Numerical modelling of an implant for hyperthermia treatment by magnetic induction

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaColangiocarcinoma, ou carcinoma das vias biliares, é um dos cancros com maior percentagem de mortos por número de casos diagnosticados. Esta é uma doença que apresenta sintomas silenciosos e um diagnóstico precoce complicado. Nos Estados Unidos, surgem todos os anos aproximadamente 15 000 novos casos de cancro do fígado em que 15% a 25% dos mesmos representam carcinomas das vias biliares. Esta doença manifesta-se maioritariamente em pessoas com idade superior a 65 anos e é muito mais frequente nos países asiáticos. Já em Portugal, este tipo de cancro continua a ser pouco manifestado, apesar de um crescimento na taxa de mortalidade de cerca 19% entre 2002 e 2007.Devido às suas propriedades de elasticidade, memória de forma e biocompatibilidade, os stents metálicos autoexpansíveis em nitinol são endopróteses utilizadas, normalmente, no tratamento paliativo dos sintomas causados pelo consequente aumento dos tumores no interior dos órgãos tubulares. A sua função é exercer uma força radial no tubo, permitindo a sua desobstrução e o aumento do fluxo que foi prejudicado pela expansão do cancro.Todavia, a utilização de ablação térmica no tratamento de tumores em órgãos de tecidos moles tem-se mostrado eficaz e poderá ser uma alternativa viável para uma aplicação em órgãos tubulares. Nesta técnica, o tecido tumoral é exposto a temperaturas elevadas durante um determinado período de tempo, provocando danos irreversíveis, ou morte, das células tumorais.Assim, nesta dissertação é estudada a viabilidade do uso, de um stent autoexpansível, como aplicador em tratamentos de hipertermia por indução magnética. Esta abordagem evita a ligação física do implante a um gerador, sendo o aquecimento resultante da relação do condutor com um campo magnético externo aplicado. Este último, induzirá correntes na secção do stent que, por efeito de Joule, provocará um aquecimento nos tecidos tumorais adjacentes. Para o estudo do modelo numérico, foi utilizado o programa COMSOL, fazendo duas abordagens diferentes. Uma primeira, mais simples, para a seleção dos parâmetros mais eficazes e onde apenas se considera o efeito da perfusão sanguínea, e uma segunda onde temos implementado o caso de um colangiocarcinoma, com a influência da artéria hepática e da veia porta na periferia do stent.Em suma, os dados obtidos das simulações numéricas revelaram resultados promissores, provando-se que é possível induzir necrose térmica no tecido adjacente ao implante e formando um volume de tecido danificado regular. Todavia, para o caso em que é tida em conta a influência das duas veias de grande porte, o volume apresentou uma distribuição notoriamente menos favorável, e com porções de tecido que não sofreram ação da temperatura, consequente do calor que é passado por convexão para o fluxo de sangue que percorre os vasos sanguíneos.Cholangiocarcinoma, or bile duct cancer, is one of the cancers with the highest percentage of deaths per number of cases diagnosed. This is a disease with silent symptoms and a complicated early diagnosis.Due to their elastic, shape memory and biocompatibility properties, self-expandable nitinol stents are endoprosthesis normally used for the palliation of symptoms caused by the consequent increase of tumours inside the tubular organs. Its function is to exert a radial force on the tube, allowing its clearance and increased flow which has been affected by the expansion of the cancer.In the United States, approximately 15 000 new cases of liver cancer arise every year, in which 15% to 25% of them represent biliary tract carcinomas. This disease manifests itself mainly in people over 65 years old and is much more common in Asian countries. In Portugal, this type of cancer does not represent a large number of cases, despite an increase in the mortality rate of about 19% between 2002 and 2007.However, the use of thermal ablation in the treatment of tumours in soft tissue organs has proved effective and may be a viable alternative for application in tubular organs. In this technique, the tumour tissue is exposed to high temperatures for a certain period of time, causing irreversible damage or death of the tumour cells.Thus, in this thesis is studied the feasibility of the use of a self-expandable stent as an applicator for hyperthermia treatments by magnetic induction. This approach avoids the physical connection of the implant to a generator, and heat is generated from the interaction of the conductor with an applied external magnetic field. The latter induces a current in the section of the stent which, by Joule effect, will warm the adjacent tumour tissues. For the study of the numerical model, it was used the analysis software by finite elements, COMSOL considering two different approaches. The first, simpler, to select the most effective parameters and where its only consider the effect of blood perfusion, and the second, where we have implemented the case of a cholangiocarcinoma, with the influence of the hepatic artery and the portal vein on the periphery of the stent.In summary, data obtained from the numerical simulations have shown promising results, proving that it might be possible to induce thermal necrosis on the tissue adjacent to the implant, and forming a regular volume of damaged tissue. However, in the case where it is taken into account the influence of two large blood vessels, the volume showed a noticeably less favourable distribution, and with tissue portions which have not undergone the action of temperature resulting from the heat that is passed by convection to the blood flow that runs through the veins