La misura dell'impedenza locale con tecnologia Contact nello studio elettrofisiologico

Questo lavoro di Tesi Magistrale, si focalizza sulla più importante delle aritmie atriali, ovvero la Fibrillazione Atriale, e sul trattamento della stessa attraverso le procedure di ablazione a radio frequenza (RF). Il lavoro di tesi, svolto presso l'Ospedale 'M. Bufalini' di Cesena, affronta in particolare l'uso della tecnologia EnSite NavX (un sistema di mappaggio elettroanatomico delle cavità cardiache) ed EnSite Contact (un sistema basato sulla misura dell'impedenza locale per la valutazione del contatto elettrodo tessuto). L'acquisizione e l'analisi dei dati di ECI (indice di accoppiamento elettrico), forniti dal modulo Contact, hanno permesso di comprendere come questo parametro, derivato dalla misura dell'impedenza locale, possa contribuire a fornire importanti informazioni in real-time all'elettrofisiologo e come lo studio della sua dinamica, con particolare attenzione alle variazioni tra pre e post ablazione, possa risultare utile per verificare l'avvenuta erogazione di energia ai tessuti.

Realizzazione di un sistema di analisi dei dati elettroanatomici per l'analisi dei pattern di attivazione elettrica in pazienti affetti da fibrillazione atriale.

La fibrillazione atriale è l'aritmia maggiormente riscontrata nella pratica clinica. Nonostante l'ablazione transcatetere presenti risultati migliori rispetto alla terapia farmacologica, non è ancora chiaro se sia utile l'aggiunta di ulteriori lesioni in atrio, oltre a quelle delle vene polmonari, in maniera tale da aumentare la percentuale di successo della procedura. Infatti, poiché i meccanismi che portano all'insorgere dell'aritmia e in particolare che la sostengono ancora oggi non sono ben chiari, si sono sviluppate diverse teorie, tra cui quella dei Rotori, che consistono in pattern di stabile rotazione e diffusione intorno al loro punto di origine (pivot) e che si pensa possano essere i responsabili del sostentamento della fibrillazione atriale. Questo elaborato ha l'obiettivo di realizzare un sistema di analisi dei dati elettroanatomici con lo scopo di studiare l'attività elettrica dell'atrio, rivolgendo particolare attenzione all'individuazione di rotori.

Calcolo delle mappe di fase a partire da elettrogrammi in fibrillazione atriale

L'analisi di fase del segnale si presenta appropriata e di notevole efficacia per l'individuazione di attivazioni in fibrillazione atriale, in quanto permette la valutazione di come queste si generano e si propagano. Dopo aver ottenuto i dati relativi alle attivazioni, è possibile ricostruire delle mappe di fase atriale che possono essere utilizzate dal clinico per individuare i punti in cui cauterizzare. In questo lavoro di tesi sono stati utilizzati i segnali endocavitari atriali acquisiti con un catetere a contatto di nuova generazione per ottenere gli istanti di attivazione nelle diverse zone della camera atriale. I risultati dell'algoritmo messo a punto e testato su segnali in ritmo sinusale, sono stati confrontati con le performance di due metodi riportati in letteratura, evidenziando prestazioni migliori che potrebbero portare alla costruzione accurata delle mappe di fase e quindi ad una precisa localizzazione delle aree da cauterizzare durante la procedura di ablazione.

Studio e valutazione del legame tra rimodellamento elettrico e strutturale in Fibrillazione Atriale

