La matematica al servizio del cuore
Giunto al terzo anno, il Progetto “iHEART” del Politecnico di Milano, vincitore di una sovvenzione avanzata del CER di 2.350.000 euro, si è prefissato l’obiettivo ambizioso di creare un modello matematico completo per studiare il comportamento del cuore umano e delle sue patologie , una sorta di “microscopio virtuale”, che integra tutti i processi della funzione cardiaca, ovvero la propagazione degli impulsi elettrici, l’attivazione cellulare, la contrazione e il rilassamento del miocardio durante la fase sistolica e diastolica, la dinamica dei fluidi del sangue in entrambi i ventricoli e gli atri e la dinamica di apertura-chiusura di le quattro valvole cardiache.
Le ricerche finora condotte hanno già permesso di avviare operazioni su alcuni sottoproblemi, che stanno attirando un notevole interesse nella comunità medica. Quindi, dagli studi di fattibilità, l’attenzione si è spostata sui primi test sul campo, in cui matematici e medici collaborano per ottimizzare questi nuovi strumenti nel quadro di delicate procedure chirurgiche volte a risolvere alcune importanti condizioni cardiache.
I modelli sviluppati dal progetto iHeart hanno portato alla produzione di indicazioni quantitative su fattori che contribuiscono a innescare e mantenere le aritmie, come la tachicardia ventricolare. I metodi chirurgici tradizionali consistono nell’esecuzione di ablazioni transcatetere, che consentono, tramite frequenze radio, di disattivare le aree anomale che causano l’aritmia. In collaborazione con l’Unità di Aritmologia e con l’Unità di Elettrofisiologia Cardiaca dell’IRCCS Ospedale San Raffaele di Milano, i ricercatori hanno verificato come la matematica cardiaca può sostenere e consolidare lo studio elettrofisiologico nella localizzazione delle aree di intervento sulla parete cardiaca. Algoritmi sempre più rapidi, che consentiranno di eseguire questo tipo di analisi in tempo reale, accelerando in modo significativo il processo decisionale relativo alla chirurgia, hanno anche raggiunto una fase avanzata di sviluppo.
Un modello è attualmente in fase di sviluppo in collaborazione con l’Ospedale Sacco di Milano, per fornire indicazioni precise al cardiochirurgo su come eseguire la miectomia di una porzione del setto interventricolare utilizzando un’analisi non invasiva a costi molto bassi.
Questo trattamento è quello più utilizzato per il trattamento della cardiomiopatia ostruttiva ipertrofica, che consiste in un ispessimento settale che rende difficile espellere il sangue dal ventricolo sinistro nell’aorta ascendente. La simulazione matematica viene inserita nella fase preoperatoria ed è stata considerata dai medici come un efficace strumento di guida per questa operazione chirurgica.
Un ulteriore strumento computazionale è stato sviluppato in collaborazione con i Dipartimenti di Cardiologia e Radiologia dell’Ospedale S. Maria del Carmine, Rovereto, per migliorare la terapia di risincronizzazione cardiaca, che consiste nell’impiantare un dispositivo in grado di ripristinare la corretta sincronizzazione del contrazione del cuore compromessa da disturbi della conduzione o dalla presenza di cicatrici. A tal fine, i cardiologi devono mappare il ventricolo sinistro per rilevare la sua attività elettrica inserendo un catetere-elettrodo nei vasi sanguigni. Lo strumento matematico attualmente validato consentirà di ridurre considerevolmente la durata della mappatura e, quindi, l’esposizione del paziente al trattamento invasivo, oltre a guidare il posizionamento del catetere nella posizione più curativa per il paziente che presenta insufficienza cardiaca.
Come mostrato da questi esempi, iHEART ha aperto nuovi orizzonti tra matematica e medicina traslazionale e ha stabilito un’azione coordinata e sistematica tra università e ospedali, creando una nuova figura professionale all’interfaccia tra matematica, bioingegneria, medicina e scienza dei dati.
“Come risultato di tutte le nuove partnership cliniche e dell’attività integrata dei nostri giovani ricercatori con quella dei ricercatori ospedalieri, apriremo la strada a una nuova disciplina, vale a dire la medicina computazionale, ”Sintetizza il Prof. Alfio Quarteroni, Project Manager.
Professore Alfio Quarteroni, Politecnico di Milano, Milano, Italia e Professore Emerito, EPFL, Losanna, Svizzera riconosciuto come uno dei matematici più sfaccettati al mondo, famoso per l’applicazione della matematica nei settori più diversi: industria aerospaziale, inquinamento ambientale, impatto dei terremoti su edifici civili, urbanistica, medicina e persino sport agonistici.
In particolare, ha partecipato alla produzione del velivolo Solar Impulse e ha diretto il team di ricercatori che hanno sviluppato il modello matematico per Alinghi, lo yacht svizzero due volte vincitore della prestigiosa America’s Cup, la Sailing Cup, per due edizioni consecutive della gara, nel 2003 e 2007.
