Oggi, il trattamento dell’aneurisma dell’aorta addominale viene scelto sulla base di parametri definiti dalle linee guida. In pratica, se la dilatazione dell’aneurisma addominale rilevata alla TC (tomografia computerizzata) è superiore a 5,5 cm per l’uomo e 5 cm per la donna c’è l’indicazione all’intervento. Attualmente, la misura della dilatazione viene ottenuta manualmente dal medico direttamente sulle immagini. Tuttavia, questa non è l’unica informazione ottenibile dalla TC e, comunque, da sola, non basta a determinare il rischio e le criticità associate alla rottura dell’aneurisma.
Moxoff, uno spin-off del Politecnico di Milano, sta realizzando un modello matematico che, partendo dai dati forniti dalla TC, li analizza e li inserisce nel modello stesso con l’obiettivo di fornire al chirurgo ulteriori informazioni utili per valutare l’indicazione o meno di effettuare un intervento sul paziente, dopo aver formulato una stima del fattore di rischio di rottura dell’aneurisma.
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In che modo la matematica risponde alla richiesta di una medicina personalizzata
Per rispondere alla domanda di una diagnostica più accurata a supporto delle decisioni mediche di trattamento dell’aneurisma dell’aorta addominale, esperti di data science e modellizzazione, matematici e medici si sono messi al lavoro insieme. Il valore del progetto comune è arricchito dall’unione di diverse competenze sommato alla capacità di Moxoff di restituire al medico risultati più oggettivi e informativi di quelli ad oggi ottenuti solamente con le immagini di TC. Questo, grazie all’applicazione di complesse tecniche di analisi delle immagini, data science e modelli nell’ambito della fluidodinamica e dell’analisi strutturale.
La metodologia implementata da Moxoff permette di derivare la geometria del vaso sanguigno del paziente in maniera altamente automatizzata direttamente dalla TC e in pochi secondi. Varie misure geometriche, tra cui la dilatazione dell’aorta, curvature e angoli, vengono automaticamente calcolate e rese disponibili al chirurgo vascolare. Inoltre, grazie al modello matematico, simulando il flusso del sangue all’interno dell’aorta e il conseguente spostamento della parete aortica durante i vari battiti cardiaci, il vaso sanguigno “prende vita” e dà l’opportunità al medico di giungere ad una decisione personalizzata e più consapevole per il paziente. La tecnologia che Moxoff sta sviluppando fornirà al chirugo vascolare uno strumento per arricchire il dato clinico grezzo con informazioni derivate da esperimenti in-silico. Infine, il dottore avrà la possibilità di illustrare e meglio motivare al paziente stesso la propria strategia d’intervento, migliorando notevolmente il rapporto medico-paziente.
Con questo obiettivo è nato il progetto di Moxoff per applicare alla diagnostica medica, in modo innovativo, l’analisi e la modellizzazione matematica di dati già presenti. Lo scopo è quello di mettere a disposizione dei medici impegnati nel contrastare i rischi di rottura dell’aneurisma dell’aorta addominale uno strumento in grado di fornire una stima delle pressioni e sforzi che vengono esercitate sulla parete dei vasi, in modo da ottenere in ultima analisi un indice della probabilità di rischio di rottura dell’aneurisma e una previsione dell’evoluzione e crescita futura dell’aneurisma stesso. Il progetto prevede la realizzazione di una applicazione facilmente fruibile dal medico, in particolare in grado di ricostruire un’immagine 3D dell’aneurisma del paziente, con le relative caratteristiche morfologiche e gli indicatori di rischio specifici.
Le basi del progetto Moxoff per la diagnosi di aneurisma addominale
L’aneurisma aortico addominale è una patologia che colpisce almeno l’8% degli adulti over 65 e si presenta come una dilatazione anomala di una porzione della parete del tratto dell’aorta che porta il sangue agli organi addominali. L’aorta addominale è un grosso vaso sanguigno che, reso più fragile dalla dilatazione patologica della parete, potrebbe rompersi provocando una grave emorragia, fatale per il paziente nel 85-90% dei casi. Al momento, la decisione viene presa sulla base di linee guida generiche che tengono conto solo della dimensione della dilatazione rilevata manualmente alla TC, ma non di altri dati forniti dalla TC quali le caratteristiche fisiche del tessuto della parete dell’aorta come, ad esempio, elasticità, dimensione e curvatura, e dalle specifiche caratteristiche del flusso sanguigno. Talvolta, infatti, anche piccole dilatazioni dell’aorta, ben al di sotto di 5,5 cm, possono essere associate a un rischio elevato per il paziente o, al contrario, pazienti con vasi avente un diametro massimo superiore a 5,5 cm possono rimanere stabili per mesi o addirittura anni senza la necessità di effettuare un intervento. Le simulazioni matematiche servono ad aiutare il medico a meglio congetturare quale sarà l’evoluzione di ogni specifico aneurisma sulla base di tutti i dati morfologicii disponibili e degli indicatori matematici ottenuti dall’implementazione del modello.
Da dove nasce l’idea
Il progetto Moxoff per la medicina, e in particolare per la realizzazione di una diagnostica predittiva per il rischio di rottura dell’aneurisma dell’aorta addominale, nasce dall’incontro con Maurizio Domanin e Santi Trimarchi, chirurghi vascolari di Fondazione Policlinico di Milano e docenti di chirurgia vascolare all’Università Statale di Milano. L’idea di studiare e implementare un modello matematico in grado di produrre una simulazione della progressione della malattia nasce dalle esigenze dei chirurghi e da un obiettivo che ha le sue origini nel progetto iHEART (un ERC Grant) di cui sono direttore, che si prefigge di creare, per la prima volta, un modello completo del cuore umano, un cuore matematico quindi, con l’obiettivo futuro di creare un digital twin personalizzato della funzione cardiaca di ogni singolo paziente. Solamente la stretta collaborazione e condivisione di conoscenze tra ingegneri, matematici e medici ha reso possibile lo sviluppo di una tecnologia avanzata al servizio del paziente per la prevenzione del rischio di rottura dell’aneurisma aortico addominale.
Bibliografia
1-Colciago CM, Deparis S, Domanin M, Riccobene C, Schenone E, and A.Quarteroni A, Analysis of morphological and haemodynamical indexes in abdominal aortic aneurysms as preliminary indicators of intraluminal thrombus deposition, Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 19 (2020) pp. 1035–1053
2-Domanin M, Mandigers TJ, Quarteroni AM, Trimarchi S. Artificial intelligence techniques may innovate patient selection for thoracic endovascular aortic repair. Eur J Cardiothorac Surg 2022; doi:10.1093/ejcts/ezac526.
4-Quarteroni A, Dede’ L, Manzoni A, Vergara C, Mathematical Modelling of the Human Cardiovascular System. Data, Numerical Approximation, Clinical Applications. Cambridge University Press, 2019
