Parametric analysis of drug distribution during infusions into the brain using an axisymmetric model with backflow

Gustavo A. Orozco G., Joshua Howard Smith, José J. García

Resumen


Abstract ─ Convection-enhanced delivery as a means to deliver therapeutic drugs directly to the brain has shown limited clinical efficacy, primarily attributed to the phenomena of backflow, in which the infused fluid flows preferentially along the shaft catheter rather than forward into the tissue. We have previously developed a finite element model of backflow that includes both material and geometric nonlinearities and the free boundary conditions associated with the displacement of the tissue away from the external surface of the catheter. However, that study was limited to predictions of the tissue deformation and resulting convective fluid velocity in the interstitial space. In this study, we use results from that model to solve for the distribution of the infused therapeutic agent. We demonstrate that a significant percentage of the infused drug is not transported into the region of tissue located forward from the catheter tip, but instead is transported into the region along the lateral sides of the catheter. For lower flow rates, this study suggests that the use of a catheter with a larger radius may be preferable since it will provide the higher amount of drug to be transported to the tissue in front of the catheter. In contrast, for higher flow rates consistent with clinical infusions, the radius of the infusion catheter had minimal effect on the distribution of the infused drug, with most being transported into the tissue around the shaft of the catheter.

Resumen ─ Convection-enhanced delivery es una técnica que permite transportar drogas directamente en el cerebro para el tratamiento de enfermedades del sistema nervioso central. Este método ha mostrado una eficacia limitada debido principalmente al fenómeno de reflujo (backflow), según el cual, el fluido inyectado fluye preferiblemente a lo largo del catéter y no hacia el tejido delante de la punta. Previamente desarrollamos un modelo de elementos finitos para representar el reflujo, el cual incluye las no linealidades geométricas y del material y las condiciones de borde libre asociadas con el desplazamiento del tejido en la superficie externa del catéter. Sin embargo, ese modelo solo predice la deformación del tejido y el campo de velocidades en el espacio intersticial. En este estudio, hemos utilizado los resultados provenientes del mencionado modelo bifásico para resolver la ecuación de transporte de masa y predecir la distribución de droga suministrada. Se pudo demostrar que un porcentaje significativo de droga no penetra en el tejido ubicado delante de la punta del catéter, sino que es transportado hacia el tejido ubicado alrededor del catéter. Para bajo caudales, este estudio sugiere que el uso de un catéter con un radio mayor permitiría transportar una mayor cantidad de droga hacia el tejido al frente de la punta. Por otro lado, para los mayores caudales usados en la práctica clínica, el radio del catéter tiene un efecto marginal en la distribución del fármaco, y la mayor cantidad de droga se transporta hacia el tejido ubicado alrededor del catéter

 


Palabras clave


Keywords ─ Convection-enhanced delivery, Infusion drugs, Computational model, Mass transport, Brain tumors. Palabras clave ─ Entrega mejorada por convección, Infusión de drogas, Modelo computacional, Transporte de masa, Tumores Cerebrales.

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DOI: https://doi.org/10.24050/19099762.n16.2014.653

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