iHEART: la matematica a disposizione del cuore

Un Modello Mostruosamente Complesso. Così è definito da Alfio Quarteroni, nella conferenza TEDx di Trento, il suo progetto iHEART: an integrated heart model for the simulation of the cardiac function.

Alfio Quarteroni è un matematico italiano che insegna all’Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna e ha scelto il Politecnico di Milano per questa sua ambiziosa impresa.
Ha deciso di investire oltre 2 milioni di euro del prestigioso ERC Advanced Grant, fondi del consiglio europeo della ricerca, riservati a progetti scientifici di frontiera e di costituire una equipe di ricercatori che possano sviluppare la sua idea.

Il Problema

Le malattie cardiache ad oggi sono causa di mortalità nel 45% della popolazione occidentale, con un costo stimato di circa 200 miliardi annui nella sola Europa. L’80% delle malattie cardiache è prevenibile. La medicina non è personalizzata e molte volte richiede interventi chirurgici invasivi.

La Soluzione

Creare un modello completo del cuore umano, sfruttando equazioni matematiche e dati biomedici.
Integrare in un unico modello le complessità del sistema cardiaco e gli svariati settori coinvolti:

  • la meccanica: la dinamica valvolare coinvolge la contrazione e la dilatazione delle valvole che si aprono e chiudono rapidamente, questo rende complicata la riproduzione delle fibre cardiache nella deformazione. La potenza del cuore è paragonabile poi al lavoro che si fa per comprimere una pallina da tennis e si stima che durante la nostra vita, circola nel nostro corpo, 1 milione e mezzo di barili di sangue;
  • il campo elettrico: l’elettrofisiologia studia il comportamento dell’organismo sotto l’influsso di un potenziale elettrico;
  • la fluidodinamica: il sangue è un fluido ed è descritto da un moto quasi turbolento, con viscosità variabile da persona a persona;
  • la biochimica: vengono interessati i processi di polarizzazione e depolarizzazione.

La matematica di Quarteroni è, a suo dire, una matematica predittiva, non invasiva e a basso costo, se non quello delle menti messe in campo. Il professore ha una visione molto chiara e da buon matematico punta a spacchettare e tradurre questo sistema estremamente complesso in vari sottosistemi quantificabili.

La difficoltà di calcolo, che va ben oltre le nostre capacità: 1 battito cardiaco richiede circa una settimana di calcolo, viene risolta tramite simulazioni computazionali.
L’elaborazione dei dati, acquisiti da indagini di risonanza magnetica, serve per produrre modelli sempre più accurati: dalle immagini della risonanza, si passa infatti ad un modello di cuore geometrico.

La variabilità dello stato di salute del malato, rende tutti questi processi molto mutevoli;
la sfida è quella di definire una medicina specifica per paziente, fruibile in tempo reale su smartphone o tablet, per un uso diretto da parte del medico nella sua diagnosi.

Ragione e Sentimento

Il cuore come sede dell’anima e dei sentimenti, è un’idea radicata fin dall’antichità.
Gli antichi egizi per esempio, sottoponevano il defunto alla “pesatura del cuore”.

Il dio della saggezza Thot prendeva nota dell’esito: se il cuore, cioè il depositario delle azioni compiute in vita, avesse bilanciato il peso di una piuma, allora l’uomo sarebbe risultato meritevole di proseguire il viaggio nell’aldilà.

La connessione tra matematica e sentimento e come quest’ultimo possa influire sul funzionamento del nostro muscolo cardiaco, è ancora tutto da esplorare. Il disegno del professor Quarteroni risponderà a tante domande e aprirà la strada a nuove conoscenze e a molte altre sfide.

Riferimento: Conferenza Tedx Trento – Math in the Heart di Alfio Quarteroni
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