Emodinamica e nuove tecniche di imaging cardiaco

Lavoro di tesi che mette a confronto una tecnica affermata nel campo della diagnostica cardiaca, come la coronarografia e il cateterismo cardiaco, con tecniche di ultima generazione quali cardio-TC e cardio-RM.

Analisi della propagazione elettrica nel tessuto cardiaco mediante simulazione numerica implementata su GPU

Il segnale elettrico si propaga nel tessuto cardiaco attraverso gap-junctions che si trovano tra i miociti cardiaci e in ciascuno di essi si avvia un processo chiamato potenziale d'azione (PA). In questa tesi prenderò in considerazione il modello Luo-Rudy 1991 e il difetto oggetto di studio sono le Early Afterdepolarizations (EADs). Si analizzerà la propagazione del potenziale d’azione in un cavo di 300 cellule. Dopo alcune simulazioni preliminari è emersa l’utilità di trovare una soluzione che permettesse di ridurre i tempi di calcolo, il modello è stato quindi implementato in CUDA. Il lavoro è stato sviluppato nei seguenti step: 1) l’impiego dell’ambiente di calcolo MATLAB per implementare il modello, descrivendo ogni cellula attraverso il modello Luo-Rudy 1991 e l’interazione elettrica inter-cellulare, considerando un cavo di 300 cellule; 2) individuazione dei parametri che, adeguatamente modificati, sono in grado di indurre EADs a livello single cell; 3) implementazione del modello in CUDA, creando uno strumento che potrà essere utilizzato per aumentare notevolmente il numero delle simulazioni nell’unità di tempo; 4) messa a punto di un criterio per valutare in modo conciso la bontà (safety factor) della relazione source-sink. L’utilità di un simile criterio è quella di valutare, sia nel caso di propagazione di AP che in quello di eventuale propagazione di EADs, la propensione alla propagazione in un tessuto. Il primo capitolo descriverà il potenziale d’azione, il modello usato e la teoria del cavo. Il secondo capitolo discuterà l’implementazione del modello usato, descriverà CUDA e come il modello sia stato implementato. Il terzo capitolo riguarderà i primi risultati ottenuti dalle simulazioni e come la variazione dei parametri influisce sulla forma delle EADs. L’ultimo capitolo approfondirà i requisiti necessari per far avvenire una propagazione in un cavo.

L'epcidina e il suo ruolo nell'omeostasi del ferro a livello cardiaco.

L’epcidina (HAMP) è un ormone peptidico coinvolto nella regolazione sistemica dell’omeostasi del ferro e risulta essere espresso anche a livello cardiaco. Questo studio è stato condotto per approfondire le conoscenze riguardo al ruolo dell’epcidina e dei geni regolatori del ferro e il loro coinvolgimento nella patologie cardiache. Sono stati condotti studi sull’atassia di Friedreich (FRDA), una patologia neurodegenerativa caratterizzata dallo sviluppo di una cardiomiopatia da sovraccarico di ferro. A tale scopo, sono stati derivati cardiomiociti da cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSCs) di un paziente affetto da FRDA e da un soggetto sano (Ctr) e in queste cellule è stata analizzata l’espressione del gene HAMP. I risultati ottenuti hanno evidenziato un aumento significativo dell’espressione genica di HAMP nei cardiomiociti FRDA rispetto ai controlli. Parallelamente, l’espressione genica di HAMP e di altri geni regolatori del ferro è stata analizzata in un modello animale murino sottoposto a ipossia intermittente (IH) e a un danno ischemico indotto dalla legatura coronarica (LAD). Nel gruppo di topi normossici sottoposti alla legatura coronarica (Normo LAD) è stata evidenziato un aumento dell’espressione genica di HAMP simile a quello riscontrato nei cardiomiociti FRDA, suggerendo che questo gene potrebbe essere indotto in presenza di un danno cardiaco. Inoltre, l’espressione della ferritina, una proteina coinvolta nello storage del ferro con attività antiossidante, rimane invariata nei topi sottoposti a un danno cardiaco come la LAD, mentre risulta essere aumentata nei topi sottoposti a IH. Pertanto, l’aumento di espressione della ferritina potrebbe contribuire ai meccanismi di cardioprotezione indotti dall’ipossia intermittente. I risultati di espressione genica ottenuti in questo studio saranno validati mediante studi di espressione proteica.

