I primi risultati del modello matematico per studiare il cuore

Il progetto “iHEART”, del Politecnico di Milano e coordinato da Alfio Quarteroni, sfrutta un modello matematico per lo studio del comportamento del cuore umano per dare risposte alle sue patologie: dalle aritmie alla cardiomiopatia ipertrofica ostruttiva

modello matematico cuore

Arrivano i primi risultati del progetto “iHEART”, del politecnico di Milano, per realizzare un modello matematico completo per lo studio del comportamento del cuore umano e delle sue patologie. Una sorta di “microscopio virtuale”, in cui siano integrati tutti i processi della funzione cardiaca: la propagazione dell’impulso elettrico, l’attivazione cellulare, la contrazione e il rilassamento del miocardio durante le fasi sistolica e diastolica, la fluidodinamica nel sangue nei ventricoli e negli atrii, la dinamica di apertura e chiusura delle quattro valvole cardiache.

Coordinato da Alfio Quarteroni

Il progetto, vincitore di ERC Advanced Grant nel 2018, è coordinato da Alfio Quarteroni, uno dei più poliedrici matematici del mondo, famoso per aver applicato la matematica ai campi più svariati: l’industria aerospaziale, l’inquinamento ambientale, l’impatto di terremoti su strutture civili, la progettazione urbana, la medicina, perfino lo sport da competizione. In particolare, ha partecipato alla realizzazione dell’aereo ad energia solare Solar Impulse e ha diretto il team di ricercatori che hanno realizzato il modello matematico di Alinghi, l’imbarcazione svizzera che ha vinto per due volte consecutive la prestigiosa America’s Cup, la Coppa America di Vela, nel 2003 e 2007.

Le prime prove sul campo

Per quanto riguarda iHEART, le ricerche sviluppate finora hanno già permesso di rendere operativi alcuni moduli. Dagli studi di fattibilità si è passati alle prime prove sul campo, in cui matematici e medici lavorano fianco a fianco nella ottimizzazione di questi nuovi strumenti all’interno di delicate procedure di intervento per far fronte ad alcune patologie cardiache di grande rilevanza.

La aritmie

Per esempio, grazie ai modelli matematici sviluppati in iHEART, è stato possibile produrre indicazioni quantitative sui fattori che favoriscono l’innesco e il mantenimento di aritmie, come la tachicardia ventricolare. Le tradizionali modalità di intervento consistono nell’effettuare ablazioni trans-catetere, che permettono, tramite l’erogazione di radiofrequenza, di rendere inattive le aree anomale che causano l’aritmia. In collaborazione con l’unità di aritmologia ed elettrofisiologia cardiaca dell’IRCCS Ospedale San Raffaele di Milano, si è verificato come la matematica cardiaca riesca a supportare e a consolidare lo studio elettrofisiologico nella localizzazione delle zone di intervento sulla parete del cuore. Sono inoltre in avanzata fase di sviluppo algoritmi sempre più rapidi, che consentiranno di effettuare questo tipo di analisi in tempo reale, velocizzando in maniera significativa il processo decisionale dell’intervento.

La cardiomiopatia ipertrofica ostruttiva

In collaborazione con l’Ospedale Sacco di Milano, invece, è in corso di sviluppo un modello che fornisce indicazioni precise al cardiochirurgo su come effettuare la miectomia (rimozione) di una porzione del setto interventricolare, mediante un’analisi non invasiva e a bassissimo costo. Questo trattamento è il più usato per curare la cardiomiopatia ipertrofica ostruttiva, che consiste nell’ispessimento del setto a tal punto da rendere difficoltosa l’espulsione del sangue dal ventricolo sinistro nell’aorta ascendente. La simulazione matematica si inserisce nella fase pre-operatoria, ed è stata considerata dai medici come efficace strumento di guida per il delicato intervento.

Risincronizzare il cuore

Un ulteriore strumento computazionale è stato sviluppato in collaborazione con la cardiologia e radiologia dell’Ospedale S. Maria del Carmine di Rovereto (Tn), riguardo all’ottimizzazione della terapia di risincronizzazione cardiaca (Crt) che consiste nell’impianto di un device in grado di ripristinare la corretta sincronia del battito cardiaco compromessa da disturbi di conduzione o dalla presenza di cicatrici. A tal fine i cardiologi devono effettuare un mappaggio del ventricolo sinistro per rilevarne l’attività elettrica, che consiste nell’inserimento di un catetere-elettrodo attraverso i vasi della circolazione. Lo strumento matematico, attualmente validato, permetterà di ridurre considerevolmente il tempo di mappaggio e quindi i tempi di esposizione del paziente ad un trattamento invasivo, e di guidare il posizionamento del catetere nel posto più curativo per il paziente scompensato.

Una nuova disciplina

iHEART ha aperto nuovi orizzonti fra matematica e medicina traslazionale e ha istituito un’azione coordinata e sistematica fra Università e ospedali creando una nuova figura professionale all’interfaccia fra matematica, bioingegneria, medicina e data science. “Grazie a tutte le nuove collaborazioni cliniche e all’attività integrata dei nostri giovani ricercatori con quella dei ricercatori operanti presso strutture ospedaliere, riteniamo di riuscire a tracciare una pista importante in Italia in una disciplina nuova, la medicina computazionale”, commenta Quarteroni.