Electrolyte disorders in the human ventricle. A simulation study.

Ventricular cells are immersed in a bath of electrolytes and these ions are essential for a healthy heart and a regular rhythm. Maintaining physiological concentration of them is fundamental for reducing arrhythmias and risk of sudden cardiac death, especially in haemodialysis patients and in the heart diseases treatments. Models of electrically activity of the heart based on mathematical formulation are a part of the efforts to improve the understanding and prediction of heart behaviour. Modern models incorporate the extensive and ever increasing amounts of experimental data in incorporating biophysically detailed mechanisms to allow the detailed study of molecular and subcellular mechanisms of heart disease. The goal of this project was to simulate the effects of changes in potassium and calcium concentrations in the extracellular space between experimental data and and a description incorpored into two modern biophysically detailed models (Grandi et al. Model; O’Hara Rudy Model). Moreover the task was to analyze the changes in the ventricular electrical activity, in particular by studying the modifications on the simulated electrocardiographic signal. We used the cellular information obtained by the heart models in order to build a 1D tissue description. The fibre is composed by 165 cells, it is divided in four groups to differentiate the cell types that compound human ventricular tissue. The main results are the following: Grandi et al. (GBP) model is not even able to reproduce the correct action potential profile in hyperkalemia. Data from hospitalized patients indicates that the action potential duration (APD) should be shorter than physiological state but in this model we have the opposite. From the potassium point of view the results obtained by using O’Hara model (ORD) are in agreement with experimental data for the single cell action potential in hypokalemia and hyperkalemia, most of the currents follow the data from literature. In the 1D simulations we were able to reproduce ECGs signal in most the potassium concentrations we selected for this study and we collected data that can help physician in understanding what happens in ventricular cells during electrolyte disorder. However the model fails in the conduction of the stimulus under hyperkalemic conditions. The model emphasized the ECG modifications when the K+ is slightly more than physiological value. In the calcium setting using the ORD model we found an APD shortening in hypocalcaemia and an APD lengthening in hypercalcaemia, i.e. the opposite to experimental observation. This wrong behaviour is kept in one dimensional simulations bringing a longer QT interval in the ECG under higher [Ca2+]o conditions and vice versa. In conclusion it has highlighted that the actual ventricular models present in literature, even if they are useful in the original form, they need an improvement in the sensitivity of these two important electrolytes. We suggest an use of the GBP model with modifications introduced by Carro et al. who understood that the failure of this model is related to the Shannon et al. model (a rabbit model) from which the GBP model was built. The ORD model should be modified in the Ca2+ - dependent IcaL and in the influence of the Iks in the action potential for letting it him produce a correct action potential under different calcium concentrations. In the 1D tissue maybe a heterogeneity setting of intra and extracellular conductances for the different cell types should improve a reproduction of the ECG signal.

Modalita Nava come tecnica di monitoraggio e di ventilazione artificiale in terapia intensiva.

NAVA®, dall’inglese Neurally Adjusted Ventilatory Assist, è una tecnica di monitoraggio e di ventilazione e rappresenta una sofisticata innovazione tecnologica in quanto consente un’assistenza ventilatoria costantemente in armonia con le esigenze del paziente, grazie alla rilevazione diretta dell’attività elettrica del diaframma. Da un punto di vista pratico-operativo, NAVA è un modulo integrativo che si inserisce nelle apparecchiature di ventilazione già esistenti integrandone al meglio le funzionalità. A tale modulo è collegato un sondino nasogastrico nella cui parte distale vi sono elettrodi bipolari. Il sondino viene inserito nell’esofago vicino al diaframma e permette l’acquisizione del segnale Edi (Diaphragmatic Electrical Activity), relativo all’attività elettrica del diaframma. L’attività di quest ultimo è strettamente correlata alla dinamica respiratoria del paziente, in quanto il diaframma, contraendosi, determina il flusso d’aria all’interno delle vie aree. Il segnale Edi acquisito viene usato per interfacciarsi con il ventilatore e grazie speciali algoritmi, il segnale guida il ventilatore permettendo un’assistenza ventilatoria proporzionale e sincrona agli sforzi respiratori del paziente. NAVA è tra le nuove apparecchiature sanitarie ed elettromedicali che la Banca Popolare dell’Emilia Romagna ha recentemente donato al Centro Grandi Ustionati dell’Ospedale Bufalini di Cesena per un valore complessivo di oltre 120.000 euro. NAVA e gli altri strumenti donati sono apparecchiature di ultima generazione destinate a migliorare le possibilità di sopravvivenza dei pazienti più critici, con ustioni e ferite alla cute molto gravi, che necessitano di un’assistenza intensiva. In questo elaborato, nel Capitolo 1, viene presentata la Fisiologia dell’apparato respiratorio e a seguire, nel Capitolo 2, viene descritta la Ventilazione meccanica convenzionale, ancora oggi molto utilizzata. Successivamente, nel Capitolo 3 è illustrata la nuova modalità NAVA. Proseguendo, nel Capitolo 4 si apre un confronto tra le principali differenze tra la NAVA e le precedenti modalità di ventilazione. L’elaborato si conclude con la speranza che NAVA, un’innovazione senza precedenti, non sia limitata ad un investimento potenzialmente utile nel presente della terapia intensiva, ma che la ricerca ad essa correlata possa, in un imminente futuro, aprire la strada a nuove tecnologie ancora più efficienti nella salvaguardia dei pazienti in terapia intensiva.