Battiti simulati ed equazioni matematiche sono la nuova frontiera della cardiologia
Sin dai tempi antichi, il cuore è stato considerato il santuario dell’anima e delle emozioni. Un organo che, per scienziati, medici e ingegneri, va oltre il suo simbolismo romantico, rivelando una complessità meccanica che sfida la nostra tecnologia più avanzata.
La sua storia inizia ancor prima della nascita, quando inizia a battere nel grembo materno, e continua a pulsare ininterrottamente per tutta la vita compiendo un numero stupefacente di battiti: in media 70 al minuto, 100.000 al giorno, 38 milioni all’anno, fino all’ultimo sospiro.
Recentemente un team di ricerca guidato dal matematico Alfio Quarteroni, professore emerito del Politecnico di Milano e del Politecnico di Losanna, ha compiuto un salto epocale, creando la prima simulazione completa in 3D del cuore umano, comprensiva del flusso sanguigno e del sistema circolatorio periferico.
Il suo nome è iHeart Simulator, ed è uno strumento che non solo rappresenta un trionfo per matematici e cardiologi, ma si dimostra un alleato fondamentale per valutare interventi cruciali.
Quarteroni, figura di spicco nel mondo della matematica applicata, ha un passato di successi, tra cui simulazioni per l’ottimizzazione della barca a vela svizzera Alinghi, vincitrice di due edizioni della Coppa America, e contributi allo sviluppo dell’aereo a propulsione solare Solar Impulse, che nel 2016 ha completato il giro del mondo. E la simulazione del cuore segna l’apice di questa straordinaria carriera, resa possibile grazie a un progetto di ricerca europeo che si è concluso a maggio 2023.
L’arte della matematica a servizio del cuore
iHeart Simulator si configura come una complessa rete di equazioni matematiche, le “leggi del cuore”: queste equazioni descrivono il flusso del sangue nei ventricoli e negli atri, i battiti cardiaci con le loro contrazioni e dilatazioni, nonché la generazione e la propagazione del campo elettrico attraverso i meccanismi biochimici a livello cellulare. «Tutto dipende da tutto e tutto influenza tutto», spiega Quarteroni.
La simulazione è applicabile a qualsiasi cuore, incorporando segnali elettrici e flussi sanguigni. Ma per valutare specifici cuori individuali sono necessari dati dettagliati ottenuti da tomografie, risonanze, ecografie ed elettrocardiogrammi. E grazie alla collaborazione con ospedali nazionali e internazionali – San Camillo di Roma, Humanitas, San Raffaele e Sacco di Milano, e la Johns Hopkins University negli Stati Uniti – il team integra queste informazioni per adattare la simulazione alle caratteristiche uniche di ciascun paziente.
Un balletto di ioni e flussi sanguigni
Il cuore, macchina perfettamente sincronizzata, nasce da un impulso elettrico che si origina nel nodo seno-atriale: «Ogni secondo, nel momento in cui si genera l’impulso, riprende la nostra vita», sottolinea. L’impulso, infatti, si produce spontaneamente in questa minuscola regione, contenente pacemaker naturali; il modello, unendo la parte elettrica a quella meccanica, ricostruisce l’intero processo.
Nel suo insieme, iHeart rappresenta una complessità computazionale monumentale, richiedendo un supercomputer come il Leonardo del consorzio interuniversitario Cineca, con oltre 1.150 professori impegnati a completare una simulazione di un singolo battito in circa 4 ore.
Oltre la prima versione: nuovi orizzonti per la ricerca cardiaca
L’iHeart Simulator, attualmente nella sua versione 1.0, rappresenta solo l’inizio: Quarteroni mira a migliorare le diagnosi, personalizzare le protesi cardiache, adattare i trattamenti farmacologici e guidare interventi chirurgici ottimali.
Queste applicazioni, attualmente di nicchia, potrebbero trasformarsi in pratiche mediche quotidiane: in un continente in cui il 45% delle morti è attribuibile a malattie cardiovascolari, l’avanzamento di queste ricerche è cruciale per una popolazione sempre più consapevole della propria salute cardiaca.
Dunque, il viaggio virtuale attraverso il cuore umano, guidato dalle equazioni matematiche, offre non solo una visione straordinaria della complessità fisiologica, ma promette anche di plasmare il futuro delle cure cardiologiche personalizzate. Con la simulazione del cuore, la matematica e la medicina si stringono la mano, aprendo nuove porte verso la comprensione e il trattamento delle malattie cardiache.
