Una investigación italiana tiene como objetivo crear un corazón virtual que integre todas las funciones del músculo cardíaco para comprenderlo mejor. Una revolución para la medicina
Cuando la medicina se casa con las matemáticas, los resultados pueden ser sorprendentes; y si este matrimonio da una visión más clara de la maravillosa complejidad del corazón humano, sus frutos también estarán ligados por cada latido, por cada golpe que nutre la vida.
Con esto en mente, el 1 de diciembre de 2017, comenzó el proyecto iHEART , un acrónimo de » Corazón Integrado «. Por primera vez en el mundo, estudiaremos y trabajaremos para crear un modelo matemático virtual que integre todos los procesos de la función cardíaca. Un verdadero corazón virtual. A la cabeza del ambicioso proyecto de cinco años en el Politecnico di Milano es el matemático de fama mundial Alfio Quarteroni , profesor de la ‘ Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne y el Politécnico de Milán, así como presidente de la escisión del Politécnico de Milán, Moxoff .
Quarteroni es el ganador de una subvención avanzada de 2.350.000 euros otorgada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC), la primera organización de la Unión Europea dedicada a apoyar la investigación científica basada en la excelencia del investigador y la fuerza innovadora de su idea. Quarteroni ya había ganado un ERC Grant en 2008 y dos ERC Proof of Concept, un signo de cuánto sus estudios de matemática aplicada son de extrema importancia no solo para la comunidad científica, sino para la sociedad en general.
Los datos subyacentes del proyecto Quarteroni
El objetivo de iHEART es describir el comportamiento del corazón humano con ecuaciones complejas. La motivación del proyecto se basa en el hecho de que «un porcentaje muy alto de las muertes naturales en los países occidentales se debe a enfermedades cardiovasculares: el 45% de las muertes naturales son cardíacas», explica Quarteroni. «El impacto social es enorme: se estima que el costo relacionado con las enfermedades cardiovasculares para la Comunidad Europea es de aproximadamente 200 billones de dólares al año, de los cuales el 55% se debe a los costos directos de la salud, el 5% se debe a pérdidas de la productividad, el 22% se refiere a la atención informal, es decir, las personas que reciben tratamiento no en los hospitales sino en el hogar o en estructuras para-hospitalarias”.
En resumen, las enfermedades cardiovasculares constituyen un problema real para la sociedad contemporánea. Según los datos proporcionados por el decimotercer informe de salud divulgado por el Consorcio de Investigación Económica Aplicada en Salud de la Universidad de Roma Tor Vergata, las muertes por enfermedades cardiovasculares en Italia en 2015 ascendieron al 80,6%. Un promedio elevado, que también se encuentra en otros países: en Grecia (84,4%), en Alemania (82,3%), en Suecia (80,7%), en el Reino Unido (79,6%), en España (76.7%) o Francia (75.2%), solo por nombrar algunos.
Si pudieras crear un modelo de corazón virtual que simulara todas las funciones y las disfunciones cardíacas, las ventajas en términos de prevención y apoyo para los médicos serían enormes. Un sueño importante y muy complicado, el de Quarteroni: producir resultados que se puedan utilizar para cada persona, para cada corazón, en tiempo real.
Un «corazón virtual» hecho de matemáticas
Aquí, entonces, es que en este modelo las matemáticas se convierten en una cuestión de corazón. «Se cree que un porcentaje muy alto de estos problemas no es de naturaleza congénita, sino que se adquiere y, por lo tanto, puede prevenirse», aclaró Quarteroni. «Las matemáticas hacen posible representar toda la función cardíaca y, por lo tanto, crear una especie de corazón virtualcompuesto únicamente por las matemáticas. Gracias a ecuaciones muy complejas, podemos crear las condiciones para una mejor comprensión de los problemas y, por lo tanto, para una mejor prevención”.
La esperanza es que, gracias al estudio de Quarteroni y su equipo, podrá conocer en detalle los diferentes componentes que determinan el latido del corazón segundo a segundo: «El primero es el componente eléctrico. Si tenemos un corazón pulsante es porque en cada segundo de nuestra vida hay un impulso eléctrico espontáneo que se genera, una chispa que produce un campo eléctrico que luego se propaga en nuestro miocardio. Entonces hay ecuaciones que describen este comportamiento”.
Es gracias a este componente eléctrico que todas las fibras del corazón se contraen y dilatan, dando lugar al componente mecánico: la deformación de las paredes del corazón debido a la contracción y dilatación.
Más fórmulas describen la parte de la dinámica de fluidos , es decir, la dinámica de la sangre: «Cuando los ritmos y corazón se contrae y empuja la sangre (oxigenada, nota del editor ) que está contenida en el ventrículo izquierdo a la aorta, y de allí a todas las demás arterias , para alimentar a todas nuestras células. Todos estos procesos interconectados se describen mediante ecuaciones vinculadas entre sí, y por lo tanto representadas por un único problema matemático, terriblemente complejo, pero que incorpora estos aspectos y los integra entre sí”.
El modelo del corazón integrado, de hecho. Sería la primera representación completa de un corazón virtual: hasta la fecha, de hecho, solo se han obtenido diagramas parciales de funciones cardíacas.
Médicos y matemáticos juntos por la primacía de todos los italianos
Para lograr este modelo, necesitamos un elemento fundamental: la colaboración con los médicos. Una mezcla de relaciones que realmente podría conducir a una revolución en el campo de la medicina, y que en el momento de nuestros abuelos ni siquiera soñaron. Entonces, el estereotipo según el cual las matemáticas y la medicina son dos campos distintos cae.
