DISS. ETH NO. 22975 Sensorized Cardiac Radiofrequency Ablation System for Lesion Depth Assessment A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by Péter Sándor Baki M.Sc. in Electrical Engineering Budapest University of Technology and Economics born on 04.05.1984 citizen of Hungary accepted on the recommendation of Prof. Dr. Gábor Székely, examiner Dr. Gábor Kósa, co-examiner Prof. Dr. Orçun Göksel, co-examiner Prof. Dr. Alon Wolf, co-examiner 2015 Abstract In the past few decades radiofrequency catheter ablation has become the primary treatment of choice for a number of cardiac arrhythmia types, in case the patient does not respond to medication. This endocardial approach offers minimally invasive percutaneous entry into the heart, which is associated with reduced length of hospitalization, low expenses and reasonably low morbidity and mortality. Since lesion recovery has been a major cause of failure and recurrence of arrhythmia, creating sufficiently deep lesions and achieving transmurality are key issues with regard to procedural efficacy. It is technically challenging to determine precisely and repeatedly the lesion dimensions in a tissue being ablated, especially in real-time intra-operative scenarios. Current measures of radiofrequency ablation lesion depth include impedance measurement and electrode-tissue interface temperature monitoring, which are influenced by a number of factors difficult to control, such as cavitary blood flow, coagulum on the tip and electrode orientation. Technological advances in catheter design and sensor technologies have led to extensive research on techniques that are appropriate for accurate and reliable real-time lesion size assessment intraoperatively. Some novel catheter designs aim to estimate the depth of tissue coagulation using contact force and ultrasound based techniques including conventional sonography and advanced image processing methodologies as well. This thesis aims to investigate the feasibility of in vitro lesion size assessment with a custom-developed radiofrequency catheter tip featuring integrated multi-axial force sensing and M-mode ultrasound imaging capabilities. To this end, two miniature multi-axial force sensors have been developed. The EulerBernoulli sensor is easy to manufacture and it has smaller diameter, whereas the Butterfly concept offers superior isotropy. The latter one has been integrated into a catheter tip together with a commercially available ultrasound transducer. In order to make synchronization possible between radiofrequency iv A BSTRACT power delivery, force sensing and ultrasound imaging, we developed a complex RF ablation and data acquisition system. Since traditional sonography has not proven to be sufficient to identify tissue coagulation, we have proposed a method named Thermal Expansion Imaging (TEI) to determine the instantaneous strain between consecutive ultrasound scans. The developed system was used to perform RF ablation experiments in vitro with porcine heart samples while simultaneously acquiring electrical parameters, ultrasound and contact force data. The results have shown that the features of the developed system can offer significant improvements. Orthogonality could be determined between the catheter tip and the tissue surface based on force feedback, whereas lesion depths calculated by TEI correlated well with the visually identified ones. Zusammenfassung In den letzten Jahrzehnten hat sich die Radiofrequenz-Katheterablation als Behandlung der Wahl für Herzrhythmusstörungen etabliert, sofern sie sich medikamentös nicht therapieren lassen. Im Gegensatz zu klassischen, chirurgischen Behandlungsmethoden, erfordert diese perkutane Methode nur einen minimalen Einschnitt für einen venösen Zugang anstatt eines großen operativen Eingriffs. Minimalinvasive Methoden sind nicht nur für den Patienten mit weniger Schmerzen und kürzerem Krankenhausaufenthalt verbunden, sondern verursachen auch weniger Kosten und weisen in Studien niedrigere Morbiditäts- und Mortalitätsrisiken auf. Bei der Radiofrequenz-Katheterablation wird mittels einer entlang der Blutgefäße ins Herz eingeführten Sonde eine thermische Läsion am Herzmuskel des rechten Vorhofs erzeugt. Die Herausforderung liegt darin, eine gleichmäßige, transmurale Narbe zu erzeugen, da der erzielte Effekt des Unterbruchs der Leitfähigkeit des Gewebes sonst nicht oder aufgrund von Heilungsprozessen nur vorübergehend eintritt. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik stehen keine chirurgischen Instrumente zur Verfügung, die eine Kontrolle der Läsionstiefe in Echtzeit zufriedenstellend ermöglichen. Heutige Maßnahmen zur Bestimmung der Läsionstiefe umfassen Impedanzmessung und die Elektrode-Gewebe-Temperaturüberwachung, welche durch schwierig kontrollierbare Faktoren wie kavitäre Blutung, Koagulat auf der Spitze des Katheters oder die Elektrodenausrichtung beeinflusst werden. Neue Katheterkonstruktionen vermessen die Tiefe der Gewebekoagulation mit Hilfe von Sensoren zur Bestimmung der Kontaktkraft sowie Ultraschallgestützten Techniken und fortschrittlichen Bildverarbeitungsmethoden. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Machbarkeit der in vitro Beurteilung der Läsionsgröße mit einer speziell entwickelten Hochfrequenz-Katheterspitze mit integrierter multi-axialer Kraftmessung und M-Mode Ultraschall-Imaging Funktionen zu untersuchen. Zu diesem Zweck sind zwei wenige Millimeter große mehrachsige Kraftsensoren entwickelt worden. Der Euler-Bernoulli Sensor ist vi Z USAMMENFASSUNG leicht herzustellen und hat einen kleineren Durchmesser, wohingegen das Butterfly Konzept eine hervorragende Isotropie bietet. Letztere ist in eine Katheterspitze mit einem im Handel erhältlichen Ultraschallwandler integriert worden. Um die Synchronisation zwischen Leistungsentfaltung, Kraftmessung und Ultraschall-Bildgebung sicherzustellen, haben wir ein komplexes RF-Ablation und Datenerfassungssystem entwickelt. Herkömmliche sonographische Bildgebung hat sich als unzureichend für die Beurteilung von Gewebekoagulation herausgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine Methode mit dem Namen Thermal Expansion Imaging (TEI) entwickelt, welche die thermischen Veränderungen des Gewebes über Bildfolgen hinweg bestimmt. Das entwickelte System wurde verwendet, um die RF-Ablation Experimente mit Schweineherzproben bei gleichzeitiger Erfassung der elektrischen Parameter, der Ultraschall- und Kontaktkraftdaten in vitro durchzuführen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Funktionen des entwickelten Systems signifikante Verbesserungen bieten können. Orthogonalität zwischen der Katheterspitze und der Gewebeoberfläche basierend auf Kraftmessungen konnte bestimmt werden, und die von TEI berechneten Läsionstiefen korrelierten gut mit den visuell identifizierten Läsionstiefen.
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