La Fibrillazione Atriale (FA) è una delle aritmie più frequentemente riscontrate nella pratica clinica, ma i meccanismi che la generano e che la sostengono non sono ancora oggi ben chiari. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è indagare il substrato aritmogeno della FA con particolare attenzione al legame tra rimodellamento elettrico e strutturale. La tecnica di riferimento per la valutazione della fibrosi è la risonanza magnetica con iniezione di mezzo di contrasto e acquisizione ritardata. Tipicamente, però, la presenza di fibrosi viene valutata durante la procedura di ablazione transcatetere mediante l’analisi dei potenziali elettrici rilevati, considerando le zone a basso potenziale indicative della presenza di alterazioni strutturali. In questo lavoro sono stati elaborati dati di Risonanza Magnetica (RM), in particolare sequenze Angio-RM e DE-RM. Dalle sequenze Angio-RM è stato ricostruito un modello 3D paziente-specifico dell’atrio, mentre dalle sequenze DE-RM sono state ricavate informazioni relative alla presenza di tessuto atriale fibrotico. Al modello 3D è stata poi sovrapposta l’informazione sull’intensità di grigio del dato DE-RM per poter visualizzare la localizzazione delle zone di fibrosi sulla superficie 3D dell’atrio.
 Sono stati anche esportati dal sistema di mappaggio elettroanatomico EnSite NavX (St. Jude Medical) i dati relativi alla geometria dell’atrio e ai potenziali registrati durante lo svolgimento della procedura di ablazione. Da questi dati è stato possibile ricostruire in ambiente Matlab le mappe di voltaggio raffiguranti i potenziali registrati durante la procedura. Per poter studiare e valutare il legame esistente tra rimodellamento elettrico e strutturale, sono state confrontate le mappe di voltaggio e le superfici raffiguranti fibrosi.
 Questo lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con l’U.O. di Cardiologia dell’Ospedale Bufalini di Cesena e la St. Jude Medical.

Segmentazione automatica dell'atrio sinistro e valutazione della fibrosi atriale in risonanza magnetica

Questo lavoro di tesi si è svolto in collaborazione con le Unità Operative di Cardiologia e di Radiologia dell’ospedale “M. Bufalini” di Cesena e della St. Jude Medical, Inc., con l’obiettivo di sviluppare e implementare un metodo per l’identificazione e la valutazione della fibrosi atriale mediante risonanza magnetica in pazienti con fibrillazione atriale, candidati a procedura di ablazione. I pazienti sono stati sottoposti all’esame di risonanza magnetica (RM) angio per la valutazione della morfologia atriale e alla DE-MRI per l’identificazione e la visualizzazione delle zone di alto enhancement sulla struttura 3D dell’atrio sinistro, ossia le zone di alta intensità corrispondenti alla fibrosi. La struttura anatomica è utile all’elettrofisiologo per conoscere la morfologia dell’atrio e delle vene polmonari, permettendo quindi di minimizzare l’uso della fluoroscopia durante la procedura di ablazione. La conoscenza dei siti e della quantificazione della fibrosi è vantaggiosa per il medico per la pianificazione preoperatoria, in quanto nei pazienti con molta fibrosi non è sufficiente l’isolamento delle vene polmonari, ma si ottengono risultati migliori effettuando un’ablazione estensiva della parete atriale. Inoltre gli studi in letteratura hanno dimostrato che i pazienti con un’estensione di fibrosi superiore al 35% della superficie atriale, hanno una probabilità superiore al 50% di soffrire nuovamente di fibrillazione atriale dopo la procedura di ablazione; lo studio della fibrosi atriale vuole quindi essere un metodo per predire se l’ablazione avrà successo, oppure se è preferibile seguire indicazioni terapeutiche diverse. Il primo passo di questo lavoro è stata la registrazione delle immagini angio-RM e DE-MR mediante il software VolView. Successivamente si è implementato un programma in Matlab per segmentare in modo automatico l’atrio sinistro e si è visualizzata la struttura tridimensionale con la mappa cromatica della fibrosi utilizzando il software ParaView. Infine per validare questo lavoro si è effettuato un confronto qualitativo dei risultati ottenuti con il mappaggio elettro-anatomico acquisito mediante il sistema EnSite Velocity della St. Jude Medical, Inc. durante la procedura di ablazione transcatetere. Per eseguire questo confronto è stato necessario interfacciare il nostro lavoro con il sistema EnSite Velocity, con lo scopo di riuscire a visualizzare le mappe elettro-anatomiche sul nostro sistema e di importare la nostra struttura anatomica nel loro.

