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Título: Deslocamento do roll-off e proteção esofágica na ablação por radiofrequência hepática e cardíaca : controle da impedância tecidual e temperatura com base no controlador PID bioinspirado
Autor(es): Faria, Rafael Mendes
Orientador(es): Rosa, Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury
Assunto: Fibrilação atrial
Otimizador Lobo Cinzento
Otimização por enxame de partículas.
Carcinoma hepatocelular
Data de publicação: 13-Mar-2025
Referência: FARIA, Rafael Mendes. Deslocamento do Roll-Off e Proteção Esofágica na Ablação por Radiofrequência Hepática e Cardíaca: Controle da Impedância Tecidual e Temperatura com Base no Controlador PID Bioinspirado. 2024. 187 f. Tese (Doutorado em Sistemas Mecatrônicos) — Universidade de Brasília, Brasília, 2024.
Resumo: Introduction: Radiofrequency Ablation (RFA) is a widely used minimally invasive medical procedure for treating electrophysiological disorders and dysfunctional tissues, such as tumors. The method involves inserting a probe with an electrode into the patient’s body, where the application of radiofrequency generates heat, causing necrosis in the tissue and resolving the disorder. However, RFA carries risks, such as overheating and complications related to temperature distribution in the target tissues and adjacent tissues, which can lead to severe outcomes like esophageal fistula in cardiac RFA. The roll-off phenomenon, characterized by the vaporization of tissue fluids and an increase in impedance, can compromise the success of the procedure, making it less effective and more dangerous. Given the critical nature of these procedures, the search for strategies employing controllers that prevent overheating and efficiently cover more tissue is of utmost importance. These technological advancements would not only improve the safety of the procedure but also increase its efficacy by reducing the risk of complications and providing a more comprehensive solution for treating cardiac and hepatic conditions. Objectives: This research proposes an innovative approach to mitigate the effects of roll-off by developing a bio-inspired dynamic control system. The strategy includes optimizing PID controllers using the Grey Wolf Optimizer (GWO) and Particle Swarm Optimization (PSO) algorithms. The main objective is to enhance cardiac and hepatic RFA by expanding the coagulation area, reducing procedure time, and decreasing tumor recurrence and the development of esophageal fistulas. Methodology: The research was structured into three main studies. The first study consisted of a systematic review, conducted following the PRISMA methodology, under the PROSPERO protocol registered under number CRD42022340100. The review was designed to identify gaps in the literature and gather the most current evidence on RFA, which served as the basis for the physiological data used in subsequent simulations. Studies involving liver, heart, or thyroid gland ablation using in vivo, ex vivo, or in silico techniques were considered. The databases searched included Pubmed (n = 958), Scopus (n = 581), Embase (n = 68), Science Direct (n = 21), Web of Science (n = 181), CINAHL Ebsco (n = 125), and IEEE (n = 333), and studies published in the last ten years, in English and Portuguese, were selected. The systematic review selected 29 studies after screening 1078, providing a comprehensive view of the electrical, thermal, and dynamic parameters in RFA procedures. The second study involved developing a PSO-tuned PID controller applied in ex vivo experiments with porcine liver, demonstrating efficacy in controlling tissue impedance during hepatic ablation, preventing roll-off, and ensuring greater precision in the procedure. The third study employed three-dimensional simulations in COMSOL® software to model temperature distribution during cardiac ablation, using a PID controller tuned by the GWO algorithm. This controller successfully regulated temperature, avoiding overheating of adjacent tissues, such as the esophagus, thereby reducing the risk of severe complications. Results: The thesis generated a systematic review that formed the basis for subsequent experiments, identifying best practices and gaps in the literature. In the second study, the PSO-tuned PID controller proved effective in controlling impedance during hepatic ablation, preventing roll-off, and ensuring a larger ablation area. The third study, using GWO to tune the PID in cardiac ablation simulations, showed that the strategy was effective in controlling temperature distribution, especially in protecting against the emergence of esophageal fistulas. Conclusion: The research presented in this thesis not only advances knowledge on the optimization of RFA procedures but also introduces innovative solutions for the precise control of impedance and tissue temperature, critical aspects for the efficacy and safety of this procedure. The integration of computational modeling, PID controller optimization through advanced algorithms like GWO and PSO, along with experimental validation, results in a robust approach. The results promise to significantly expand the coagulation area, reduce procedure time, and minimize tumor recurrence. By avoiding severe complications such as overheating and the roll-off phenomenon, this research provides concrete advances that can be directly applied in cardiac and oncological applications, representing a valuable contribution to the development of safer and more effective approaches to treating complex medical conditions.