Indicatori di rischio di scompenso cardiaco in pazienti con dispositivi impiantabili e in monitoraggio remoto

L'incidenza complessiva dell'insufficienza cardiaca a livello globale sta aumentando, sia a causa della crescente aspettativa di vita per i pazienti che ricevono una diagnosi, sia per un progressivo invecchiamento della popolazione. Nonostante i continui progressi clinici, questa patologia continua ad avere una alta mortalità e a causare una forte sintomatologia nei pazienti che ne sono affetti. Per questo motivo e per il forte peso che questa patologia ha sulla sanità si è reso necessario cercare di prevenire eventi di scompenso cardiaco o di peggioramento della condizione di insufficienza cardiaca. Questo elaborato si sofferma inizialmente sull'insufficienza cardiaca, sulla sua patologia, le sue classificazioni, la sua epidemiologia e sui dispostivi impiantabili utilizzati nel trattamento di quest'ultima. Successivamente sono stati analizzati cinque studi clinici longitudinali, di cui uno monoparametrico e gli altri multiparametrici, caratterizzati dal monitoraggio remoto di alcuni parametri vitali con l'obiettivo di individuare, e quindi prevenire, eventi avversi o un peggioramento della condizione di insufficienza cardiaca.

Dispositivi organ-on-chip per l' ingegnerizzazione di tessuto cardiaco destinato allo screening farmacologico

Negli ultimi anni, nell' ambito dell' ingegneria dei tessuti, ha avuto un rapido aumento la generazione di tessuti cardiaci miniaturizzati, per lo studio della fisiologia cardiaca e delle patologie. In questa tesi, viene analizzato un processo di realizzazione di un dispositivo heart-on-a-chip recentemente pubblicato da Jayne et al. Per il processo di fabbricazione dei dispositivi è stata utilizzata una combinazione di Soft Lithography e Direct Laser Writing (DLW). Quest' ultima, in particolare, ha fornito due importanti caratteristiche ai dispositivi deputati alla semina cellulare: una struttura curva lungo l’ asse verticale e strutture 3D di diverse altezze sullo stesso piano. Tramite DLW sono stati realizzati anche precisi punti di adesione per le cellule staminali pluripotenti indotte, che hanno consentito di controllare la geometria dei tessuti ingegnerizzati. In particolare, oltre al processo di fabbricazione, in questo lavoro vengono anche illustrate le procedure necessarie al fine di calibrare i microsensori utilizzati per monitorare i costrutti. La prima fase della calibrazione si occupa di determinare la responsività meccanica dei sensori di spostamento, mentre la seconda valuta quella dei sensori elettrici, deputati alla conversione di spostamenti in variazioni di resistenza elettrica.

Dispositivi impiantabili per il pacing cardiaco: dai dispositivi elettronici al Biopacemaker

Nel seguente elaborato viene trattata la tematica del pacemaker, vista in prima battuta come funzione di autogenerazione elettrica da parte del cuore, con la descrizione dei fenomeni fisiologici alla base di questo fenomeno. Poi successivamente viene data una panoramica sugli studi che hanno portato alla realizzazione dei primi prototipi o dispositivi elettronici utili a sopperire a mancanze o a disturbi legati al sistema di conduzione. In particolare, si evidenzia come la sede dello stimolo, ovvero il nodo senoatriale, sia stata in modo efficiente sostituito da apparecchi biocompatibili e facilmente impiantabili, poiché di piccole dimensioni. Tuttavia, a causa, ad esempio, di alcuni limiti imposti dal consumo di potenza o dal degradarsi della batteria, ci si è chiesti se si potessero trovare delle alternative, altresì utili, per il ripristino dell’attività cardiaca. Per queste ragioni, come suggerito dal titolo, la trattazione di questo elaborato va ad incentrarsi su un ambito diverso ma complementare, quello biologico; in particolare, vengono messi in luce i principali approcci che si sono susseguiti nel corso dei decenni nello studio e nella ricerca per il ripristino dell’autostimolazione del battito, come alternative o compartecipazione, all’impianto di dispositivi elettronici. Viene messo il focus sul concetto di Biopacemaker, il quale riassume la commistione che c’è stata e che tuttora si cerca di fortificare tra l’ambito elettronico e quello legato alla biologia, alla genetica ed all’ingegneria tissutale.

