Una ricerca italiana mira a creare un cuore virtuale che integri tutte le funzioni del muscolo cardiaco per capirlo meglio. Una rivoluzione per la medicina
Quando la medicina sposa la matematica, i risultati possono essere sorprendenti; e se questo matrimonio dà una visione più chiara della meravigliosa complessità del cuore umano, i suoi frutti saranno anche collegati da ogni battito, da ogni colpo che nutre la vita.
Con questo in mente, il 1 ° dicembre 2017 è iniziato il progetto iHEART, acronimo di “Integrated Heart”. Per la prima volta al mondo, studieremo e lavoreremo per creare un modello matematico virtuale che integri tutti i processi della funzione cardiaca. Un vero cuore virtuale. A capo del progetto ambizioso di cinque anni presso il Politecnico di Milano è il mondo matematico famoso Alfio Quarteroni, docente presso l’Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna e il Politecnico di Milano e presidente dello spin-off del Politecnico di Milano, Moxoff .
Quarteroni è il vincitore di una borsa di studio avanzato di 2.350.000 euro concesso dal Consiglio europeo della ricerca (CER), la prima organizzazione dell’Unione europea dedicata al sostegno della ricerca scientifica sulla base di eccellenza della ricerca e la forza innovativa della vostra idea . Quarteroni aveva già vinto una sovvenzione del CER nel 2008 e due ERC Proof of Concept, un segno di come studi di matematica applicata sono estremamente importanti non solo per la comunità scientifica, ma anche per la società in generale.
I dati sottostanti del progetto Quarteroni
L’obiettivo di iHEART è descrivere il comportamento del cuore umano con equazioni complesse. La motivazione del progetto si basa sul fatto che “una percentuale molto alta di morti naturali nei paesi occidentali a causa di malattie cardiovascolari: il 45% delle morti naturali sono il cuore”, spiega Quarteroni. “L’impatto sociale è enorme: si stima che il costo associato a malattie cardiovascolari per la Comunità europea è di circa 200.000 miliardi di un anno, di cui il 55% è dovuto a costi sanitari diretti, 5% è dovuto a perdite di produttività, il 22% si riferisce all’assistenza informale, cioè alle persone che ricevono cure non negli ospedali ma a casa o in strutture para-ospedaliere. ”
In sintesi, le malattie cardiovascolari sono un vero problema per la società contemporanea. Secondo i dati forniti dal rapporto tredicesima salute rilasciato dal Consorzio per la Ricerca Economica Applicata in Health presso l’Università di Roma Tor Vergata, decessi per malattie cardiovascolari in Italia nel 2015 sono stati pari a 80,6%. Una media elevata, che si trova anche in altri paesi: in Grecia (84,4%), Germania (82,3%), la Svezia (80,7%), il Regno Unito (79,6%), in Spagna (76,7%) o in Francia (75,2%), solo per citarne alcuni.
Se si potesse creare un modello di cuore virtuale che simulasse tutte le funzioni e le disfunzioni cardiache, i vantaggi in termini di prevenzione e supporto per i medici sarebbero enormi. Un sogno importante e molto complicato, quello di Quarteroni: produrre risultati che possano essere usati per ogni persona, per ogni cuore, in tempo reale.
Un “cuore virtuale” fatto di matematica
Ecco, quindi, che in questo modello la matematica diventa una questione di cuore. “Si ritiene che un’alta percentuale di questi problemi non sia di natura congenita, ma sia acquisita e, quindi, possa essere prevenuta”, ha affermato Quarteroni. “Math permette di rappresentare tutte le funzioni del cuore e, di conseguenza, creare una sorta di cuore virtualcompuesto solo dalla matematica. Grazie a molto equazioni complesse, siamo in grado di creare le condizioni per una migliore comprensione dei problemi e, quindi, per una migliore prevenzione. ”
La speranza è che attraverso lo studio Quarteroni e il suo team saranno conoscere nel dettaglio le diverse componenti che determinano il ritmo del secondo cuore “. Il primo è il componente elettrico Se abbiamo un cuore che batte è perché ogni secondo nostra vita è un impulso elettrico spontanea generata una scintilla che produce un campo elettrico che poi si diffonde nel nostro miocardio. poi ci sono equazioni che descrivono questo comportamento. ”
Grazie a questa componente elettrico che tutte le fibre del cuore si contraggono e si dilatano, causando il componente meccanico: la deformazione delle pareti cardiache dovute alla contrazione ed espansione.
Più formule descrivono la parte della dinamica dei fluidi, cioè la dinamica di sangue: “Quando i ritmi e cuore si contrae e spinge il sangue (ossigeno, ndr) che è contenuto nel ventricolo sinistro nell’aorta, e da lì a tutte le altre arterie, per alimentare tutte le nostre cellule. tutti questi processi interconnessi sono descritti da equazioni collegate, e quindi rappresentata da un singolo matematica problema terribilmente complessa, ma che incorpora questi aspetti e integra l’uno con l’altro. ”
Il modello cardiaco integrato, infatti. Sarebbe la prima rappresentazione completa di un cuore virtuale: finora, infatti, hanno ottenuto solo schemi parziali di funzioni cardiache.
Medici e matematici insieme per il primato di tutti gli italiani
Per raggiungere questo modello, abbiamo bisogno di un elemento fondamentale: la collaborazione con i medici. Una miscela di relazioni che potrebbe davvero portare a una rivoluzione nel campo della medicina, e che al tempo dei nostri nonni non ha nemmeno sognato. Così lo stereotipo che la matematica e la medicina sono due campi diversi Falls.