Abstract: Introdução: A Ablação por Radiofrequência (RFA) é um procedimento médico minimamente invasivo amplamente utilizado para tratar distúrbios eletrofisiológicos e tecidos disfuncionais, como tumores. O método envolve a inserção de uma sonda com um eletrodo no corpo do paciente, onde a aplicação de radiofrequência gera calor, causando necrose no tecido e resolvendo o distúrbio. No entanto, a RFA pode apresentar riscos, como o superaquecimento e complicações relacionadas à distribuição de temperatura nos tecidos alvos e tecidos adjacentes como, por exemplo, acarretar a fístula esofágica na RFA cardíaca. O fenômeno roll-off, caracterizado pela vaporização dos fluidos teciduais e aumento da impedância, pode comprometer o sucesso do procedimento, tornando-o menos eficaz e mais perigoso. Dada a natureza crítica desses procedimentos, a busca por estratégias que empreguem controladores que não provoquem superaquecimento e que possam abranger mais tecido de forma eficiente é de suma importância. Esses avanços tecnológicos não apenas melhorariam a segurança do procedimento, mas também aumentariam sua eficácia, reduzindo o risco de complicações e proporcionando uma solução mais abrangente para o tratamento de condições cardíacas e hepáticas. Objetivos: Esta pesquisa propõe uma abordagem inovadora para mitigar os efeitos do roll-off por meio do desenvolvimento de um sistema de controle dinâmico bioinspirado. A estratégia inclui a otimização de controladores PID utilizando os algoritmos Grey Wolf Optimizer (GWO) e Particle Swarm Optimization (PSO). O objetivo principal é aprimorar a RFA cardíaca e hepática, expandindo a área de coagulação, reduzindo o tempo de procedimento, diminuindo a recorrência tumoral e do desenvolvimento de fístulas esofágicas. Metodologia: A pesquisa foi estruturada em três estudos principais. O primeiro estudo consistiu em uma revisão sistemática, realizada seguindo a metodologia PRISMA, sob o protocolo PROSPERO registrado sob o número CRD42022340100. A revisão foi projetada para identificar lacunas na literatura e coletar as evidências mais atuais sobre a RFA, que serviram de base para os dados fisiológicos usados nas simulações subsequentes. Foram considerados estudos que envolvem ablação de fígado, coração ou glândula tireoide, utilizando técnicas in vivo, ex vivo ou in silico. As bases de dados pesquisadas incluíram Pubmed (n = 958), Scopus (n = 581), Embase (n = 68), Science Direct (n = 21), Web of Science (n = 181), CINAHL Ebsco (n = 125), and IEEE (n = 333), e foram selecionados estudos publicados nos últimos dez anos, em inglês e português. A revisão sistemática selecionou 29 estudos após triagem de 1078, proporcionando uma visão abrangente dos parâmetros elétricos, térmicos e dinâmicos em procedimentos de RFA. O segundo estudo envolveu o desenvolvimento de um controlador PID sintonizado pelo PSO, aplicado em experimentos ex vivo com fígado de porco, demonstrando eficácia no controle da impedância tecidual durante a ablação hepática, prevenindo o roll-off e garantindo maior precisão no procedimento. O terceiro estudo empregou simulações tridimensionais no software COMSOL® para modelar a distribuição de temperatura durante a ablação cardíaca, utilizando um controlador PID sintonizado pelo algoritmo GWO. Este controlador foi capaz de regular a temperatura com sucesso, evitando o superaquecimento de tecidos adjacentes, como o esôfago, e, assim, reduzindo o risco de complicações graves. Resultados: A tese gerou uma revisão sistemática que formou a base para os experimentos subsequentes, identificando as melhores práticas e lacunas na literatura. No segundo estudo, o controlador PID sintonizado pelo PSO demonstrou ser eficaz em controlar a impedância durante a ablação hepática, prevenindo o roll-off e garantindo uma maior área de ablação. O terceiro estudo, utilizando o GWO para sintonização do PID em simulações de ablação cardíaca, mostrou que a estratégia foi eficaz em controlar a distribuição de temperatura, especialmente na proteção contra o surgimento da fístula esofágica. Conclusão: A pesquisa apresentada nesta tese não só avança o conhecimento sobre a otimização de procedimentos de RFA, como também introduz soluções inovadoras para o controle preciso da impedância e da temperatura tecidual, aspectos críticos para a eficácia e segurança desse procedimento. A integração de modelagem computacional, otimização de controladores PID através de algoritmos avançados como o GWO e o PSO, juntamente com a validação experimental, resulta em uma abordagem robusta. Os resultados prometem expandir significativamente a área de coagulação, reduzir o tempo de procedimento e minimizar a recorrência tumoral. Ao evitar complicações graves, como o superaquecimento e o fenômeno de roll-off, essa pesquisa proporciona avanços concretos que podem ser diretamente aplicados em aplicações cardíacas e oncológicas, representando uma contribuição valiosa para o desenvolvimento de abordagens mais seguras e eficazes no tratamento de condições médicas complexas.
Unidade Acadêmica: Faculdade de Tecnologia (FT)
Departamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)
Programa de pós-graduação: Programa de Pós-Graduação em Sistemas Mecatrônicos
Licença: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.unb.br, www.ibict.br, www.ndltd.org sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra supracitada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Aparece nas coleções:Teses, dissertações e produtos pós-doutorado

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