Motivazioni e obiettivi degli studi ex vivo in ambito radiofrequenza
Gli studi ex vivo sulla radiofrequenza nascono dall’esigenza di comprendere in modo quantitativo e riproducibile la relazione tra parametri tecnici del sistema di ablazione e geometria finale della lesione termica. La dimensione ridotta e la variabilità anatomica dei nervi sensitivi, unita alla limitata possibilità di visualizzare direttamente le strutture bersaglio, rendono cruciale conoscere il raggio d’azione effettivo di ciascun tipo di elettrodo e configurazione di trattamento. In condizioni controllate, i modelli ex vivo consentono di isolare l’effetto di fattori come calibro della cannula, lunghezza del tip attivo, temperatura impostata e durata dell’erogazione, misurando in modo sistematico lunghezza, larghezza, profondità e volume delle lesioni.
Un obiettivo centrale di questi studi è confrontare sistemi di radiofrequenza differenti, ad esempio elettrodi monopolari, sistemi raffreddati internamente (cooled RF) e configurazioni con elettrodo sporgente che generano una zona di campo “a V”. In un modello su tessuto di pollo sono stati messi a confronto tre sistemi in grado di produrre lesioni terapeutiche: radiofrequenza raffreddata con cannula 17G e tip attivo di 4 mm, radiofrequenza con cannula attiva e elettrodo sporgente 18G e 20G, e radiofrequenza monopolare con cannule 16G, 18G e 20G. Lo scopo era quantificare il volume di lesione ottenibile con ciascuna configurazione, verificando l’ipotesi che il sistema raffreddato generasse il volume maggiore, seguito dal sistema con elettrodo sporgente e infine dal monopolare con cannula di calibro maggiore.
Un secondo filone di ricerca ex vivo riguarda lo sviluppo di elettrodi innovativi, come i sistemi multitined direzionali a grande campo. In questi dispositivi, le alette espandibili funzionano come antenne che aumentano e concentrano la densità di corrente, ampliando in modo prevedibile il volume di lesione e conferendogli una marcata direzionalità. Gli studi ex vivo su tessuti muscolari e d’organo (pollo, tonno, fegato) hanno avuto come obiettivo iniziale la stima della dimensione e della riproducibilità della forma di lesione basata sulla coagulazione visibile del tessuto, verificando al contempo l’assenza di fenomeni indesiderati come ebollizione, carbonizzazione o cavitazione.
Le linee guida di consenso sulle procedure interventistiche per il dolore sottolineano inoltre il valore dei modelli ex vivo per studiare strategie di amplificazione della lesione, come l’aumento del diametro della cannula, la modifica del tip attivo, l’uso di elettrodi raffreddati internamente e la modulazione di fluidi iniettati. Questi studi permettono di esplorare, in un ambiente controllato, l’impatto di variabili fisiche e biofisiche sulla trasmissione del calore e sulla necrosi coagulativa, pur riconoscendo che i risultati ex vivo non riproducono integralmente le condizioni in vivo.
Metodologia sperimentale per la valutazione delle lesioni su tessuti biologici
Nei modelli ex vivo di confronto tra sistemi di radiofrequenza, la metodologia prevede in genere l’utilizzo di tessuti animali standardizzati, come il muscolo di pollo, mantenuti a una temperatura iniziale controllata. In uno studio comparativo, i campioni di petto di pollo venivano posizionati su un pad di dispersione, con cannula ed elettrodo inseriti perpendicolarmente al pad stesso, senza iniezione di fluidi nel tessuto prima dell’ablazione. La temperatura iniziale del tessuto variava tra 21 e 29 °C, misurata tramite il termocoppia integrato in ciascun elettrodo, consentendo di partire da condizioni termiche note e ripetibili.
Al termine del ciclo di riscaldamento, il tessuto veniva sezionato con lama affilata passando per il punto di ingresso della cannula, in modo da esporre la lesione. Si misuravano quindi le tre dimensioni principali: lunghezza massima longitudinale, larghezza trasversale e profondità, con una risoluzione di 0,05 mm mediante calibro di precisione. La profondità veniva ricostruita combinando le misure ottenute sulle due metà della lesione dopo un’ulteriore sezione, così da ottenere una stima accurata dell’estensione in senso antero-posteriore. Queste misure lineari venivano poi utilizzate per calcolare il volume di lesione assumendo una geometria ellissoidale o sferica, tramite la formula V = π/6 × T × L × D.
