Experimental and numerical study of heat transfer in an endovenous laser treatment

Abstract

O presente trabalho tem como objetivo investigar por meio experimental e numérico os mecanismos da transferência de calor na aplicação do procedimento cirúrgico de ablação endovenosa a laser (EVLA) assim como a influência de parâmetros termofísicos no campo de temperatura na face interna de um modelo de veia artificial. A ablação a laser é uma técnica cirúrgica minimamente invasiva de cauterização de veias, a fim de interromper o escoamento sanguíneo e eliminar a formação de êbolos e varizes. A motivação para o desenvolvimento deste trabalho é, além de ampliar o conhecimento sobre os fenômenos envolvidos no procedimento, disponibilizar uma ferramenta e resultados que sirvam de auxílio ao médico no aprimoramento da técnica e obtenção de melhores resultados. A bancada experimental consiste em um cilindro moldado em um polímero e imerso em um reservatório com controle térmico. O cilindro com diâmetro externo de 34 mm e comprimento 250 mm possui um orifício central na direção axial com diâmetro 8 mm que simula uma veia, o qual é preenchido por sangue humano ou soro fisiológico durante os experimentos. O cilindro é instrumentado com termopares nas direções axial e radial. O feixe de laser é conduzido por uma fibra óptica para o interior da veia. A fibra é deslocada com velocidade constante durante o experimento, simulando a aplicação cirúrgica do método. Utiliza-se um sistema de laser contínuo, com potência ajustável entre 1 e 30 W, nos comprimentos de onda 810 nm e 1470 nm. Opera-se com fibras óticas com diâmetro de 0.6 mm. O modelo numérico emprega a equação da condução de calor em coordenadas cilíndricas e um modelo para o fluxo de calor móvel na parede da veia. A equação da condução de calor é resolvida por um método de volumes finitos. O modelo é utilizado para correlacionar o campo de temperatura na veia com as características do feixe de laser e sua interação com o sangue humano. As medições de temperatura identificaram assimetrias no campo de temperatura. Dependendo da intensidade das assimetrias observadas, elas foram relacionadas com os seguintes efeitos: (1) Movimentação da extremidade da fibra ótica para fora da linha de centro da veia durante o teste; (2) contato direto da ponta da fibra na parede interna da veia e (3) geração de bolhas de vapor que se originam e se deslocam da ponta da fibra para a parte superior devido aos efeitos da gravidade. Com a utilização do modelo teórico, obteve-se a intensidade do fluxo de calor na parede da veia e com isso, determinou-se a importância relativa de cada fenômeno na ablação da parede da veia.

Abstract: The present work had the aim to investigate through experimental and numerical the heat transfer mechanisms evolved at the endovenous laser ablation (EVLA or EVLT) surgical procedure application as well as the thermophysics parameters that influence at the temperature field at an internal wall of an artificial vein model. Laser ablation is a minimally invasive surgical technique to vein cauterization, in order to interrupt the blood flow and eliminating the varicose veins and plungers formation. The motivation to develop this study was on to increase the knowledge about the phenomena evolved at the procedure as well as to provide materials and a tool to assist doctors to improve the technique and through these, attainment to strive higher standards. The experimental workbench consists of a cylinder molded in a polymer (PVC-P), attached to a reservoir with thermal control. The cylinder had an external diameter of 34 mm and 250 mm of length, at the center have an orifice in the axial direction with a diameter of 8 mm that simulate the vein, it was filled with human blood or saline solution during the experimental test. The instrumentation at the vein model was with thermocouples at the axial and radial directions. The conduction of laser beam to the interior of the vein was through an optical fiber. The fiber was displaced with constant velocity (pullback) at the test performed, simulating the surgical procedure application. Draw on a continuous laser system with adjustable power between 1 to 30 W, at the wavelength of 810 nm and 1470 nm. The optical fibers used were with a diameter of 0.6 mm, bare and radial fiber. The numerical model employs the heat conduction equation in cylindrical coordinates and another model to the mobile heat source at the vein wall. A Finite Volumes Method (FVM) was used to solve the heat conduction equation. The model was used to correlate the temperature field at the vein with the laser beam characteristics and human blood interaction. The measures obtained identify asymmetries at the temperature field. Depending on the intensity of the asymmetries observed, these were related with the following effects: (1) Movement of the fiber tip out of the vein centerline during the test; (2) direct contact of the fiber tip at the internal wall, and (3) steam bubbles formation that originates and move at the fiber tip to the top of the vein by buoyancy. With the theoretical model use, was obtained the heat flux intensity at the vein wall and with it, the relative importance with each phenomenon at vein wall ablation was determined.