Questa breve sintesi illustra le attività di ricerca in corso presso il Gruppo di Ingegneria Cardiovascolare dell'IFC-CNR con sede a Roma. Il gruppo è attualmente composto da tre persone (Ing. Gianfranco Ferrari, Ing. Libera Fresiello, Ing. Arianna Di Molfetta).

 

In sintesi, l'attività è basata sulle applicazioni analitiche e predittive della modellistica, alla fisio-patologia circolatoria, con particolare riguardo allo studio degli effetti dell'assistenza meccanica e farmacologia, suddividendola in tre aree principali, tutte afferenti alla modellistica circolatoria: pato-fisiologia, strumenti ed applicazioni.

 

a) Pato-Fisiologia:

Baroriflesso e altri meccanismi autonomici

Lo sviluppo di un modello di baroriflesso e dialtri controlli autonomici è finalizzato allo studio e alla riproduzionedell'effetto della regolazione della pressione arteriosa sistemicanell'organismo umano. L'implementazione numerica di tali controlli si configuracome un modulo aggiuntivo al modello cardiocirolatorio esistente, permettendodi rappresentare l'evoluzione dinamica nel tempo di parametri cardiovascolariquali il tono venoso, le resistenza periferiche, la contrattilità ventricolaree la frequenza cardiaca. Il modello è finalizzato alla riproduzione numerica dicondizioni patologiche in cui i meccanismi di regolazione sono spesso alteratie allo studio dell'attività di tali controlli in presenza di eventualidispositivi di assistenza ventricolari.

 

Meccanica ventricolare

La descrizione della meccanicaventricolare prevede una libreria di modelli di complessità variabile, a secondadello studio che si vuole condurre. Tutti i modelli ventricolari si basano sulmodello ad elastanza variabile. L'attività meccanica dei ventricoli èrelazionata con quella elettrica rappresentata dal segnale ECG. Ogni ventricolopuò essere rappresentato come un'unità funzionale oppure può essere consideratoanche il setto interventricolare. Il setto interventricolare è modellizzatocome una membrana attiva che separa i due ventricoli e che, di fatto, riproducel'interdipendenza tra i due ventricoli. In questo modo, per ogni ventricolo siconsidera una parete settale ed una libera. Per il ventricolo sinistro èprevisto inoltre un modello che distingue ulteriormente la parete libera in unaporzione anteriore, una posteriore ed una laterale al fine di riprodurrepatologie complesse come la dissincronia intraventricolare e l'effetto dellapresenza di una porzione ischemica.

 

Rete circolatoria

La rete circolatoria è rappresentatatramite una libreria di modelli di complessità variabile. A seconda dellostudio che si vuole condurre è possibile scegliere infatti il modello traquelli presenti che meglio si adatta allo scopo. I vari modelli si distinguonoper il loro livello di dettaglio: quello più semplice prevede unarappresentazione dell'intero albero arterioso come un unico blocco, mentre neimodelli più complessi il sistema arterioso è suddiviso in distretti circolatori(circolazione cerebrale e degli arti superiori, circolazione renale,circolazione splancnica e circolazione degli arti inferiori).

 

Circolo coronarico

La rappresentazione del circolocoronarico è basata su una libreria di modelli disponibili di complessitàvariabile. E' disponibile un modello che permette di rappresentareseparatamente la coronaria destra e la coronaria sinistra con il tronco comune,che si divide poi nei suoi rami discendente anteriore e circumflesso. Inoltre,sono rappresentate le anastomosi tra coronaria destra e sinistra specialmente alivello del setto interventricolare. Questo modello coronarico è integrato conil modello ventricolare che permette di descrivere la meccanica del setto,della parete libera del ventricolo destro e delle pareti anteriore, posterioree laterale del ventricolo sinistro.

 

Interazione con il sistema respiratorio

Questo studio si avvale della collaborazione con l'Istituto diBiocibernetica e Ingegneria Biomedica dell'Accademia Polacca delle Scienze e sisviluppa essenzialmente in due direzioni:

  • Studio del ruolo delle variazioni della pressione intra-toracica(prodotte ad esempio dall'assistenza meccanica ventilatoria o dalla permanenzain ambienti estremi) sull'emodinamica.

  • Studio dellecondizioni per la presenza di acqua polmonare.

b) Strumenti

Nell’ambito delle attività del Gruppo e delle sue collaborazioni, è stato sviluppato un tipo di modelli circolatori che permette di utilizzare indifferentemente lo strumento modellistico in forma computazionale (numerica) o ibrida, interfacciando cioè modelli a struttura numerica con modelli a struttura fisica (idraulica). Il vantaggio di questa soluzione consiste nella possibilità di utilizzare, per ogni applicazione il tipo di modello più adatto mantenendo invariata la sua struttura di base con considerevoli vantaggi in termini di accuratezza delle simulazioni, semplicità strutturale e costi.