«Se vuelve esencial una estrecha colaboración con los médicos», destaca Quarteroni. «Todos los corazones son diferentes el uno del otro. Para tener una mejor comprensión de los problemas y, por lo tanto, para desarrollar modelos mejores y personalizados, necesitamos adquirir datos”. Datos que solo se pueden recopilar con el análisis de corazones de los pacientes, obtenidos a través de tecnología médica.
«La primera fase de nuestra exploración consiste en crear un modelo geométrico del corazón. Estamos hablando de la estructura cardíaca: primero tenemos que describirla. Luego, cuando tengamos toda esta información a priori, podremos usar ecuaciones para comenzar nuestro modelo y hacerlo funcionar en ese corazón específico. Estas ecuaciones son extremadamente complejas: no hay matemático en el mundo que pueda pensar en resolverlas; en consecuencia, debe hacerse con una poderosa calculadora. Antes de llegar a la computadora, sin embargo, tenemos que traducir estas ecuaciones en un algoritmo, aproximándolas de una manera científica, para que sean ecuaciones simplificadas pero capaces de describir muy bien lo que sucede en la realidad”. Un trabajo de sinergia, por lo tanto, que une a matemáticos y médicos para trabajar por una primacía totalmente italiana.
Metas, sueños y expectativas
Los objetivos del estudio son diferentes: «Queremos ayudar al médico a comprender mejor cómo funciona esta maravillosa máquina que es el corazón y, por lo tanto, a comprender los problemas y las enfermedades de un paciente específico», el matemático toma el control. «Es como si el médico tuviera a su disposición una lupa increíble que le permitiera tener nueva información sobre el estado de funcionamiento del músculo cardíaco y, en el caso de una malformación o patología, tratar de comprender a través del modelo la evolución de las condiciones de un corazónen las semanas, con una mirada hacia el futuro «.
«Una ayuda adicional esta investigación puede dársela a los cirujanos. En el caso de que un médico evalúe la oportunidad de intervenir quirúrgicamente, existen varias opciones para la intervención: estas podrían explorarse primero gracias a las matemáticas, para ayudar al cirujano a comprender mejor qué tipo de estrategia para intervenir y luego comprender a priori si tipo de operación podría resultar efectiva o no”.
Las expectativas en este corazón virtual son de alta y justificada, pero el sueño – como él define Quarteroni – es identificar la posible evolución del comportamiento y problemas del corazón de corazones individuales en tiempo real. Una matemática, por lo tanto, complementaria al conocimiento clínico, que permitirá llevar a cabo exámenes no invasivos y extremadamente precisos, hasta la fecha no obtenibles con las tecnologías tradicionales.
Matemáticas en el centro de atención
El papel de las matemáticas en la sociedad ha cambiado tanto, hasta que asume una posición importante. Las razones de los cambios son muchas, tanto desde un punto de vista técnico como social; El hecho es que hoy las matemáticas te permiten hacer cosas que antes eran impensables. Es un poco como si hubiera entrado en escena por primera vez, después de años de tratar de ser de una manera auténtica de conocer el mundo, y no científica.
«Este tipo de matemática aplicada no estaba allí cuando comencé», recuerda Quarteroni. «Antes de ser un matemático puro, estaba interesado en probar teoremas y hacer teorías. Entonces me interesé cada vez más en los problemas de aplicación, primero para la aeronáutica, luego para los terremotos y nuevamente en el medio ambiente, el deporte y la medicina. En medicina lo han sido durante casi veinte años, mientras que en el corazón eran casi cuatro”.
El profesor continúa: «Hay tres componentes esenciales que rigen el juego y requieren un desarrollo sincrónico, que no se había desarrollado lo suficiente antes. Primero, el modelado -la representación de la realidad a través de ecuaciones y, por lo tanto, con el lenguaje de las matemáticas- no era lo suficientemente preciso. Entonces hoy hay una mejor comprensión con respecto a la traducción en algoritmos de las ecuaciones. Por último, no había computadoras tan poderosas como para resolver estas complicadas ecuaciones”.
«Desde un punto de vista social, hoy en día hay una mayor conciencia del hecho de que las matemáticas pueden ser útiles; hay una mayor apertura por parte de los médicos para colaborar con nosotros. Desde este punto de vista, todas las adquisiciones de las matemáticas, en décadas, han ayudado a crear una mayor conciencia y conciencia que conduce, por lo tanto, a buscar una colaboración con los matemáticos. Para simplificar, hoy los conocimientos teóricos básicos que tiene el médico, la experimentación y la aplicación matemática están integrados y conducen a una mejor comprensión de lo que sucede”.
Una búsqueda interminable
Si Quarteroni y su equipo ya están logrando resultados importantes con la plataforma aXurge , que ofrece soporte en el tratamiento del aneurisma aórtico abdominal, los resultados que buscan en este momento son realmente revolucionarios. Pero, Quarteroni lo sabe bien, el estudio nunca se agota: «Es una búsqueda continua, nunca hay un punto final de llegada. Es una dirección interminable de viaje”.
«Nunca llegaremos a una descripción absolutamente completa y precisa del comportamiento del corazón humano, porque nuestra naturaleza es tan compleja y maravillosamente concebida que resulta impensable poder describirla en términos finitos. Estos son desafíos gigantescos e inagotables; pero vale la pena intentarlo, porque cada pequeña conquista puede tener un valor fundamental”.
Por Sara Riboldi
17 de enero de 2018
http://www.informazionesenzafiltro.it/alfio-quarteroni-la-matematica-del-cuore/
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