Studio e sviluppo di un metodo di detezione della camera atriale in ecografia intracardiaca

Il lavoro di tesi si è svolto in collaborazione con il laboratorio di elettrofisiologia, Unità Operativa di Cardiologia, Dipartimento Cardiovascolare, dell’ospedale “S. Maria delle Croci” di Ravenna, Azienda Unità Sanitaria Locale della Romagna, ed ha come obiettivo lo sviluppo di un metodo per l’individuazione dell’atrio sinistro in sequenze di immagini ecografiche intracardiache acquisite durante procedure di ablazione cardiaca transcatetere per il trattamento della fibrillazione atriale. La localizzazione della parete posteriore dell'atrio sinistro in immagini ecocardiografiche intracardiache risulta fondamentale qualora si voglia monitorare la posizione dell'esofago rispetto alla parete stessa per ridurre il rischio di formazione della fistola atrio esofagea. Le immagini derivanti da ecografia intracardiaca sono state acquisite durante la procedura di ablazione cardiaca ed esportate direttamente dall’ecografo in formato Audio Video Interleave (AVI). L’estrazione dei singoli frames è stata eseguita implementando un apposito programma in Matlab, ottenendo così il set di dati su cui implementare il metodo di individuazione della parete atriale. A causa dell’eccessivo rumore presente in alcuni set di dati all’interno della camera atriale, sono stati sviluppati due differenti metodi per il tracciamento automatico del contorno della parete dell’atrio sinistro. Il primo, utilizzato per le immagini più “pulite”, si basa sull’utilizzo del modello Chan-Vese, un metodo di segmentazione level-set region-based, mentre il secondo, efficace in presenza di rumore, sfrutta il metodo di clustering K-means. Entrambi i metodi prevedono l’individuazione automatica dell’atrio, senza che il clinico fornisca informazioni in merito alla posizione dello stesso, e l’utilizzo di operatori morfologici per l’eliminazione di regioni spurie. I risultati così ottenuti sono stati valutati qualitativamente, sovrapponendo il contorno individuato all'immagine ecografica e valutando la bontà del tracciamento. Inoltre per due set di dati, segmentati con i due diversi metodi, è stata eseguita una valutazione quantitativa confrontatoli con il risultato del tracciamento manuale eseguito dal clinico.

Mappaggio t1 in risonanza magnetica per la quantificazione della fibrosi atriale

La tesi descrive il T1 mapping, un metodo diagnostico non invasivo emergente per l’identificazione e la quantificazione della fibrosi atriale. Nel primo capitolo ci si è soffermati sulle caratteristiche del tessuto fibrotico e sulle cause che generano tale patologia tra cui la fibrillazione atriale. Nel secondo capitolo vengono descritte le tecniche non invasive comunemente più utilizzate per la valutazione della fibrosi tra cui: sistemi di mappaggio elettronanatomico e risonanza magnetica cardiaca con l’uso di mezzo di contrasto. Nel terzo capitolo sono approfondite tutte le sequenze necessarie per la costruzione di mappe di tempi T1 indagando anche sui fattori a cui la tecnica è più sensibile. Infine è stato dedicato ampio spazio a ricerche mediche sulla correlazione tra i tempi T1 delle camere cardiache, i potenziali elettroanatomici delle stesse e la probabilità di sviluppare fibrillazioni atriali recidive in alcuni pazienti sottoposti ad ablazione transcatetere.

Studio e sviluppo di un metodo per il monitoraggio della posizione dell'esofago durante l'ablazione transcatetere

