Primerjava modelov električne prevodnosti tkiva med elektroporacijo in analiza negotovosti pri napovedovanju ireverzibilne elektroporacije

Azdejković, Marija (author), Kos, Bor (mentor), Cindrič, Helena (comentor)

V magistrskem delu smo preučili vpliv različnih modelov spreminjanja električne prevodnosti tkiva med elektroporacijo na rezultate modeliranja pri klinično pomembnih aplikacijah elektroporacije, zlasti pri ireverzibilni elektroporaciji in ablaciji pulznega polja. Osredotočili smo se na tri glavne sklope: (i) analizo različnih modelov električne prevodnosti, (ii) analizo negotovosti numeričnega modela ter (iii) vpliv izbranega modela prevodnosti na določitev praga smrtonosnega električnega polja (angl. lethal electric field threshold, LET) za ablacijo s pulzirajočim poljem. Za numerične simulacije smo uporabili poenostavljen tridimenzionalni model jetrnega tkiva v okolju COMSOL Multiphysics, pri čemer smo primerjali stacionarni model električne prevodnosti s dinamičnimi modeli, ki vključujejo odvisnost prevodnosti od električnega polja. Ugotovili smo, da izbira modela prevodnosti pomembno vpliva na napoved volumnov elektroporacije in ablacije, kar ima ključen pomen za načrtovanje zdravljenja. Za oceno negotovosti smo uporabili Morrisovo metodo analize negotovosti. Analiza je pokazala različni strukturi negotovosti obeh modelov dinamične prevodnosti. Pri modelu z zglajeno Heaviside funkcijo je prevladoval parameter E0, ki določa začetek povečevanja prevodnosti, pri sigmoidnem modelu pa je bil vpliv enakomerneje porazdeljen med parametroma σ0 in σ1, ki opisujeta prevodnost pred in po elektroporaciji. Rezultati izpostavljajo ključne parametre za zmanjšanje negotovosti numeričnega modela. V tretjem delu smo razvili poenostavljen računalniški model za določitev praga smrtonosnega električnega polja (LET) pri ablaciji s pulzirajočim poljem. Model smo zgradili na podlagi eksperimentalnih podatkov iz literature, kar je omogočilo robustno oceno LET za različne modele prevodnosti. Izbira modela električne prevodnsoti je pomembno vplivala na ocenjeno vrednost LET, pri čemer so vsi mdoeli kljub razlikam dosegli preimerljivo visoko ujemanje z eksperimentalnimi lezijami. Rezultati zato kažejo, da LET ni univerzalna lastnost tkiva, temveč je odvisen od uporabljenenega modela prevodnosti. Rezultati magistrskega dela prispevajo k boljšemu razumevanju vloge električne prevodnosti, negotovosti parametrov in pragov električnega polja pri elektroporaciji ter ponujajo izhodišče za zanesljivejše načrtovanje kliničnih postopkov, kot sta elektrokemoterapija in ablacija s pulzirajočim poljem.

• Language: Slovenian
• Keywords: elektroporacija, ablacija s pulzirajočim poljem, numerično modeliranje, električna prevodnost, analiza negotovosti, prag električnega polja, magisteriji
• Work type: Master's thesis/paper
• Typology: 2.09 - Master's Thesis
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Place of publishing: Ljubljana
• Publisher: M. Azdejković
• Year: 2026
• Number of pages: 1 spletni vir (1 datoteka PDF (XVI, 51 str.))
• PID: 20.500.12556/RUL-183279
• UDC: 621.3:602.621(043.3)
• COBISS.SI-ID: 282453251
• Publication date in RUL: 10.06.2026

Secondary language

• Language: English
• Title: Comparison of tissue electrical conductivity models during electroporation and analysis of uncertainty in predicting irreversible electroporation

Abstract

In this master’s thesis, we examined the influence of different models of tissue electrical conductivity changes during electroporation on the results of numerical modelling in clinically relevant electroporation applications, particularly irreversible electroporation and pulsed-field ablation. The work was structured around three main parts: (i) analysis of different electrical conductivity models, (ii) uncertainty analysis of the numerical model, and (iii) the influence of the selected conductivity model on the determination of the lethal electric field threshold (LET). A simplified three-dimensional liver tissue model was implemented in COMSOL Multiphysics, where we compared a stationary conductivity model with field-dependent models. Our findings demonstrated that the choice of conductivity model strongly influences the predicted volumes of electroporation and ablation, which is crucial for treatment planning. To evaluate uncertainty, we applied the Morris sensitivity analysis method. The analysis revealed different sensitivity structures for the two dynamic conductivity models. In the smoothed Heaviside function model, the dominant parameter was E0, which defines the onset of conductivity increase, whereas in the sigmoid model, the influence was more evenly distributed between σ0 and σ1, which describe conductivity before and after electroporation. The results highlight the key parameters for reducing uncertainty in the numerical model. In the third part, we developed a simplified computational framework to determine the lethal electric field threshold (LET) in pulsed-field ablation. Using experimental lesion data from the literature, the model achieved robust LET estimations across different conductivity models. The choice of electrical conductivity model significantly influenced the estimated value of LET, while all models, despite their differences, achieved comparably high agreement with the experimental lesions. The results therefore indicate that LET is not a universal tissue property, but rather depends on the conductivity model used. Overall, this thesis enhances the understanding of electrical conductivity, parameter sensitivity, and electric field thresholds in electroporation, while providing a foundation for more reliable clinical treatment planning in applications such as electrochemotherapy and pulsed-field ablation.

• Keywords: electroporation, pulsed-field ablation, numerical modelling, electrical conductivity, uncertainty analysis, lethal electric field threshold