A computational study based on a 3D electromechanical cardiac model for cardiac resynchronization therapy optimization

Advanced numerical methodologies have made significant progress in recent decades, providing essential support for clinical applications. This thesis focuses on cardiac electrophysiology and mechanics, with the aim of optimizing Cardiac Resynchronization Therapy (CRT) in both monoventricular and biventricular configurations. CRT is an medical procedure that involves the implantation of a device delivering electrical stimuli to the heart chambers through three leads. It is primarily used to restore coordinated ventricular contraction and improve systolic function in patients with heart failure (HF) and ventricular dyssynchrony (VD), caused by left bundle branch block (LBBB) a conduction disorder that delays activation of the left ventricle (LV). Despite its efficacy, CRT has a non-response rate of approximately 30\%. This work investigates three patients from the Hospital of Santa Maria del Carmine in Rovereto, diagnosed with LBBB and unresponsive to prior CRT therapy. Using pre-CRT clinical data and anatomically personalized cardiac geometries, a comprehensive calibration of the Eikonal Reaction-Mechanics (ERM) model was performed. This patient-specific electromechanical model aims to estimate the physical parameters that best reproduce the baseline cardiac behavior and evaluate the effectiveness of alternative CRT configurations through virtual CRT scenarios. A crucial aspect of this study is the integration of the physiological resting state, free from external loads, a condition often neglected in monoventricular computational analyses. Subsequently, the simulations were validated in a more realistic setting using a stressed configuration, which incorporates the effects of hemodynamic forces. The proposed methodology represents a non-invasive, simulation-based approach with the potential to reduce the CRT non-response rate and support the development of more effective personalized therapeutic strategies.

Questa tesi esplora l’applicazione di metodologie numeriche avanzate nel contesto clinico, ambito in cui, negli ultimi decenni, tali approcci hanno compiuto notevoli progressi, fornendo un supporto cruciale alla comprensione e all’ottimizzazione dei trattamenti terapeutici. In particolare, l’analisi si focalizza sull’elettromeccanica cardiaca nel contesto della cardiologia clinica, con focus sull’ottimizzazione della Terapia di Resincronizzazione Cardiaca, sia in configurazione monoventricolare che biventricolare. La CRT è una procedura che prevede l’impianto di un dispositivo in grado di inviare stimoli elettrici alle camere cardiache tramite tre elettrodi, con lo scopo di ripristinare una contrazione ventricolare coordinata e di conseguenza, migliorare la funzione sistolica. Viene applicata a pazienti affetti da scompenso cardiaco e dissincronia ventricolare, condizione spesso causata da blocco di branca sinistra, un disturbo della conduzione elettrica che provoca un ritardo nell’attivazione del ventricolo sinistro. Nonostante la sua efficacia, la CRT presenta un tasso di non risposta pari a circa il 30\%. Questo studio analizza tre pazienti dell'Ospedale Santa Maria del Carmine di Rovereto, diagnosticati con blocco di branca sinistra e non responsivi ad una precedente terapia CRT. A partire dai dati clinici pre-CRT e da geometrie cardiache personalizzate ricostruite anatomicamente, è stata eseguita una calibrazione completa del modello elettromeccanico (EM) del ventricolo sinistro noto come modello Eikonal Reaction-Mechanics (ERM). Questo modello paziente-specifico consente di stimare i parametri fisici che meglio riproducono il comportamento cardiaco preoperatorio, al fine di valutare l’efficacia di diverse configurazioni di CRT virtuale. Un aspetto cruciale di questo studio è l’integrazione della condizione fisiologica di riposo, priva di carichi esterni, spesso trascurata nelle analisi computazionali monoventricolari. Successivamente, le simulazioni sono state validate in un contesto più realistico mediante una configurazione in condizioni di carico, che incorpora gli effetti delle forze emodinamiche. La metodologia proposta rappresenta un approccio non invasivo e basato sulla simulazione, con il potenziale di ridurre il tasso di non risposta alla CRT e di supportare lo sviluppo di strategie terapeutiche personalizzate più efficaci.