Modello matematico per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna

In questo lavoro di tesi si è realizzato un modello matematico con l’intento di fornire uno strumento per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna. L’ EECP (Enhanced External Counterpulsation) è un metodo non invasivo di assistenza cardiaca basato sull’applicazione di pressioni sincronizzate col ritmo cardiaco su determinate superfici corporee. I benefici della terapia su pazienti con sofferenze cardiache sono confermati dalle tabelle cliniche; rimane tuttavia non chiaro il legame diretto tra questi e la EECP. La base del lavoro è un modello della circolazione sanguigna adattato allo studio della situazione in esame e riprodotto mediante il software di calcolo Matlab. Il modello proposto e la relativa simulazione numerica permettono la visualizzazione istantanea delle modifiche che l’azione di contropulsazione apporta al flusso e alla pressione sanguigna, al fine di offrire un aiuto nella ricerca di un legame diretto tra la EECP e i benefici che questa terapia ha sul paziente.

Recente evoluzione tecnologica dei Defibrillatori Impiantabili per stimolazione cardiaca

Il cuore è uno dei principali organi vitali dell’organismo umano e la sua fisiologica attività è indispensabile per sostenere uno stile di vita conforme alle esigenze del singolo individuo. Le aritmie cardiache, alterazioni del ritmo, possono compromettere o limitare la vita di un paziente che ne è affetto. Specifiche aritmie cardiache vengono trattate con l’impianto di dispositivi cardiaci impiantabili, i defibrillatori, che generano una stimolazione elettrica nel tessuto cardiaco allo scopo di ripristinare un ritmo cardiaco fisiologico. Il presente elaborato descrive come tali dispositivi siano in grado di correggere le aritmie cardiache, garantendo la sicurezza del paziente e permettendogli di svolgere le normali attività quotidiane . Il primo capitolo andrà ad analizzare il cuore dal punto di vista anatomico e fisiologico per capirne il funzionamento non affetto da patologie. Il secondo capitolo concentrerà l’analisi sui defibrillatori impiantabili per stimolazione cardiaca (ICD), facendo luce sulla storia, sulle funzioni primarie,sui componenti interni,sulle patologie legate all’utilizzo,sulle tipologie presenti in commercio e sul metodo d’impianto. Il terzo capitolo è incentrato sul monitoraggio remoto degli ICD (home-monitoring), attraverso il quale il paziente può trasmettere per via transtelefonica al centro cardiologico di riferimento i dati tecnici e clinici desumibili dall’interrogazione del dispositivo impiantato, senza necessità di ricorrere al controllo ambulatoriale tradizionale. L’home-monitoring nei pazienti portatori di dispositivo impiantabile si è dimostrato efficace per l’individuazione di malfunzionamenti e di instabilità cliniche in misura sovrapponibile rispetto al controllo ambulatoriale tradizionale, offrendo però significativi vantaggi in termini di qualità della vita e di gestione delle risorse sanitarie. Infine saranno presentate le conclusioni di tale elaborato.

Nuovi cateteri di mappaggio ad alta risoluzione per lo studio della fibrillazione atriale

Il presente lavoro di tesi mira a fornire una panoramica delle tecnologie utilizzate in sala di elettrofisiologia che hanno permesso una riduzione dell’utilizzo del fluoroscopio e quindi della radiazioni ionizzanti per l’individuazione dei cateteri utilizzati durante le procedure. Infatti, si è presentato lo strumento che ha rivoluzionato il mondo della elettrofisiologia quale il sistema di mappaggio elettroanatomico. Esso consente la ricostruzione paziente-specifica dell’anatomia atriale o ventricolare e l’identificazione spaziale e temporale degli elettrogrammi durante un particolare ritmo cardiaco. Infatti questo viene utilizzato dal bioingegnere nelle procedure come l’ablazione transcatetere della fibrillazione atriale per guidare il clinico. Sebbene tale aritmia sia molto diffusa, i suoi meccanismi di mantenimento sono ancora in fase di studio. In particolare, tale tesi presenta la teoria dei rotori che sostiene che la fibrillazione atriale abbia un meccanismo di mantenimento basato su pattern di attivazione spiraliformi. Dato che i rotori possono essere definiti come singolarità di fase che soddisfano un'opportuna persistenza temporale, si è utilizzato un sistema di analisi di dati elettroanatomici (già utilizzato in precedenti casi di studio) in ambiente Matlab per la generazione delle mappe di fase e l’individuazione delle singolarità di fase. In particolare, si è studiata l’attività elettrica di un paziente affetto da FA persistente e sottoposto ad ablazione transcatetere, in due segmenti di acquisizione. Per raggiungere tale obiettivo, è stato utilizzato il catetere HD GRID e il sistema Ensite Precision della Abbott. L’esistenza dei rotori è ancora fortemente dibattuta dalla comunità scientifica, alcuni sostengono che siano artefatti introdotti dal movimento degli elettrodi del catetere durante le procedure. L’eventuale identificazione di rotori con un catetere ad elevata risoluzione, come nel caso in questione, confuterebbe la precedente teoria.

