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Modelli 3D per una diagnosi personalizzata delle malattie cardiache

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Modelli 3D per una diagnosi personalizzata delle malattie cardiache

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Le malattie cardiache sono una grave minaccia per adulti e bambini. La tecnologia moderna permette di vedere all’interno del cuore, ma gli scanner tradizionali non possono comprendere l’intero volume di dati medici.

Gli scienziati europei lavorano a un modello tridimensionale del cuore, realizzato su misura per ogni singolo paziente.

Jack e i suoi genitori vivono sulla costa orientale dell’Inghilterra e spesso vanno a Londra.
Il perché delle loro visite assidue è nel cuoricino di Jack.

“Lo abbiamo scoperto quando ero alla 28esima settimana di gravidanza”, dice la madre, Sarah Jones. “Ci dissero che purtroppo soffriva della sindrome del ventricolo sinistro ipoplastico, che era qualcosa di molto complicato e che sarebbe stato necessario un intervento chirurgico palliativo in tre fasi. Fu piuttosto scioccante”.

Dopo tre interventi a cuore aperto Jack deve sottoporsi a controlli medici di routine per verificare che tutto proceda bene. All’Evelina Children’s Hospital, il dottor Reza Razavi controlla il cuore di Jack usando una sofisticata attrezzatura per la diagnosi.

“Quando mi mette gli adesivi mi sembra di non fare niente, di rilassarmi soltanto!”, dice Jack. “Fa così: boom boom boom boom… Ma non so come fa questa cosa”.

Un’apparecchiatura usa gli ultrasuoni per creare un’immagine del cuore, che comprende i tessuti e il sangue. L’ecocardiografia può fornire una grande quantità di informazioni utili, dando ai terapisti una rapida idea di come funziona il sistema cardiovascolare del paziente. E’ uno strumento di vitale importanza.

“I problemi cardiaci congeniti colpiscono circa un bambino ogni cento e i disturbi cardiaci nella popolazione in generale sono naturalmente molto comuni”, spiega Reza Razavi. “Sono la causa più frequente di malattia e morte, sicuramente nel mondo occidentale, e stanno diventando la causa più comune anche nel mondo in via di sviluppo”.

Sebbene utili, l’ecocardiografia e altri metodi di diagnostica per immagini hanno i loro limiti. Superarli è l’obiettivo del progetto di ricerca europeo cui partecipa questo ospedale.

“Il modello sullo schermo è solo un’immagine da cui si può capire quanto sono grandi i vasi sanguigni, come le cose sono connesse l’una all’altra, ma non ci dice come il cuore sta battendo in questo particolare modello”, afferma Hannah Bellsham-Revell, ricercatrice in cardiologia pediatrica. “Noi speriamo, con un modello in cui possiamo introdurre dati anatomici e dati sulla contrazione del cuore stesso, di poter essere capaci di spiegare meglio e prima come il cuore di un bambino può avere problemi, e di poter testare le medicine su un modello virtuale piuttosto che sui bambini”.

“Il nostro obiettivo è vedere cosa capita dopo la cura, in particolare se è piuttosto difficile da prescrivere o molto costosa, vogliamo sapere prima di prescriverla se funzionerà o meno”, dice Razavi. “E per questo, i modelli computerizzati ci offrono una grande versatilità, ci permettono di provare qualsiasi cura e vedere quale sarà il risultato senza applicarla davvero, ma sperimentandola ‘in silico’, ossia sul computer”.

Un modello realistico dovrebbe integrare tutti i dati medici rilevanti. Ma, innanzitutto, come vengono raccolti?

“Abbiamo diversi tipi di scanner utili per creare immagini del cuore: questo utilizza campi magnetici”, spiega Jurgen Weese, ricercatore in soluzioni per gli interventi cardiovascolari. “La sua particolarità è permettere di ottenere informazioni sul moto del cuore e sulle proprietà del tessuto di questo muscolo, e di avere un’immagine del flusso del sangue nel cuore”.

Gli scanner medici producono immagini digitali multiple di sottili parti del cuore. Grazie al giusto software è abbastanza facile assemblare un oggetto tridimensionale da una serie di sezioni trasversali messe assieme. Con alcuni fra i moderni scanner lo si può fare semplicemente schiacciando un pulsante.

“Lo scanner per la tomografia computerizzata usa raggi X per creare un’immagine del cuore, si hanno proiezioni a raggi X da lati differenti e si compone un’immagine tridimensionale attraverso le singole immagini”, continua Weese. “La particolarità di questo scanner è una risoluzione molto alta, si ottengono immagini molto precise del cuore”.

Per passare dalla visualizzazione alla creazione di modelli, gli scanner hanno bisogno di essere interpretati da un computer. Gli algoritmi vengono sviluppati al campus high Tech di Eindhoven.

Ogni cuore è unico, per cui il programma misura tutte le sue peculiarità, mappando accuratamente l’organo del singolo paziente. Ma per ora è solo una bozza.

“Questa tecnologia ci permette di estrarre la geometria dalle immagini, non permette di predire come batterà il cuore in futuro, se si cambia qualcosa”, afferma Weese. “Se si vogliono delle previsioni sull’attività del cuore, effettuando una terapia o cambiando il flusso sanguigno in alcune parti, allora sono necessari degli ulteriori modelli che descrivano la biofisica di differenti parti del cuore, e grazie a questo si possono fare previsioni sul funzionamento del cuore dopo la terapia o decidere tra diversi tipi di cura”.

Ed è qui che l’ingegneria può dare una mano. Il cuore è fondamentalmente una pompa molto efficiente. La sua mappa geometrica è una specie di modello di macchina complessa.

Abbiamo già delle conoscenze e l’esperienza dei test su macchine e altri oggetti artificiali nelle simulazioni al computer.

“Queste tecniche sono state usate per analizzare ponti e strutture negli anni cinquanta, sessanta e settanta, e in quel periodo abbiamo cominciato ad utilizzare l’informatica per il design dei treni, quello aerospaziale e aeronautico”, dice Nic Smith, professore di fisiologia computazionale. “Quello che è avvenuto di recente è che lo stesso tipo di tecniche vengono adesso applicate ad alcuni tra i problemi più complessi che abbiamo in biologia, fisica e medicina”.

Il risultato è un cuore virtuale che si comporta proprio come il suo prototipo reale, mostrando ad esempio delle cellule che non funzionano bene o permettendo di studiare la propagazione delle onde elettriche nel muscolo cardiaco di un individuo prima di impiantare un pacemaker.

“Quello che stiamo ottenendo è la capacità di predire la reazione del paziente alla terapia e selezionare i pazienti in base a quello che vediamo nella loro particolare anatomia per terapie più appropriate”, aggiunge Smith. “Credo che questo avvenga all’interno di un più ampio obiettivo, ossia passare nella medicina dalla pratica basata sui tentativi a quella basata sulla scienza in cui capiamo i meccanismi”.

Anni di ricerca e di prove cliniche sono ancora necessari prima che un cuore virtuale possa diventare uno strumento affidabile di prognosi in grado di dare speranza a chi potrebbe averne bisogno per curarsi.

“Bambini come Jack, sebbene stiano abbastanza bene da piccoli, quando raggiungono l’età adulta possono avere molte difficoltà e la loro aspettativa di vita è inferiore a quella della popolazione in generale”, spiega il dottor Razavi. “Stiamo ovviamente cercando di trovare nuovi modi per curarli per migliorare la loro aspettativa di vita e questo progetto in pratica contribuisce a questo scopo”.

www.euheart.eu