ETD

Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

Tesi etd-04052020-154736


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
DE LUCA, DANIELA
URN
etd-04052020-154736
Titolo
Restoring Autonomic Cardiovascular Control in Heart Transplant Recipients: A Model-based Approach
Dipartimento
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Corso di studi
BIONICS ENGINEERING
Relatori
relatore Prof. Micera, Silvestro
correlatore Prof. Moscato, Francesco
controrelatore Prof. Valenza, Gaetano
Parole chiave
  • trapianto di cuore
  • denervazione cardiaca
  • neuroprotesi
  • modellizzazione
  • medicina bioelettronica
  • heart transplant
  • cardiac denervation
  • neuroprostheses
  • modeling
  • bioelectronic medicine
Data inizio appello
24/04/2020
Consultabilità
Non consultabile
Data di rilascio
24/04/2090
Riassunto
Il trapianto di cuore è l'ultima risorsa per pazienti che soffrono di grave insufficienza cardiaca o di severe malattie delle arterie coronarie; questo intervento è fondamentale per la loro sopravvivenza e dovrebbe garantire loro un'adeguata qualità di vita. Tuttavia, una conseguenza inevitabile è la denervazione cardiaca, poiché i neuroni post-gangliari sono tagliati durante l'intervento. Le conseguenze si manifestano attraverso una maggiore frequenza cardiaca media a riposo e una riduzione del massimo sforzo fisico tollerato, a causa dell’incompetenza cronotropica.
Alcuni studi evidenziano l'esistenza della reinnervazione, ma i meccanismi alla base di questo fenomeno non sono chiari, così come le sue tempistiche. Inoltre, in genere nessun paziente mostra segni di reinnervazione prima di un anno dal trapianto. Ultimamente, alcuni studi sulla stimolazione del nervo vago hanno riportato che questa tecnica potrebbe essere utile nel trattamento dell'insufficienza cardiaca, agendo su sintomi che spesso sono anche caratteristici di chi ha subito un trapianto di cuore. Tuttavia, si tratta di una tecnica che richiede ulteriori studi ed esperimenti, e gli effetti dipendono in gran parte dai parametri utilizzati per la stimolazione.
Il progetto H2020 NeuHeart ha lo scopo di indagare ulteriormente questo fenomeno e di progettare
una neuroprotesi, interfacciata con il nervo vago, per ripristinare il controllo autonomo cardiovascolare attraverso un meccanismo di controllo a circuito chiuso. Questa tesi fa parte del suddetto progetto, e il suo scopo
è stato quello di sviluppare un modello matematico del sistema cardiovascolare dei riceventi di trapianto. Tale modello è utile per fornire conoscenze sul sistema cardiovascolare dopo post-trapianto, e per progettare il controllo ad anello chiuso di una neuroprotesi. Inoltre, è stata migliorata la configurazione di una piattaforma per eseguire esperimenti di stimolazione del nervo vago.
Il modello è a zero-dimensionale e integra due parti, ossia il controllo intrinseco (emodinamico) e il controllo autonomo a breve termine, ei suoi parametri sono stati messi a punto sulla base dei dati pubblicati di 14 studi. Questi sono stati selezionati sulla base del tempo postoperatorio, delle caratteristiche demografiche (età, peso, percentuale femminile) e del protocollo di esercizio utilizzato.
Inoltre, è stato incluso un modello monocellulare dell'attività pacemaker del nodo senoatriale. Il modello è in grado di riprodurre le condizioni di riposo e la risposta all'esercizio fisico in buon accordo con i valori delle variabili emodinamiche riportati in letteratura. I cambiamenti nella heart rate variability, misurata a partire da serie di intervalli RR, sono coerenti con le modifiche degli input del modello. Questi risultati suggeriscono che il modello può rivelarsi uno strumento utile per comprendere meglio i meccanismi alla base dell'incompetenza cronotropa e per progettare una corretta strategia di controllo ad anello chiuso.
La piattaforma di neurostimolazione su cui ho lavorato è una Neurophysiology workstation WS8 della Tucker-Davis Technologies. L'utente può comunicarci attraverso un'interfaccia grafica (GUI) su MATLAB, attraverso la quale può impostare tutti i parametri di stimolazione e leggere i dati in uscita. Alcuni problemi riguardavano l'efficienza temporale e il design dell'interfaccia grafica, che potrebbe apparire caotica e difficile da usare per gli utenti non esperti. Così, per adattare il suo utilizzo agli esperimenti di stimolazione del nervo vago, e per renderlo più chiaro a terzi, la sua configurazione è stata ottimizzata e la sua tempistica è stata resa più efficiente, così come la GUI. In futuro, la combinazione delle conoscenze acquisite attraverso il modello e l’utilizzo di questo sistema saranno essenziali per condurre esperimenti su VNS.

EN:
Heart transplantation (HTx) is the last resort for patients suffering from end-stage heart failure or critical coronary artery disease; this surgery is crucial for their survival and should guarantee them an adequate quality of life. However, an inevitable consequence is cardiac
denervation, since post-ganglionic neurons are cut off during surgery. This manifests through higher average resting heart rate and reduced maximum tolerated exertion due to chronotropic
incompetence. Some studies highlight the existence of reinnervation, but the mechanisms underlying this phenomenon are unclear, as well as its timing. Furthermore, typically no patients show signs of reinnervation before one year after transplantation. Lately, some studies on vagus nerve stimulation have reported that this technique could be useful in the treatment of heart failure, acting on symptoms that are often also characteristic of those who have undergone a heart transplant. However, it is a technique that requires further studies and experiments, and the effects depend largely on the parameters used for stimulation.
The H2020 European NeuHeart Project has the aim of further investigating this phenomenon and designing
a neuroprosthesis, interfaced with the vagus nerve, to restore the cardiovascular autonomic control through a closed-loop control mechanism. This thesis is part of this project, and its purpose
was to develop a numerical model of the cardiovascular system of HTx recipients. Such a model is useful to provide knowledge about the cardiovascular system after HTx, and to design the closed-loop control of a neuroprosthesis. In addition, the setup of a platform to perform vagus nerve stimulation (VNS) experiments has been improved.
The model is zero-dimensional and integrates two subparts, namely the intrinsic (hemodynamic) control and an autonomic short-term control, and its parameters were tuned based on pooled published data of 14 studies. These were selected on the basis of postoperative time, demographic characteristics (age, weight, female percentage) and exercise protocol. Furthermore, a
single-cell model of the pacemaker activity of the sinoatrial node was included. The
model can reproduce conditions of rest and exercise response with good accordance with literature of hemodynamic variables. Changes in heart rate variability
measured from RR intervals series are coherent with modifications in the model
inputs. These results suggest the model can prove to be a useful tool for better
understanding the mechanisms underlying chronotropic incompetence, and for
designing a proper closed-loop control strategy.
The neurostimulation platform on which I worked is a Neurophysiology workstation WS8 by Tucker-Davis Technologies. The user can interface it with a graphical user interface (GUI) on MATLAB, through which he/she can set all the stimulation parameters and read the output data. Some issues regarded time efficiency and the design of the GUI, which might look chaotic and difficult to use to non-expert users. So, to adapt its usage to vagus nerve stimulation experiments, and to make it clearer to third parts, its setup was optimized, and its timing was made more efficient, as well as its graphical user interface. In the future, the combination of the knowledge acquired through the model and the use of this platform will be essential for conducting experiments on VNS.
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