834–839, 2014, doi: 10.1093/europace/eut368.

M. Sagerer-Gerhardt and H. P. Weber, “Influence of catheter orientation on lesion formation in bovine myocardium by using an open-irrigated laser ablation catheter,” Lasers Med. Sci., vol. 31, no. 7, pp. 1333–1338, 2016, doi: 10.1007/s10103-016-1980-1.

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Published

2021-03-16

How to Cite

Faria, S. de S., Souza, P. C. de, Souza, G. P., Justa, C. F. da ., Rocha, A. F. da, & Rosa, S. de S. R. F. (2021). Analysis of the Depth of Thermal Injuries Caused during the Cardiac Ablation Procedure with the Cooling of the Esophageal Wall. IEEE Latin America Transactions, 19(7), 1121–1128. Retrieved from https://latamt.ieeer9.org/index.php/transactions/article/view/4028

Issue

Vol. 19 No. 7 (2021): Ordinary Issue

Section

Articles