Dispositivi cardiaci impiantabili senza batteria: le nuove frontiere per l'autoalimentazione

Il testo esamina tre studi svolti nello sviluppo di sistemi di autoalimentazione per pacemaker e defibrillatori impiantabili, volti a risolvere il problema della longevità della batteria. Sono state inizialmente approfondite le modalità di generazione del battito cardiaco, regolato dal passaggio del potenziale d’azione e presentati i tipi di scompenso cardiaco esponendo le modifiche che questi causano alla forma d’onda dell’ECG. Successivamente sono state descritte le tecnologie adottate per trattare i disturbi del ritmo cardiaco, pacemaker e defibrillatori impiantabili. Vengono dunque introdotti gli studi che presentano le innovazioni più recenti che riguardano la possibilità di autoalimentare i dispositivi cardiaci impiantabili. Il primo mostra la realizzazione di un trasduttore di energia meccanica in elettrica che utilizza una lamina di materiale piezoelettrico. Tale dispositivo è stato testato con successo in vitro ed in vivo. Nel secondo studio viene invece sfruttato un dispositivo automatico di un orologio per convertire l’accelerazione generata dal cuore in energia elettrica. Sono stati realizzati tre prototipi ed eseguiti test in vitro ed in vivo. Il terzo studio si focalizza su una microturbina che sfrutta il flusso sanguigno per generare energia elettrica. È stato eseguito un test in vivo su un suino nel quale il sistema è stato connesso ad un pacemaker senza batteria. Questo è riuscito ad aumentare i battiti al minuto producendo più energia di quella necessaria, con il difetto della formazione di trombi. La tesi si conclude con una valutazione critica dei metodi illustrati e la proposta di potenziali sviluppi miglioramenti.

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.

Analisi del ruolo del ritmo alfa nell'attenzione attraverso un modello neurocomputazionale.

Negli ultimi anni, la ricerca scientifica nell’ambito delle neuroscienze cognitive ha sempre più focalizzato il suo interesse nei confronti dei ritmi cerebrali, ovvero oscillazioni neurali registrabili attraverso tecniche di elettrocenfalografia. In questo lavoro si è investigato il ruolo del ritmo alpha (7-12 Hz) e, in seconda misura, del ritmo gamma (> 30 Hz) rispetto all’attenzione spaziale selettiva. In particolare, partendo da modelli di massa neurale esistenti, si è riusciti a sviluppare un nuovo modello che riesce a simulare un compito di attenzione spaziale sulla base dell’inibition timing hypothesis, che assegna alle onde alpha un ruolo essenziale al fine di trascurare gli stimoli non rilevanti rispetto al compito da svolgere. Successivamente, è stato indagato l’effetto sul modello di alcune degenerazioni neurali tipiche di una delle patologie maggiormente invalidanti, la schizofrenia. Nello specifico, sulla base di evidenze sperimentali che riportano un calo della potenza delle onde gamma nei soggetti schizofrenici a causa della degenerazione degli interneuroni inibitori con dinamica sinaptica veloce, si è riusciti a simulare la progressiva alterazione neurale indotta dalla schizofrenia in termini di incapacità di inibire gli stimoli interferenti.

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.