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.

Il ruolo dell'ingegnere biomedico nel reparto di cardiologia il monitoraggio remoto dei dispositivi cardiaci impiantabili

L'elaborato descrive la gestione del monitoraggio remoto dei dispositivi cardiaci impiantabili nella realtà ospedaliera.

Progetto di un sistema per la trasmissione wireless di potenza in campo vicino a dispositivi impiantabili

I dispositivi impiantabili stanno acquisendo grande importanza nell’ambito delle applicazioni biomedicali, ciò è dovuto principalmente alla loro attitudine nell’adempiere funzioni di stimolazione, monitoraggio su organi interni e di comunicazione di segnali vitali al mondo esterno. La comunità scientifica, in particolare, concentra la sua attenzione sulle tecniche di alimentazione di tali dispositivi. Le batterie al litio hanno rappresentato, fino a qualche tempo fa, la sorgente di alimentazione primaria. Il bisogno crescente di minimizzare le dimensioni di questi dispositivi e migliorare la qualità di vita del paziente (evitare successive operazioni chirurgiche, rischi e infezioni a causa dei cavi percutanei), ha spinto nella ricerca di nuove soluzioni. Una di queste è rappresentata dalla Wireless Power Transfer (WPT). In questo lavoro di tesi, è stato proposto un sistema di alimentazione wireless transcutaneo. Il sistema sfrutta il principio dell’accoppiamento induttivo risonante, che consiste nella trasmissione di energia in campo vicino tra due risuonatori magneticamente accoppiati. Al fine di acquisire la massima efficienza, sono state effettuate operazioni di ottimizzazione geometrica sul trasmettitore e di adattamento sul modello circuitale. I software CST e LTspice hanno reso possibile le simulazioni sul sistema dal punto di vista elettromagnetico e circuitale. Gli sviluppi futuri prevedono di convalidare i risultati ottenuti realizzando prove “in vitro”.

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.

Stategie di trattamento elettrico nei pazienti con insufficienza cardiaca: valutazione dei risultati a distanza

Lo scompenso cardiaco è una sindrome clinica complessa di notevole prevalenza ed incidenza nella popolazione generale, con elevata mortalità e morbidità. Le numerose alterazioni strutturali e funzionali che lo caratterizzano sono in grado di generare contemporaneamente diversi tipi di alterazioni del ritmo: dalle tachiaritmie ventricolari/sopraventricolari alle turbe della conduzione dell’impulso con bradi-aritmie e dissincronie di contrazione. La cardioversione della fibrillazione atriale e la resincronizzazione cardiaca rappresentano due terapie elettriche molto importanti in tale contesto. Le modificazioni emodinamiche, funzionali e neuro-ormonali indotte da tali trattamenti, tanto in acuto che a medio/lungo termine, possono generare numerose informazioni sulla fisio-patologia di questa sindrome. Il progetto scientifico alla base del presente manoscritto è costituito da due studi volti ad affrontare separatamente le tematiche accennate. Il primo studio è stato focalizzato sulle modificazioni indotte in 38 pazienti dalla terapia di resincronizzazione cardiaca sui parametri di circolazione periferica. I risultati ottenuti evidenziano come il trattamento consenta un incremento del flusso muscolare, soprattutto in chi presenterà un rimodellamento ventricolare inverso. La diversa eziologia sottostante (ischemica vs. non ischemica) appare influenzare i parametri relativi alla circolazione periferica tanto in acuto, quanto in cronico. Il diverso comportamento in merito alle variabili della circolazione periferica nelle valutazioni seriate suggerisce che la terapia di resincronizzazione cardiaca abbia, principalmente nei pazienti responders, effetti non solo “centrali”, e che essi non siano puramente meccanici ma mediati da fattori probabilmente di natura neuro-ormonale. Il secondo studio si è occupato della cardioversione elettrica esterna di fibrillazione atriale, un’aritmia che presenta strette relazioni con l’insufficienza cardiaca. 242 pazienti sono stati sottoposti a cardioversione elettrica esterna con onda bifasica, utilizzando due 1 diverse configurazioni di erogazione dell’energia: antero-posteriore con patch adesivi e antero-apicale con piastre standard. Il ripristino del ritmo sinusale è stato ottenuto in oltre l’80% dei pazienti già col primo shock a 120J. Sebbene fra le due metodiche non si evidenzi una significatività in termini di efficacia, i risultati ottenuti suggeriscono che la scelta della specifica configurazione di shock dovrebbe prendere in considerazione anche alcune variabili biometriche: peso, altezza e superficie corporea del paziente. Il ripristino ed il mantenimento del ritmo sinusale inducono un’importante modificazione della concentrazione di NT-pro-BNP. Un’elevata attivazione neuro-ormonale pre-procedura predispone alle recidive a medio-lungo termine, mentre le recidive nel breve-medio periodo appaiono influenzate da tale fattore solo in corso di profilassi anti-aritmica per il mantenimento del ritmo sinusale. In conclusione i risultati del progetto di ricerca sottolineano come trattamenti mirati a parametri strettamente cardiaci (ritmo e conduzione dell’impulso) siano in grado di determinare importanti modificazioni sugli equilibri emodinamici e neuro-ormonali dell’intero organismo, confermando la stretta relazione tra questi parametri e l’evoluzione del quadro clinico.