Negli studi dedicati agli elettrodi multitined direzionali, la metodologia ex vivo ha incluso sia la valutazione della coagulazione visibile sia la mappatura termica. Dopo un iniziale proof-of-concept in mezzo albume, oltre 100 lesioni sono state create in tessuti muscolari e d’organo, con cicli di riscaldamento compresi tra 60 e 240 secondi e temperature tra 65 e 90 °C, utilizzando generatori di radiofrequenza di uso clinico. I campioni con elettrodi inseriti venivano sezionati su piani multipli paralleli e perpendicolari all’asse della cannula, distinguendo la lunghezza della lesione verso le alette da quella sul lato opposto, per caratterizzare la natura direzionale del campo termico.
La mappatura termica ex vivo è stata condotta mediante telecamera termica a infrarossi calibrata, in modelli di contatto superficiale tessuto–elettrodo. L’obiettivo era monitorare qualitativamente l’evoluzione della firma termica fino alla fase di lesione matura, identificando eventuali hot spot, attivazioni asimmetriche delle alette o isoterme instabili. In parallelo, in uno studio comparativo tra radiofrequenza raffreddata e sistema con elettrodo sporgente, sequenze termografiche sono state acquisite inserendo le sonde appena sotto la superficie del tessuto di pollo, con registrazioni a intervalli di 3–5 secondi in un range di temperatura compreso tra 23 e 86 °C. Questo approccio ha permesso di correlare in modo stretto la distribuzione delle isoterme con l’aspetto macroscopico della coagulazione, in particolare per la soglia di 55 °C associata alla necrosi coagulativa visibile.
Principali risultati in termini di dimensione e forma delle lesioni
I dati ex vivo indicano che la geometria della lesione da radiofrequenza dipende in modo critico dal tipo di elettrodo e dalla modalità di erogazione. Con elettrodi monopolari convenzionali, la lesione assume tipicamente la forma di un ellissoide prolato, simile a un “pallone da football americano”, che si sviluppa prevalentemente attorno al fusto esposto del tip attivo, con minima estensione distale oltre l’estremità dell’elettrodo. La propagazione della coagulazione è governata dalla distribuzione della densità di corrente e si arresta quando l’aumento di resistenza nel tessuto coagulato limita ulteriormente il passaggio di corrente, con un raggio finale di lesione pari a circa 1–2 volte il diametro dell’elettrodo.
Nel confronto ex vivo tra radiofrequenza raffreddata, sistema con elettrodo sporgente e radiofrequenza monopolare, le lesioni prodotte dal sistema raffreddato (17G, tip attivo 4 mm, 60 °C per 150 secondi) sono risultate significativamente più voluminose rispetto a quelle ottenute con il sistema a elettrodo sporgente (18G e 20G, tip 10 mm, 80 °C per 150 secondi) e con la radiofrequenza monopolare (16G, tip 10 mm, 80 °C per 90 secondi). Le lesioni da radiofrequenza raffreddata mostravano una propagazione quasi sferica, con espansione simmetrica lungo le tre dimensioni (lunghezza, larghezza trasversale e profondità), mentre le lesioni da radiofrequenza monopolare e da sistema con elettrodo sporgente si espandevano prevalentemente sul piano trasversale e in profondità, con crescita più lenta in senso longitudinale.
L’aumento del diametro della cannula si associa a un incremento significativo della larghezza della lesione. Le linee di consenso riportano che il passaggio da una cannula 22G a una 16G, a 80 °C per 2 minuti, determina un aumento medio della larghezza della lesione del 58–65%, corrispondente a un incremento di 3–4 mm. In uno studio ex vivo, l’uso di una cannula 16G in modalità monopolare ha prodotto un volume di lesione superiore del 21% rispetto al più grande ago perfusibile disponibile commercialmente (18G), suggerendo che un semplice aumento del calibro dell’elettrodo può generare lesioni più ampie rispetto a configurazioni più complesse.
Per quanto riguarda i sistemi multitined direzionali, gli studi ex vivo hanno documentato la formazione di lesioni di volume medio pari a circa 467 ± 71 mm³, con topografia a sferoide allungato e asse maggiore spostato verso le alette. La lesione risultava altamente riproducibile e costantemente direzionale, con minima variabilità oltre una soglia di 75 °C per 80 secondi; ulteriori incrementi di tempo o temperatura non determinavano un’espansione significativa della lesione. La mappatura termica ha mostrato isoterme bilanciate e assenza di hot spot, con una buona corrispondenza tra l’isoterma di 55 °C e il margine di coagulazione visibile, confermando la coerenza tra firma termica e geometria finale della lesione.
