Simulazioni numeriche Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) per applicazioni di bioingegneria cardiovascolare

Abstract

La trombosi è una patologia che comporta la formazione di trombi che ostruiscono le arterie e, in particolari condizioni, possono essere trasportati nel sistema cardiocircolatorio causando infarto del miocardio, ictus o embolia polmonare. Si tratta di un processo molto complesso e non del tutto compreso a causa della compartecipazione di diversi fattori, tra cui l’attivazione e l’aggregazione piastrinica, le interazioni chimiche tra i reagenti coinvolti e l’effetto dell’emodinamica. Dal momento che le soluzioni analitiche risultano spesso inadeguate e difficilmente risolvibili, la ricerca sta evolvendo sempre più verso l’utilizzo di metodi computazionali grazie ai progressi nell’elaborazione computazionale.

Questo studio mira all’analisi della formazione, crescita ed evoluzione del trombo tramite un metodo numerico a particelle SPH accoppiato ad un modello di interazione fluido struttura (FSI). A differenza dei tradizionali e ben più utilizzati metodi Euleriani, il metodo SPH, grazie alla sua natura meshless e Lagrangiana, si presta molto bene a catturare in modo realistico l’interazione multifisica tra flusso sanguigno e trombi. Inoltre, l’accoppiamento con un approccio FSI permette di studiare la formazione del trombo mediante lo sviluppo di forze tra particelle. La concentrazione delle diverse specie bio-chimiche coinvolte nella cascata coagulativa può essere descritta attraverso equazioni di convezione-diffusione.

A tale progetto partecipano le dottoresse Alessandra Monteleone (Ri.MED) ed Alessia Viola (Ri.MED e Università degli Studi di Palermo).

Impatto:

La trombosi è un problema rilevante nella progettazione ed implementazione di protesi cardiovascolari ed organi artificiali. Il maggiore ostacolo per la prevenzione e il trattamento di questa patologia è la scarsa conoscenza dei meccanismi coinvolti. Lo studio dell’emodinamica può offrire delle indicazioni essenziali sulla prevenzione del rischio da trombosi.

Questo progetto di ricerca mira a sviluppare una piattaforma numerica ad elevato potenziale nella diagnosi e nel trattamento di malattie cardiovascolari, simulando sia l’effetto dell’emodinamica che la formazione del trombo. In futuro, utilizzando modelli patient-specific, questo strumento diagnostico potrebbe fornire indicazioni per lo sviluppo di nuovi dispositivi, valutandone le prestazioni e i rischi, ed indicandone i possibili miglioramenti prima di un eventuale realizzazione prototipale. Inoltre, la simulazione di patologie (quali ad esempio la fibrillazione atriale) permetterebbe di fornire ulteriori chiarimenti e/o indicazioni per la loro prevenzione e cura.

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