Il segnale di bioimpedenza per il monitoraggio remoto multiparametrico dei pazienti affetti da COVID-19: il sistema MySIGN

Il CoViD-19, infezione dell’apparato respiratorio causata dal virus SARS-COV-2, può indurre una congestione polmonare acuta caratterizzata da dispnea, bassa saturazione di ossigeno e, spesso, infiltrazioni di liquido nei polmoni. In letteratura sono presenti diversi studi sul monitoraggio della congestione polmonare, seppur di diversa eziologia, per mezzo del segnale di bioimpedenza transtoracica. Questa grandezza quantifica la resistenza opposta dai tessuti al passaggio di una minima corrente alternata che diminuisce in relazione al maggiore contenuto di liquido nel tessuto polmonare patologico. Il monitoraggio remoto dello stato polmonare del paziente CoViD-19 mediante bioimpedenza transtoracica rappresenterebbe una soluzione ottimale in termini di pervasività, semplicità di sistema, sicurezza dal contagio e non invasività. Questo studio, inquadrato in un più ampio progetto regionale, MySIGN, si pone come obiettivo quello di caratterizzare il funzionamento di una scheda prototipale e individuare il setup sperimentale più idoneo per l’acquisizione dei segnali ECG e di bioimpedenza. Per confermare le ipotesi sulla variazione di impedenza è stato scelto come gold standard un sistema commerciale (Edema Guard Monitor) del quale sono state valutate la ripetibilità e sensibilità nell’effettuare misure di impedenza. Vengono perciò riportate le principali soluzioni progettuali per l’acquisizione dei segnali bioimpedenziometrici ed elettrocardiografici, le relative elaborazioni e gli algoritmi che permettono di ricavare stime di frequenza respiratoria, battito cardiaco e intervallo QT. Tali informazioni saranno poi integrate con misure di temperatura ed SpO2 in modo tale da fornire al personale sanitario una panoramica completa dello stato del paziente. La scheda di acquisizione verrà integrata nel dispositivo di telemonitoraggio del progetto MySIGN, il quale sarà impiegato in uno studio di sperimentazione clinica e successivamente andrà incontro all’iter di marcatura CE.

Telemonitoraggio dei dispositivi cardiaci impiantabili per la predizione dello scompenso

L'insufficienza cardiaca è una delle malattie cardiovascolari più comuni, nonché quella con maggiori tassi di riospedalizzazione. Nonostante numerosi pazienti siano sottoposti a impianto di defibrillatori cardiaci, come pacemaker e ICD, questo non è sufficiente a diminuire i casi di ricovero. L'innovazione tecnologica dei dispositivi impiantabili li ha resi compatibili con l'utilizzo del monitoraggio remoto che avviene attraverso la trasmissione di un enorme quantità di dati eterogenei, noti come Big Data. Questi offrono la possibilità di rilevare numerosi parametri da cui è possibile valutare il funzionamento del dispositivo e implementare algoritmi di medicina predittiva. In questo elaborato sono analizzati quattro casi studio (cardioMEMS, TRIAGE-HF, SELENE HF, multiSENSE), con lo scopo di confrontare gli algoritmi predittivi in essi sviluppati. Da questi studi, condotti su un insieme ristretto di campioni, è emerso che lo scompenso è predetto correttamente, ma con una previsione di riospedalizzazione a seguito di intervento che differisce in ogni studio clinico. Nello studio MultiSENSE, l'algoritmo ha previsto il 70% delle ospedalizzazioni, con un tempo medio di rilevamento di 34 giorni e 1,47 allarmi inspiegabili per anno-paziente. Questo rispetto al 65,5% e a un tempo medio di 42 giorni e rispetto a 0,63 allarmi inspiegabili per anno-paziente, nel SELENE HF. Nel caso del Triage-HF il tasso di ospedalizzazione è dello 0,2% per anno-paziente, in quanto lo studio è basato sull'associazione tra l'algoritmo e i sintomi che caratterizzano lo scompenso. Al contrario degli altri studi, lo studio cardioMEMS si è occupato di sviluppare una nuova tecnologia: un dispositivo wireless impiantabile; infatti, risulta l'unico studio con un monitoraggio remoto invasivo. Considerando la presenza di numerosi gradi di peggioramento dello scompenso e di differenti dispositivi impiantabili cardiaci è difficile creare un unico algoritmo che includa tutte le tipologie di pazienti.