Limiti di applicabilità diretta alla pratica clinica quotidiana
Nonostante l’elevato controllo sperimentale, gli studi ex vivo presentano limiti intrinseci quando si tenta di trasferire direttamente i risultati alla pratica clinica. Un aspetto critico è rappresentato dalle differenze nelle proprietà termiche e strutturali tra i modelli utilizzati (ad esempio albume, muscolo, fegato) e i tessuti umani in vivo. È stato osservato che l’albume si riscalda più rapidamente del muscolo, ma tende a sottostimare la dimensione delle lesioni e a fornire risultati meno riproducibili. Inoltre, i modelli ex vivo partono da una temperatura basale più bassa rispetto ai tessuti viventi, richiedendo una maggiore energia per ottenere la stessa estensione di necrosi coagulativa, con il rischio di sottostimare le dimensioni delle lesioni che si verificherebbero in vivo.
Un ulteriore limite riguarda l’assenza, nei modelli ex vivo, di fattori fisiologici dinamici come la perfusione sanguigna, che contribuisce in vivo alla dissipazione del calore e alla modulazione della distribuzione termica. In uno studio comparativo su radiofrequenza raffreddata e sistema con elettrodo sporgente, gli autori sottolineano che il modello ex vivo non tiene conto degli effetti dinamici propri dell’applicazione in un organismo vivente. La natura eterogenea dell’anatomia e la variabilità delle sedi in cui decorrono i nervi bersaglio possono determinare lesioni con forme meno simmetriche rispetto a quelle osservate in tessuti omogenei come il muscolo di pollo.
Anche la presenza di strutture ossee modifica in modo sostanziale la geometria della lesione rispetto ai modelli di solo muscolo. In esperimenti ex vivo che confrontavano un modello osso–muscolo con un modello di muscolo puro, è stato osservato che le lesioni rimanevano ellittiche con asse lungo allineato a quello dell’elettrodo, ma si espandevano maggiormente in senso perpendicolare all’asse dell’ago quando l’elettrodo era apposto all’osso. Ciò implica che la massima distanza efficace della lesione può raddoppiare in prossimità dell’osso rispetto al muscolo isolato, rendendo difficile estrapolare direttamente le misure ottenute in modelli omogenei alla complessità anatomica delle regioni vertebrali.
Infine, la modulazione fluida studiata ex vivo, come l’iniezione di soluzioni saline a diversa conducibilità, ha mostrato un marcato potenziale di amplificazione della lesione, con aumento dell’area di ablazione e spostamento della massima larghezza verso l’estremità distale del tip attivo. Tuttavia, esperimenti in vivo non hanno sempre confermato tali risultati, evidenziando discrepanze tra i due contesti. Le linee guida sottolineano che, sebbene i modelli ex vivo siano utili per comprendere i principi biofisici e per generare ipotesi operative, essi non simulano necessariamente le condizioni cliniche reali e devono essere interpretati con cautela quando si pianificano strategie di ablazione in pazienti.
Come tradurre i dati sperimentali in scelte tecniche operative con Stratus
I risultati degli studi ex vivo forniscono indicazioni operative generali che possono essere applicate nella scelta dei parametri tecnici per sistemi di radiofrequenza che condividono analoghi principi fisici, come quelli basati su elettrodi monopolari, raffreddati o direzionali. Un primo elemento riguarda la relazione tra diametro della cannula e ampiezza della lesione: l’aumento del calibro, ad esempio da 22G a 16G, è associato a un incremento sostanziale della larghezza della lesione, dell’ordine del 58–65% in condizioni standardizzate. Questo suggerisce che, quando l’obiettivo è ampliare il volume di tessuto ablato attorno a un nervo di decorso variabile, la selezione di cannule di calibro maggiore, nei limiti della sicurezza anatomica, può contribuire a migliorare la probabilità di includere il bersaglio nel campo di necrosi.
Un secondo aspetto riguarda la scelta tra geometrie di lesione più sferiche o più ellissoidali. I dati ex vivo mostrano che i sistemi raffreddati internamente tendono a generare lesioni quasi sferiche, con propagazione simmetrica lungo tutte le dimensioni, mentre gli elettrodi monopolari convenzionali producono lesioni ellissoidali con prevalente estensione radiale attorno al fusto del tip. Nei contesti in cui è desiderabile una copertura volumetrica più isotropa, ad esempio in presenza di incertezza sul decorso tridimensionale del nervo, può essere preferibile una configurazione che favorisca una propagazione più simmetrica del calore, come quella osservata con i sistemi raffreddati.
I sistemi direzionali multitined offrono invece la possibilità di orientare il massimo del campo termico verso una specifica regione anatomica. Gli studi ex vivo documentano una lesione a sferoide allungato, spostata rispetto all’asse della cannula verso le alette, con volume medio di circa 467 mm³ e alta riproducibilità oltre la soglia di 75 °C per 80 secondi. In termini operativi, ciò implica che l’orientamento delle alette rispetto al decorso presunto del nervo e alle strutture ossee di riferimento diventa un parametro critico per massimizzare l’efficacia dell’ablazione e minimizzare il coinvolgimento di tessuti non bersaglio.
