Curare il cuore con la matematica? La risposta arriva dalla medicina computazionale

Per riparare un cuore malato si può cercare la risposta nei modelli matematici.  Potrebbe sembrare un’utopia, eppure il Politecnico di Milano lavora già da qualche anno a questo progetto.

 

iHeart, che significa letteralmente “integrated heart model for the simulation of the cardiac function”. Un progetto sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca (Erc) e che rappresenta uno dei primi tentativi di creare un modello matematico del cuore, compreso di tutti i processi fisiologici che formano questa macchina così complessa.

Impulsi elettrici, meccanici e processi di fluidodinamica. Una vera e propria sinergia tra medicina e ingegneria con l’obiettivo di avanzare nella medicina di precisione e trovare soluzioni specifiche per il singolo paziente.

I PRIMI RISULTATI INTERESSANTI

Grazie ai modelli matematici sviluppati da iHeart, è stato possibile ottenere valutazioni quantitative sui fattori che favoriscono l’innesco e il mantenimento di aritmie. L’aritmia è un’alterazione del ritmo cardiaco, per la quale il battito risulta irregolare, con momenti di aumento (tachicardia), di diminuzione (bradicardia) o di assoluta irregolarità rispetto alla velocità media. Le cure disponibili dipendono dal tipo di aritmia con cui si ha a che fare. Per una cura completa, i medici si rifanno all’uso delle radiofrequenze, che consentono operazioni di “bruciatura” delle aree patologiche, con lo scopo di renderle inattive.

Quindi, come possono aiutare i modelli matematici? In collaborazione con l’Ospedale San Raffaele di Milano, i ricercatori del Politecnico sono riusciti a consolidare gli strumenti già utilizzati nelle terapie convenzionali, migliorando la localizzazione delle zone d’intervento. Inoltre, in fase d’incubazione, ci sono algoritmi sempre più rapidi, che velocizzeranno il processo decisionale in modo netto.

La simulazione matematica, quindi, consente di avere un modello personalizzato in base ai dati del paziente. Inserendosi nella fase pre-operatoria, fornisce  ai medici uno strumento efficace di supporto, non invasivo e a bassissimo costo.

La matematica applicata al cuore, verso la medicina computazionale

 

 

REALIZZAZIONE DI UN MODELLO DI CUORE VIRTUALE

Per essere clinicamente utile, il modello deve rappresentare l’anatomia unica dell’individuo. Si parte perciò dalla risonanza magnetica del paziente (MRI) , da cui si ottengono immagini che rappresentano delle “fette” di cuore. Si usano tecniche di elaborazione delle immagini per identificare il tessuto muscolare nelle pareti delle camere del cuore e per mappare il tessuto cicatriziale della regione di cuore danneggiata.

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Modello di tessuto cicatriziale che determina l’andamento elettrico dei segnali che si muovono attraverso il cuore

Si prosegue utilizzando queste informazioni per costruire un modello geometrico e infine ci si serve delle immagini ottenute per stimare l’orientamento delle fibre muscolari. Bisogna rappresentare l’attività a livello cellulare e molecolare, in cui gli scambi ionici attraverso le membrane delle cellule cardiache innescano le contrazioni e le correnti fluiscono da cellula a cellula.

Il risultato è un modello di cuore che può essere paragonato a Google Earth: “Pensare ad esso come “Google Heart” ci permette di aumentare e diminuire il livello di dettaglio, così da poter esaminare gli aspetti fisiologici anche a livello di tutto l’organo”, come sostiene la dottoressa Trayanova.

ALTRE APPLICAZIONI

Questo modello di cuore virtuale può essere utilizzato anche per altre applicazioni in ambito cardiologico. La Trayanova ed il suo team, infatti, stanno testando la prima applicazione clinica dei loro modelli. L’intenzione è quella di costruire un modello tridimensionale del cuore con il quale poter esaminare le “stranezze” strutturali ed eseguire quindi alcuni test sul modello ottenuto, per analizzare tutte le possibili aritmie che potrebbero svilupparsi nel cuore.

Dopodiché il medico, grazie ai risultati ottenuti dai test e dalla simulazione, sarebbe in grado di distruggere la minima quantità di tessuto necessaria per eliminare il problema. Questo metodo permetterebbe sicuramente di abbreviare in modo significativo le varie procedure e di ridurre esponenzialmente le complicanze.

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Lo sviluppo in successione del modello 3D

Il primo studio retrospettivo alla Johns Hopkins è stato promettente.

Per convalidare definitivamente questo metodo ed ottenere il via libera per l’utilizzo in ambito clinico, il team della Trayanova sta ora realizzando cuori virtuali personalizzati per pazienti che hanno subito un attacco cardiaco dopo l’intervento e che presentano una frazione di eiezione maggiore del 35%, dunque non esposti a gravi rischi di aritmie secondo il metodo di previsione standard. Le raccomandazioni cliniche per questi pazienti sono davvero molto scarse, ma il team è in grado di gestire le simulazioni ed effettuare previsioni.

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