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.

Progettazione e sviluppo di un sistema di telemonitoraggio dell'attività elettrica cardiaca basato su tecnologie Android e Arduino

L'aumento inesorabile delle morti per cause legate a patologie cardiache, dovuto soprattutto al progressivo invecchiamento della popolazione occidentale, ha portato negli ultimi anni, alla necessità di sviluppare tecniche e sistemi di “Remote Monitoring”. L'obiettivo della tesi è la progettazione e lo sviluppo di un sistema di monitoraggio remoto dell'attività elettrica cardiaca basato sull’utilizzo delle piattaforme Android e Arduino. Il valore aggiunto della soluzione proposta e sviluppata è, quindi, soprattutto da ricercarsi nella tipologia di tecnologie utilizzate per la realizzazione del sistema (Android/Arduino): oltre, alla loro continua espansione, in termini di diffusione e avanzamento tecnologico, facilmente riscontrabile, hanno tutte l’importante caratteristica di essere totalmente Open Source, rendendo, quindi, ogni elemento del sistema eventualmente espandibile da chiunque lo desideri.

Gli effetti della terapia di resincronizzazione cardiaca in pazienti con fibrillazione atriale permanente sulla sopravvivenza a lungo-termine: l'importanza dell'ablazione del nodo atrio-ventricolare

La terapia di resincronizzazione cardiaca (TRC) è un presidio non farmacologico che riduce la mortalità e la morbosità nei pazienti con scompenso refrattario alla terapia medica. La maggior parte dei dati riguardanti gli effetti della TRC coinvolgono i pazienti con le indicazioni consolidate seguenti: classe NYHA III-IV, ritardo della conduzione ventricolare (QRS>opp= 20 msec), disfunzione sistolica ventricolare sinistra (frazione di eiezione ventricolare sinistra >opp= 35%) e ritmo sinusale (RS). Mentre è noto che la fibrillazione atriale permanente (FA) sia presente in una porzione consistente dei pazienti con scompenso cardiaco, vi sono pochi dati riguardanti la sopravvivenza e gli effetti a lungo-termine della TRC in pazienti con scompenso cardiaco e fibrillazione atriale (FA); la maggior parte degli studi sono osservazionali ed hanno dimostrato che la TRC potrebbe conferire dei benefici a corto e medio termine anche in pazienti con FA permanente. Solo recentemente un ampio studio osservazionale ha descritto che, a lungo-termine, la TRC migliora significativamente la capacità funzionale, la frazione di eiezione e induce il rimodellamento inverso del ventricolo sinistro solamente in quei pazienti con FA dove la TRC viene combinata con l’ablazione del nodo atrio-ventricolare (NAV). La strategia ablativa del NAV infatti conferendo una stimolazione completa e costante, permette di eliminare gli effetti del ritmo spontaneo di FA (ritmo irregolare e tendenzialmente tachicardico) cheinterferisce in maniera importante con la stimolazione biventricolare in particolare durante gli sforzi fisici. Sulla base di queste premesse il presente studio si propone di valutare gli effetti a lungo-termine della TRC su pazienti con scompenso cardiaco e FA permanente focalizzando su due aspetti principali: 1) confrontando la sopravvivenza di pazienti con FA permanente rispetto ai pazienti in RS; 2) confrontando la sopravvivenza di pazienti in FA suddivisi secondo la modalità di controllo della frequenza con somministrazione di farmaci antiaritmici (gruppo FA-farm) oppure mediante controllo ablazione del NAV (gruppo FA-abl). Metodi e risultati: Sono presentati i dati di 1303 pazienti sottoposti consecutivamente ad impianto di dispositivo per la TRC e seguiti per un periodo mediano di 24 mesi. Diciotto pazienti sono stati persi durante il follow-up per cui la popolazione dello studio è rappresentata da una popolazione totale di 1295 pazienti di cui 1042 in RS e 243 (19%) in FA permanente. Nei pazienti con FA il controllo della frequenza cardiaca è stato effettuato mediante la somministrazione di farmaci anti-aritmici (gruppo FA-farm: 125 pazienti) oppure mediante ablazione del NAV (FA-abl: 118 pazienti). Rispetto ai pazienti in RS, i pazienti in FA permanente erano significativamente più vecchi, più spesso presentavano eziologia nonischemica, avevano una frazione di eiezione più elevata al preimpianto, una durata del QRS minore e erano più raramente trattati con un defibrillatore. Lungo un follow-up mediano di 24 mesi, 170/1042 pazienti in RS e 39/243 in FA sono deceduti (l’incidenza di mortalità a 1 anno era di 8,4% e 8,9%, rispettivamente). I rapporti di rischio derivanti dall’analisi multivariata con il 95% dell’intervallo di confidenza (HR, 95% CI) erano simili sia per la morte per tutte le cause che per la morte cardiaca (0.9 [0.57-1.42], p=0.64 e 1.00 [0.60-1.66] p=0.99, rispettivamente). Fra i pazienti con FA, il gruppo FA-abl presentava una durata media del QRS minore ed era meno frequentemente trattato con il defibrillatore impiantabile rispetto al gruppo FA-farm. Soli 11/118 pazienti del FA-abl sono deceduti rispetto a 28/125 nel gruppo FA-farm (mortalità cumulativa a 1 anno di 9,3% e 15,2% rispettivamente, p<0.001), con HR, 95% CI per FA-abl vs FA-farm di 0.15 [0.05-0.43],,p<0.001 per la mortalità per tutte le cause, di 0.18 [0.06-0.57], p=0.004 per la mortalità cardiaca, e di 0.09 [0.02-0.42], p<0.002 per la mortalità da scompenso cardiaco. Conclusioni: I pazienti con scompenso cardiaco e FA permanente trattati con la TRC presentano una simile sopravvivenza a lungo-termine di pazienti in RS. Nei pazienti in FA l’ablazione del NAV in aggiunta alla TRC migliora significativamente la sopravvivenza rispetto alla sola TRC; questo effetto è ottenuto primariamente attraverso una riduzione della morte per scompenso cardiaco.