Conversione a OpenCL di un simulatore cardiaco parallelo

In questa tesi discuteremo come è possibile effettuare la traduzione di un software parallelo scritto in linguaggio CUDA ad uno in linguaggio OpenCL. Tratteremo le tecnologie utilizzate per lo sviluppo di un simulatore cardiaco parallelo e discuteremo in particolar modo come derivare da queste una versione che ne permetta l’esecuzione su schede video e processori arbitrari. Questa versione verrà messa poi a confronto con quelle già esistenti, per analizzarne prestazioni ed eventuali cambiamenti strutturali del codice. Quanto affermato sopra è stato possibile in gran parte grazie ad un wrapper chiamato SimpleCL pensato per rendere la programmazione OpenCL simile a quella in ambiente CUDA. OpenCL permette di operare con le unità di calcolo in maniera molto astratta, ricordando vagamente i concetti di astrazione di memoria e processori della controparte NVIDIA. Ragionevolmente SimpleCL fornisce solamente una interfaccia che ricorda chiamate CUDA, mantenendo il flusso sottostante fedele a quello che si aspetterebbe OpenCL.

Valutazione dell'efficacia dell'elettrocatetere ventricolare sinistro quadripolare nella terapia di resincronizzazione cardiaca

La terapia di resincronizzazione cardiaca (CRT) si è imposta negli ultimi dieci anni come l'alternativa migliore all'approccio farmacologico primario nella cura allo scompenso cardiaco: la stimolazione biventricolare utilizzando un elettrocatetere in ventricolo sinistro si è infatti rivelata uno dei metodi più efficaci per migliorare la dissincronia ventricolare negli stadi più avanzati anche nei pazienti che necessitano di una stimolazione continua e permanente come coloro che sono stati sottoposti ad ablazione del nodo AV. Esistono diversi punti irrisolti su cui la ricerca sta ancora lavorando per poter ottimizzare questa terapia, in particolar modo la percentuale (circa il 25-30%) dei pazienti in cui non si registrano miglioramenti dovuti alla terapia. Questa tesi, proposta dall'azienda St.Jude Medical Inc., segue la costruzione di un registro osservazionale per poter valutare l'efficacia della tecnologia quadripolare di ultima generazione. Dai dati emersi, la possibilità di programmare dieci diversi vettori di stimolazione contro i tre offerti dagli attuali dispositivi bipolari permette una maggiore libertà nel posizionamento dell'elettrocatetere ventricolare sinistro e una più semplice gestione delle complicanze come la stimolazione del nervo frenico (PNS), oltre a strutturare una terapia più specifica a seconda della risposta del paziente; inoltre la tecnologia quadripolare ha evidenziato migliori prestazioni in sede di impianto – tempi minori, più percentuali di successo e maggiori possibilità di posizionamento del catetere in zona ottimale con buoni valori di soglia – e meno interventi in seguito a complicanze. Il miglioramento della percentuale dei responder non è stato particolarmente significativo e necessita di ulteriori studi, ma è comunque incoraggiante e mostra che un numero più alto di configurazioni di stimolazione può essere una soluzione ottimale per la ricerca di una cura personalizzata, specialmente verso quei pazienti che durante l'impianto verrebbero esclusi per mancanza di stimolazioni corrette e possono, in questo modo, rientrare nella terapia fin dall'inizio.