“Una stretta collaborazione con i medici diventa essenziale”, afferma Quarteroni. “Tutti i cuori sono diversi gli uni dagli altri. Per ottenere una migliore comprensione dei problemi e, quindi, di sviluppare modelli migliori e personalizzate, abbiamo bisogno di scaricare i dati.” I dati possono essere raccolti solo con l’analisi di cuori pazienti, ottenuti attraverso la tecnologia medica.
“La prima fase della nostra esplorazione è quello di creare un modello geometrico del cuore si parla di struttura cardiaca .. Noi dobbiamo prima descrivere Poi, quando abbiamo tutte queste informazioni a priori, possiamo usare le equazioni per iniziare il nostro modello e farlo funzionare in quel . cardiaci specifici queste equazioni sono estremamente complesse: nessun matematico nel mondo può pensare di risolvere, quindi, dovrebbe essere fatto con una calcolatrice potente prima di raggiungere il computer, però, dobbiamo tradurre queste equazioni in un algoritmo. approssimarli in maniera scientifica, in modo che le equazioni sono semplificate, ma in grado di descrivere molto bene ciò che accade nella realtà. “sinergia lavoro, pertanto, che unisce matematici e medici di lavorare per un primato tutto italiano.
Obiettivi, sogni e aspettative
Gli obiettivi dello studio sono diversi: “Vogliamo aiutare il medico a capire meglio come funziona questa meravigliosa macchina che è il cuore e, quindi, a capire i problemi e le malattie di uno specifico paziente”, il matematico prende il controllo. “È come se il medico avesse a disposizione un’incredibile lente d’ingrandimento che gli avrebbe permesso di avere nuove informazioni sullo stato di funzionamento del muscolo cardiaco e, nel caso di una malformazione o patologia, cercare di capire attraverso il modello l’evoluzione delle condizioni di un cuore nelle settimane, con uno sguardo verso il futuro “.
“Un ulteriore aiuto che questa ricerca può dare ai chirurghi.” Nel caso in cui un medico valuti l’opportunità di intervenire chirurgicamente, ci sono diverse opzioni di intervento: queste potrebbero essere esplorate prima attraverso la matematica, per aiutare il chirurgo a capire meglio cosa tipo di strategia per intervenire e quindi capire a priori se il tipo di operazione potrebbe essere efficace o meno. ”
Le aspettative in questo cuore virtuale sono alte e giustificate, ma il sogno – come definisce Quarteroni – è identificare la possibile evoluzione del comportamento e dei problemi cardiaci dei singoli cuori in tempo reale. Una conoscenza matematica, quindi, complementare a quella clinica, che permetterà di effettuare esami non invasivi ed estremamente precisi, fino a quel momento non ottenibili con le tecnologie tradizionali.
La matematica al centro dell’attenzione
Il ruolo della matematica nella società è cambiato così tanto, fino a quando assume una posizione importante. Le ragioni dei cambiamenti sono molte, sia dal punto di vista tecnico che sociale; Il fatto è che oggi la matematica ti permette di fare cose che prima erano impensabili. È un po ‘come se si fosse entrato in scena per la prima volta, dopo anni di tentativi per essere un vero e proprio modo di conoscere il mondo, non scientifico.
“Questo tipo di matematica applicata non c’era quando ho iniziato”, ricorda Quarteroni. “Prima di essere un matematico puro, era interessato a dimostrare teoremi e fare teorie. Poi mi sono interessato sempre più a problemi di attuazione, prima per l’aeronautica, allora per i terremoti e di nuovo in ambiente, lo sport e la medicina In medicina sono stati per quasi venti anni, mentre nel cuore erano quasi quattro “.
Professore continua. “Ci sono tre componenti essenziali che regolano il gioco e richiedono lo sviluppo sincrono, che non si era sviluppato a sufficienza prima di Prima, modellazione -la rappresentazione della realtà attraverso equazioni e, di conseguenza, la linguaggio della matematica non era abbastanza preciso. così oggi v’è una migliore comprensione circa le equazioni algoritmi di traduzione. Infine, c’era così potente per risolvere queste equazioni complicate “computer.
“Da un punto di vista sociale, oggi c’è una maggiore consapevolezza del fatto che la matematica può essere utile ;. V’è una maggiore apertura da parte dei medici di collaborare con noi da questo punto di vista, tutte le acquisizioni di matematica in decenni, hanno contribuito a creare una maggiore consapevolezza e la coscienza che porta, quindi, a cercare una collaborazione con matematici. per semplificare, oggi le conoscenze teoriche di base che ha la sperimentazione medica e l’applicazione matematica sono integrati e portare a una migliore comprensione di ciò che accade “.
Una ricerca senza fine
Se Quarteroni e il suo team stanno già ottenendo risultati significativi con la piattaforma aXurge, che offre supporto nel trattamento dell’aneurisma dell’aorta addominale, i risultati che stanno cercando al momento sono davvero rivoluzionari. Ma Quarteroni lo sa bene, lo studio non si esaurisce mai: “È una ricerca continua, non c’è mai un punto finale di arrivo, è una direzione di viaggio infinita”.
“Non arriveremo mai ad una descrizione completa e accurata del comportamento del cuore umano, perché la nostra natura è così complessa e ben concepita che è impensabile descriverlo in termini limitati, sono sfide gigantesche e inesauribili, ma vale la pena provare, perché ogni piccolo La conquista può avere un valore fondamentale. ”
Di Sara Riboldi
17 gennaio 2018
http://www.informazionesenzafiltro.it/alfio-quarteroni-la-matematica-del-cuore/
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