Infine, i dati ex vivo e le linee guida convergono sull’importanza di modulare tempo e temperatura di erogazione entro intervalli che consentano la maturazione completa della lesione senza indurre fenomeni di ebollizione o carbonizzazione al contatto elettrodo–tessuto. È stato osservato che una quota sostanziale della crescita della lesione avviene entro i primi 60 secondi dopo il raggiungimento della temperatura target, ma l’estensione continua ad aumentare con tempi più lunghi, riducendo al contempo la variabilità tra lesioni. Tuttavia, temperature prossime ai 100 °C possono determinare un’interruzione della conducibilità all’interfaccia elettrodo–tessuto, con possibile riduzione del volume finale di lesione. La scelta di impostazioni intermedie di temperatura e di durate sufficienti a raggiungere la stabilizzazione volumetrica appare quindi coerente con le evidenze sperimentali disponibili.
Prospettive future di ricerca per ottimizzare ulteriormente le lesioni a radiofrequenza
Le evidenze ex vivo attuali aprono diverse linee di ricerca per l’ottimizzazione ulteriore della geometria delle lesioni a radiofrequenza. Una prima direzione riguarda l’integrazione sistematica tra modelli ex vivo e studi in vivo, al fine di quantificare in modo più preciso i fattori di correzione necessari per passare da tessuti omogenei e non perfusi a contesti anatomici complessi, caratterizzati da perfusione, eterogeneità tissutale e presenza di strutture ossee. L’osservazione che la massima distanza efficace della lesione può raddoppiare in prossimità dell’osso rispetto al muscolo isolato suggerisce la necessità di modelli sperimentali che includano sistematicamente interfacce osso–muscolo per regioni come la colonna vertebrale.
Un secondo ambito di sviluppo riguarda la combinazione di tecniche di mappatura termica ad alta risoluzione con metodiche di imaging avanzato, come la risonanza magnetica, per correlare in modo tridimensionale la distribuzione delle isoterme con le modificazioni tissutali. È stato descritto un protocollo di risonanza magnetica per la quantificazione del volume e delle caratteristiche spaziali delle modificazioni tissutali dopo denervazione a radiofrequenza della regione dorsale sacroiliaca, che ha evidenziato un volume di tessuto alterato di 24,4 cm³ con morfologia tubulare e diametro medio di 11,7 mm, incorporando l’innervazione dorsale descritta. L’estensione di approcci simili ad altre sedi potrebbe migliorare la comprensione del rapporto tra parametri tecnici, geometria della lesione e coinvolgimento delle strutture bersaglio.
Un’ulteriore prospettiva riguarda la raffinazione delle strategie di amplificazione della lesione mediante modulazione fluida e design degli elettrodi. Gli studi ex vivo hanno mostrato che soluzioni saline a maggiore conducibilità possono aumentare in modo significativo l’area di ablazione e modificare la distribuzione della larghezza massima della lesione lungo il tip attivo, mentre l’uso di corticosteroidi prima della lesione tende a ridurne le dimensioni. La ricerca futura potrebbe concentrarsi sull’identificazione di combinazioni di fluidi e configurazioni elettrodiche che massimizzino l’efficacia ablativa mantenendo un profilo di sicurezza favorevole, tenendo conto delle discrepanze già osservate tra risultati ex vivo e in vivo.
Infine, lo sviluppo di elettrodi direzionali e multitined, insieme a sistemi raffreddati internamente, offre un ampio spazio per l’ottimizzazione della forma e dell’orientamento delle lesioni in funzione di specifici pattern anatomici. Gli studi esistenti hanno già documentato la capacità di questi dispositivi di generare lesioni di grande volume, direzionali e termicamente stabili, con buona corrispondenza tra isoterme critiche e margini di coagulazione visibile. Ulteriori ricerche potrebbero esplorare configurazioni ancora più personalizzate, integrate con tecniche di guida e feedback termico in tempo reale, per adattare la geometria della lesione al singolo paziente e al singolo target nervoso, mantenendo al contempo un elevato livello di controllo e riproducibilità.
Sources (Bibliography)
- Comparisons of Lesion Volumes and Shapes Produced by a Radiofrequency System with a Cooled, a Protruding, or a Monopolar Probe, 2017.
- Wright RE, Allan KJ, Kraft M, Holley BR. Radiofrequency Ablation Using a Novel Multitined Expandable Electrode: Device Description and Research Study, 2012.
- Cohen SP, et al. Consensus practice guidelines on interventions for lumbar facet joint pain. Reg Anesth Pain Med, 2020.
- MRI Protocol for Analysis of Tissue Ablation Following Dorsal SIJ Radiofrequency Denervation, 2013.