Lo scopo del presente lavoro di tesi è l’implementazione di un metodo per la detezione automatica dei contorni dell’esofago in immagini ecografiche intracardiache acquisite durante procedure di ablazione transcatetere per il trattamento della fibrillazione atriale. Il progetto si è svolto in collaborazione con il laboratorio di elettrofisiologia, Unità Operativa di Cardiologia, Dipartimento Cardiovascolare, dell’ospedale ‘’ S. Maria delle Croci ’’ di Ravenna, Azienda Unità Sanitaria Locale della Romagna e si inserisce in un progetto di ricerca più ampio in cui sono stati sviluppati due differenti metodi per il tracciamento automatico della parete posteriore dell’atrio sinistro. L’obiettivo è consentire al clinico il monitoraggio della posizione dell’esofago rispetto all’atrio sinistro per ridurre il rischio di lesioni della parete esofagea. L’idea di base dell’algoritmo è di lavorare sull’immagine per linee di scansione orizzontali, valutando la distribuzione dei livelli di intensità di grigio. Una volta individuati i punti appartenenti alle pareti anteriore e posteriore dell’esofago, sono stati utilizzati dei polinomi rispettivamente del quarto e secondo ordine per interpolare i dati. Per assicurarsi che la detezione sia corretta è stato introdotto un check aggiuntivo che consente la correzione del risultato qualora il clinico non sia soddisfatto, basandosi su input manuale di due punti richiesto all’operatore. L’algoritmo è stato testato su 15 immagini, una per ogni paziente, e i contorni ottenuti sono stati confrontati con i tracciamenti manuali effettuati da un cardiologo per valutare la bontà del metodo. Le metriche di performance e l’analisi statistica attestano l’accuratezza del metodo. Infine sono state calcolate delle misure di interesse clinico, quali la distanza tra parete posteriore dell’atrio sinistro e parete anteriore dell’esofago e la larghezza media di quest’ultimo che risulta comparabile con quanto riportato in letteratura.

Ricostruzione tridimensionale dell'anatomia dell'atrio sinistro da immagini di risonanza magnetica

Il lavoro fornisce una ricostruzione anatomica tridimensionale dell'atrio sinistro in pazienti affetti da fibrillazione atriale. Le immagini utilizzate sono state acquisite in risonanza magnetica e, precisamente sono dati coronali di angio RM. L'elaborazione prevede una segmentazione dei dati e un'individuazione del contorno dell'area anatomica di interesse. Il risultato finale è l'interpolazione lungo l'asse z di acquisizione e una visualizzazione in tre dimensioni.

Un approccio filosofico ai modelli matematici del cuore

La tesi tratta di come Noble giunse alla formulazione del modello matematico del cuore, a partire da quello degli impulsi nervosi ideato da Hodgkin e Huxley e di come in seguito arrivò a perfezionarlo grazie ad una sempre maggiore adesione alla biologia dei sistemi integrati, al punto che esso venne poi utilizzato per creare il primo "Cuore Virtuale". Si pone inoltre una particolare attenzione al modo in cui il pensiero di Noble cambiò nel corso dei suoi studi, così da permettergli la formulazione di spiegazioni corrette, relative ai fenomeni osservati.

Modelli matematici di potenziale d'azione atriale umano e analisi degli effetti di malattie genetiche aritmogene.

Il primo obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di sviluppare il primo modello matematico di potenziale d'azione pacemaker umano: è vero che gli studi elettrofisiologici pubblicati sull'uomo non hanno ancora raggiunto la mole di risultati ottenuti, invece, sugli altri mammiferi da laboratorio, ma i tempi possono ritenersi "maturi", in quanto i dati disponibili in letteratura sono sufficienti e adeguati allo scopo. Il secondo obiettivo di questo lavoro di tesi nasce direttamente dall'esigenza clinica di definire le relazioni causa-effetto tra la mutazione T78M della proteina caveolina-3 e le varie forme di aritmie cardiache riscontrate, ad essa associate. Lo scopo è quello di stabilire quale sia il link tra genotipo della mutazione e fenotipo risultante, ovvero colmare il gap esistente tra i dati sperimentali in vitro in possesso ed i meccanismi di alterazione delle correnti ioniche affette, per arrivare a osservare l'effetto che ne deriva sull'attività elettrica delle cellule. Proprio in relazione a quest'ultimo punto, i due obiettivi del lavoro convergono: l'analisi degli effetti indotti dalla mutazione T78M è, infatti, effettuata sul modello di potenziale d'azione di nodo senoatriale umano sviluppato (oltre che su altri modelli atriali).