Optimization study of cardiac resynchronization therapy by means of a calibrated electro-mechanics computational model

Cardiac resynchronization therapy (CRT) is a treatment for heart failure, that aims at restoring the correct pumping action of the heart. CRT consists of the implantation of a pulse generator, that sends electrical stimuli to heart chambers by means of two electrodes, placed at the apex of the right ventricle and on the epicardium of the left ventricle, inside the epicardial coronary vein. CRT is indicated in patients with left bundle branch block (LBBB), a conduction disorder that leads to an impaired left ventricular activation and contraction. However, 30% of patients selected under the current guidelines do not respond to CRT, which could even worsen their clinical condition. In this context, this thesis aims at investigating how CRT outcomes could be improved, by means of a computational electro-mechanics (EM) model of the left ventricle. In particular, we analyse four patients who underwent CRT in Ospedale S. Maria del Carmine in Rovereto (Italy). For each patient, we first model the pre-operative condition, calibrating the EM model with electrical and mechanical measures provided by Ospedale S. Maria del Carmine. To speed-up the mechanical calibration procedure, we introduce a novel approach that exploits a cardiac emulator, which is a surrogate 0D cardiac model, built on the basis of left ventricle pressure-volume transients obtained from EM simulations. The 0D emulator allows performing the mechanical calibration in a fast and efficient way, decreasing the computational cost needed. The calibrated pre-operative model is then exploited to simulate acute post-CRT scenarios, hypothesizing that cardiac electrical and mechanical properties do not change just after the implant. To investigate how CRT outcomes could be improved, we test different configurations: in particular, we study the influence of different right and left electrode positions and how the setting of the time interval between the right and left stimuli can affect the efficacy therapy. All the configurations are compared with the pre-operative condition by means of suitable clinical indices.

La terapia di resincronizzazione cardiaca è un trattamento per lo scompenso cardiaco, volto a ripristinare la corretta azione di pompaggio del cuore. La tecnica consiste nell'impiantare un pacemaker che manda impulsi elettrici ai due ventricoli, attraverso due cavi con elettrodi posti nell'apice del ventricolo destro e sull'epicardio del ventricolo sinistro. La terapia è indicata in pazienti con blocco di branca sinistra, un'anomalia della conduzione elettrica cardiaca che porta a una contrazione ventricolare asincrona. Nella pratica clinica, il 30% dei pazienti selezionati per la terapia non mostra nessun miglioramento, andando anzi incontro in alcuni casi a un peggioramento delle condizioni cliniche. In questo contesto, l'obiettivo di questo lavoro è indagare come si possa migliorare la terapia, utilizzando un modello computazionale elettro-meccanico del ventricolo sinistro. In particolare, in questa tesi si analizzano quattro pazienti trattati con terapia di resincronizzazione cardiaca all'Ospedale S. Maria del Carmine a Rovereto (Italia). Per ogni paziente, si modellizza lo scenario pre-operatorio, sfruttando le misure elettriche e meccaniche fornite dall'Ospedale S. Maria del Carmine per calibrare il modello elettro-meccanico. Per velocizzare la procedura di calibrazione meccanica, in questa tesi viene usato un emulatore cardiaco, ovvero un modello 0D del cuore costruito sulla base dei tracciati di volume e pressione del ventricolo sinistro, ottenuti da simulazioni elettro-meccaniche. L'emulatore 0D permette di svolgere la calibrazione meccanica in modo veloce e efficiente, diminuendo il costo computazionale della procedura. Il modello pre-operatorio è poi sfruttato per simulare la terapia in acuto, ipotizzando che le proprietà elettriche e meccaniche del cuore non cambino subito dopo l'impianto. Per capire come si possa ottimizzare la terapia, in questa tesi sono analizzati diversi scenari: in particolare, si studia come le posizioni dell'elettrodo destro e sinistro e come la regolazione del tempo che intercorre tra lo stimolo al ventricolo destro e al sinistro possano influenzare la terapia. Tutte le configurazioni sono confrontate con lo scenario pre-operatorio attraverso appropriati indici clinici.