Studio dei parametri che determinano la gittata sistolica e la pressione aortica

La stesura di questo elaborato di tesi trova le basi sull’articolo di Stergiopulos et al. “Determinants of stroke volume and systolic and diastolic aortic pressure” pubblicato sulla rivista americana American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology nel 1996. Si cerca di investigare sull’importanza che ricoprono alcuni parametri che descrivono il muscolo cardiaco e l’albero arterioso e sulla loro rispettiva influenza sulla pressione sistolica, pressione diastolica e sul volume di sangue eiettato in un battito, ovvero la gittata sistolica. Si procede con la descrizione in dettaglio della funzionalità cardiaca mediante il modello ad elastanza tempo variabile e il modello windkessel a tre elementi simulando così la contrazione ventricolare e l’albero arterioso sistemico. In dettaglio per quanto riguarda la struttura dell’elaborato è bene specificare che l’analisi teorica affrontata nei primi due capitoli ha l’obiettivo primario di: 1) chiarire i principali e caratteristici meccanismi che si trovano alla base della funzionalità cardiaca e procedere quindi con i richiami relativi alla fisiologia del sistema cardio-circolatorio facendo particolare attenzione al concetto di ciclo cardiaco, ciclo pressione-volume e fattori che determinano la funzionalità cardiaca in dettaglio; 2)illustrare quelli che sono i principali modelli di riferimento presenti in letteratura che descrivono la contrazione del ventricolo sinistro in termini di analisi pressione-volume ventricolari istantanei. Dal terzo capitolo in avanti si prosegue verso quello che è il vivo della trattazione dell’articolo di riferimento, nel capitolo appena citato si fa luce sui dettagli che caratterizzano il modello matematico utilizzato per approssimare al meglio il sistema cuore-sistema arterioso e sull’applicazione della teoria dell’analisi dimensionale mediante l’utilizzo del Teorema di Buckingham al fine di ricavare i parametri di interesse. Nel quarto capitolo si riportano i risultati dello studio con annessa validazione del modello e la sua applicazione rispetto al caso umano. Il quinto capitolo è sede della discussione dei risultati ottenuti cercando di far luce sull’universalità e applicabilità delle formule empiriche ottenute e su eventuali limitazioni e implicazioni riscontrabili. Tale elaborato si chiude con alcune conclusioni in merito allo studio effettuato.

Sistemi per il monitoraggio ecg domiciliare

È nata la necessità di trasferire nell’abitazione del paziente il percorso terapeutico, realizzando forme di assistenza a domicilio, che evitino da un lato il disagio dell’accesso alle strutture specialistiche, dall’altro che consentano di ridurre il carico di pazienti gestiti direttamente dalle strutture ospedaliere. Questi servizi sono in grado di favorire una delocalizzazione delle cure, decongestionando ospedali ed ambulatori. Questi sistemi di monitoraggio potranno così aiutare a risolvere una delle principali criticità del nostro servizio sanitario, ovvero la lunghezza delle liste d'attesa per le visite ambulatoriali,e contribuire a ridurre le spese per la loro erogazione. Nel mio elaborato discuto e analizzo due dispositivi in particolare il sensore BioHarness BH3 ed un prodotto innovativo studiato in Italia la MagIc.

Estrazione automatica di parametri fisiologici da registrazioni di potenziali d'azione cardiaci

Implementazione di uno strumento in Matlab in grado di analizzare i tracciati di potenziali d'azione cardiaci e di valutarne dei potenziali d'azione in risposta a variazioni di parametri del modello cardiaco della corrente di ripolarizzazione rapida di potassio.

Valutazione della stima della traiettoria dell'elettrodo in seno coronarico in pazienti sottoposti a terapia di resincronizzazione cardiaca

La tesi tratta della mancata efficacia della terapia di resincronizzazione cardiaca e valuta un metodo per poterne predire la futura efficacia o meno. Si propone ciò studiando la traiettoria 3D dell'elettrodo in seno coronarico e analizzando se le variazioni che la caratterizzano possono essere indicative di una futura risposta positiva alla terapia. Sono inoltre state apportate alcune modifiche al programma Matlab che ricostruisce la traiettoria 3D per eliminare alcune approssimazioni.