Un simulatore virtuale del cuore umano
Il cuore è un organo fondamentale del corpo umano e le malattie cardiovascolari sono responsabili di oltre il 45 % dei decessi in Europa. Il cuore è anche un organo straordinariamente complesso e unico per ogni individuo. Pertanto, conoscere meglio le sue funzioni di base potrà condurre a trattamenti più personalizzati per i difetti cardiaci. Nell’ambito del progetto iHEART, finanziato dal Consiglio Europeo della Ricerca, è stato sviluppato un simulatore virtuale del cuore da parte di una squadra di ricerca guidata da Alfio Quarteroni, professore di analisi numerica presso il Politecnico di Milano. Questo modello computazionale è un potente strumento per approfondire le conoscenze sulla funzione cardiaca, chiarendo i complessi meccanismi del cuore e contribuendo al processo decisionale clinico. «Oltre ad avere valore educativo, questo modello ha applicazioni significative in campo medico, poiché offre un supporto essenziale agli operatori sanitari, aiutandoli a esprimere giudizi medici e a elaborare strategie per gestire varie patologie cardiache», spiega Quarteroni, ricercatore principale del progetto iHEART.
Progressi matematici per studiare il cuore umano
Per creare il cuore virtuale, l’équipe ha analizzato le proprietà matematiche e fisiche di diversi modelli cardiaci essenziali, per poi unirli in un unico modello. Alcune delle proprietà analizzate sono l’elettrofisiologia, la meccanica attiva e passiva, la dinamica dei fluidi, la cinetica delle valvole, la circolazione del sangue, la perfusione miocardica e la conduzione di segnali elettrici attraverso il tronco. «Il modello iHEART è stato progettato per descrivere tutti questi elementi e, armonizzandoli e accoppiandoli, abbiamo creato un modello unificato e dettagliato dal punto di vista biofisico della funzione cardiaca», spiega Quarteroni. I risultati più significativi del progetto si basano su questi sviluppi matematici e sulla successiva simulazione. La squadra di ricerca ha raggiunto traguardi inediti nelle tecniche avanzate di approssimazione di alto ordine, che hanno migliorato la precisione della simulazione. Inoltre, sono stati creati nuovi solutori algebrici per ottimizzare le prestazioni di calcolo, e nella ricerca sono stati integrati concetti e metodologie all’avanguardia relativi all’apprendimento automatico scientifico. «Questi contributi rivoluzionari sono sfociati nella pubblicazione di numerosi articoli di ricerca su riviste prestigiose, che spaziano dal campo della matematica alla bioingegneria, fino alla medicina», aggiunge Quarteroni.
Il simulatore iHEART
Il nuovo simulatore iHEART è unico nel suo genere, grazie alla sua capacità di unire e replicare in modo agevole i complessi processi cardiaci all’interno di una piattaforma unificata. «Quest’alto grado di integrazione consente di raggiungere un’accuratezza biofisica senza precedenti nella simulazione della funzione cardiaca e delle patologie correlate», spiega Quarteroni. «Rappresenta un progresso innovativo nel campo della cardiologia computazionale, offrendo un approccio completo e unico nel suo genere per la simulazione computerizzata del cuore.» Oltre al simulatore, il gruppo di ricerca ha creato anche una serie di librerie software, complete di funzioni cardiache complesse, ora a disposizione di un’ampia comunità di utenti, tra cui gli operatori con una formazione in medicina e bioingegneria.
Applicazioni mediche
Ci si attende che il simulatore iHEART svolga un ruolo fondamentale nell’approfondire le conoscenze sulle malattie cardiache, portando un giorno allo sviluppo di terapie innovative. «Abbiamo un obiettivo ambizioso e visionario: integrare perfettamente le simulazioni numeriche computerizzate della funzione cardiaca nel campo della bioingegneria e della pratica clinica, con l’obiettivo di creare gemelli digitali cardiaci», spiega Quarteroni. iHEART sta contribuendo attivamente alla diagnosi e al trattamento di diverse patologie cardiovascolari attraverso collaborazioni con numerose divisioni cliniche, sia in Italia che all’estero. «Ci attendiamo che il modello iHEART offra un significativo contributo alla diagnosi e al trattamento delle patologie cardiovascolari, favorendo progressi nell’assistenza sanitaria cardiaca, a beneficio dei pazienti di tutto il mondo.»
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