 

Modelli numerici

Il modello circolatorio sviluppato ha una struttura modulare e quindi aperta che lo rende utilizzabile per diverse applicazioni semplicemente sostituendo i moduli che lo compongono. Questo concetto può essere utilmente illustrato dal diagramma a blocchi riportato nella Fig.1:

Ogni modulo dispone di una libreria di modelli che possono essere facilmente sostituiti per adattare il modello complessivo alle esigenze sperimentali. Particolare cura, nello sviluppo del modello, è stata data all’interfaccia grafica che permette di condurre la simulazione attraverso l’uso di comandi semplici ed intuitivi avendo a disposizione un’ampia gamma di presentazioni grafiche. La Fig. 2 mostra una versione dell’interfaccia grafica.

Il modello circolatorio è tuttora in corso di sviluppo ma la sua struttura modulare permette l’inserimento di nuovi moduli senza alterare il funzionamento di quelli esistenti. 

 

Modelli ibridi

Il modello di base della Fig.1 integra le capacità ibride e la sua struttura può essere, in qualunque momento, trasformata sostituendo parti di circolo con modelli fisici o semplicemente interfacciando l’intero modello con un dispositivo fisico. Un esempio di ciò è mostrato schematicamente in Fig.3. Ad esempio, nel caso del pallone intraortico, è necessaria la presenza di un circuito idraulico dove il pallone possa essere fisicamente inserito. È il circuito idraulico ad essere poi interfacciato con il modello numerico.

c) Applicazioni

Defibrillatori bi-ventricolari
La terapia di resincronizzazione cardiaca (CRT) mediante l’impianto di pacemaker-defibrillatori bi-ventricolare (BIV) è una delle terapie non farmacologiche più valide per il trattamento dei pazienti affetti da cardiomiopatia dilatativa con dissincronia intra e interventricolare e QRS lungo. Nonostante i suoi benefici, rimane un 25-30% di non responder. Probabilmente questa percentuale dipende dalla mancata ottimizzazione e personalizzazione della terapia sul paziente, sia per quanto riguarda il posizionamento dell’elettro-catetere sinistro, sia per quanto riguarda la programmazione degli intervalli atrio-ventricolari (AV) e interventricolari (VV) che attualmente sono programmati o su base empirica (metodiche eco guidate o ottimizzazione della durata del QRS) o sulla base di algoritmi automatici che ottimizzano il QRS o variabili emodinamiche a partire da dati statistici. E’ stato realizzato un modello numerico di CRT che, a partire da misure non invasive ecocardiografiche ed elettrocardiografiche, permette di riprodurre la condizione fisiopatologica di un paziente e simulare l’effetto delle CRT al fine di aiutare la selezione dei candidati ed ottimizzare la programmazione dei ritardi AV e VV. L’ottimizzazione in particolare permette di personalizzare la CRT per ogni paziente in base alle sue specifiche condizioni fisiopatologiche e in base alle variabili che il clinico intende ottimizzare per lo specifico paziente nelle specifiche condizioni (es. gittata, rimodellamento ventricolare, flusso coronarico,...). Questo modello è attualmente inserito in uno studio prospettico, randomizzato con follow up ogni tre mesi fino a due anni dall’impianto. Tale attività di ricerca è condottoa in collaborazione con il Policlinico di Tor Vergata di Roma.

 

ECC

Obiettivo di questa applicazione è confrontare la circolazione extracorporea a flusso continuo con quella a flusso pulsato e valutare l’importanza e l’influenza dei parametri circolatori e dei collegamenti idraulici. A questo scopo è stato modificato il modello di base aggiungendo un modulo per la simulazione di una pompa centrifuga e del complesso sistema di tubi di collegamento tra il sistema venoso e quello arterioso.

 

VAD

E’ un’attività che si svolge nell’ambito del progetto SensorART in collaborazione con l’Istituto di Biocibernetica ed Ingegneria Biomedica dell’Accademia Polacca delle Scienze. L’obiettivo è quello di realizzare una piattaforma modellistica per la prova e lo studio di vari tipi di VAD a flusso continuo e a flusso pulsato. Il modello in corso di realizzazione è basato sulla tecnologia ibrida.

 

IABP

Questa attività si svolge in collaborazione con la Brunel University di Londra ed ha come scopo la valutazione dell’assistenza con il pallone intraortico in relazione alla temporizzazione del pallone e alle condizioni cardio-circolatorie. L’uso del modello ibrido consente di riprodurre in modo accurato le condizioni circolatorie e ventricolari di partenza e di valutare, in relazione ad esse, gli effetti dell’assistenza. L’introduzione nel modello di controlli autonomici permetterà di estendere le possibilità di questo sistema di simulazione che ha anche una considerevole valenza di tipo didattico. Gli studi in corso hanno mostrato l’influenza delle condizioni circolatorie (compliance arteriosa) e ventricolari (elastanza ventricolare a fine sistole e a fine diastole) sugli effetti emodinamici ed energetici dell’assistenza con il pallone intraortico.