Nuove acquisizioni in termini di insufficienza mitralica: complicanze tromboemboliche dopo chirurgia della valvola mitrale: incidenza, predittori e implicazioni cliniche

Objectives: to define in patients undergoing surgery for mitral regurgitation (MR) the risk of thrombo-embolic complications, particularly ischemic stroke (IS) compared to that in the general population. Background: MR is frequent, occurs mostly in the elderly and guidelines recommend surgery in asymptomatic patients but IS risks are unknown. Methods: in 1344 patients (65±12 years) consecutively operated for MR (procedures: 897 valve repair, MRep; 447 valve replacement, 231 mechanical, MVRm; 216 biological, MVRb), thrombo-embolic complications particularly IS (diagnosed by a neurologist) during follow-up were assessed early (<30 days), mid-term (30-180 days) and long-term (180 days). Results: IS occurred in 130 patients and IS or transient ischemic attack in 201. IS rates were 1.9±0.4% and 2.7±0.5%, at 30 and 180 days and 8.1±0.8% at 5 years. IS rates were lowest after MRep vs. MVRb and MVRm (6.1±0.9, 8±2.1 and 16.1±2.7% at 5 years, p<0.001). Comparison to IS expected rates in the population showed high risk within 30 days of surgery (Risk-ratio 41[26-60], p<0.001 but p>0.10 between procedures) and moderate risk after 30 days (risk-ratio 1.7 overall, p<0.001; 1.3 for MRep, p=0.07; 0.98 for MVRb, p=0.95; 4.8 for MVRm, p<0.001). Beyond 180 days, IS risk declined further and was not different from the general population for MRep (1.2, p=0.30) and for MVRb (0.9, p=0.72). Risk of IS or transient ischemic attack was higher than the general population in all groups up to 180 days. The risk of bleeding beyond 30 days was lowest in MRep vs. MVRb and MVRm (7±1, 14±4 and 16±3% at 10 years, p<0.001). Conclusion: thrombo-embolic complications after MR surgery are both reason for concern and encouragement. IS risk is notable early, irrespective of the procedure performed, but long-term is not higher than in the general population after MRep and MVRb. Preference for MRep should be emphasized and trials aimed at preventing IS should be conducted to reduce the thrombo-embolic and hemorrhagic risk in patients undergoing surgery for MR.