Il ritmo cardiaco

La contrazione coordinata e ritmica del muscolo cardiaco è vitale perché il cuore possa svolgere la sua funzione primaria: pompare il sangue ricco di ossigeno in tutto il corpo. Migliorare la nostra capacità di diagnosticare e trattare le aritmie (ritmi anomali) è uno strumento cruciale per combattere contro le malattie cardiache, che sono, lo ricordiamo, la principale causa di morte nei paesi occidentali.

La variabilità del battito cardiaco.
Un cuore che batte a un ritmo perfettamente regolare è sicuramente soggetto a gravi patologie. Il ritmo cardiaco è regolato dal sistema nervoso autonomo (SNA) e da altri fattori; il SNA usa diversi neurotrasmettitori per accelerare o rallentare il battito cardiaco e anche deboli variazioni dei livelli di queste molecole inducono una variabilità dell'intervallo tra due battiti consecutivi.

L'intervallo tra due battiti consecutivi viene solitamente identificato con l'intervallo RR in un ECG (si veda la figura precedente); per determinare la variabilità del battito cardiaco si dovrà studiare la serie storica degli intervalli RR.

La sfida proposta nel 2002 dal "Computers in Cardiology Challenge" era la seguente. Costruire un metodo stabile per distinguere le serie storiche di intervalli RR di persone sane da quelle di persone affette da patologie cardiache. Si veda qui per la presentazione della sfida e qui per una analisi dei risultati.

Per avere una idea del tipo di risultati che stiamo cercando, presentiamo un articolo del 2005 (Costa, Goldberger, Peng, 2005, il link potrebbe non funzionare per ragioni di copyright).
Esempio: si vogliono distinguere i pazienti sani dai malati di insufficienza cardiaca e dai malati di fibrillazione atriale (un tipo di aritmia).
Si osservano tre differenti comportamenti: (1) la misura dell'entropia delle serie temporali dei pazienti sani aumenta sulle scale di tempo più brevi e quindi tende a stabilizzarsi su un valore costante; (2) la misura dell'entropia delle serie temporali ottenute da soggetti con insufficienza cardiaca diminuiscono bruscamente a brevi scale temporali per poi risalire, e (3) la misura dell'entropia delle serie temporali per pazienti soggetta a fibrillazione atriale decresce monotonicamente.

Controllare il ritmo.
Una volta determinato l'insorgere dell'aritmia il passo seguente è quello di (cercare di) fermarla. Avete sicuramente visto nei film o alla televisione le scene in cui un defibrillatore esterno è usato per produrre uno shock in pazienti in arresto cardiaco. Sebbene sia molto coreografico, questo intervento ha numerosi effetti collaterali. Numerosi pazienti sono, invece, curati attraverso un sistema più delicato, ossia il defibrillatore cardiaco impiantabile. Questo apparecchio, che viene inserito attraverso una operazione chirurgica, è progettato per intervenire all'insorgenza di fibrillazioni cardiache potenzialmente letali. L'uso si fonda su dei piccoli shock che vengono inviati al cuore per normalizzare il ritmo cardiaco: quanto il defibrillatore entra in funzione può causare un inteso dolore. Si dovrà allora cercare un modo diverso di controllare il battito cardiaco, magari utilizzando stimoli meno intensi ma meglio localizzati temporalmente che raggiungano lo stesso obiettivo.

La sfida: sviluppare un algoritmo di controllo stabile che possa sopprimere un ritmo anormale che sia sorto nel cuore.

Bisogna sottolineare che, nella letteratura medica, le spiegazioni sul come e perché i defibrillatori funzionano sono di tipo euristico piuttosto che matematico.
Alcuni risultati sono stati ottenuti (ad esempio dal gruppo di Isomura, 2008); tuttavia il punto fondamentale rimane, al momento, insuperabile: i risultati noti valgono localmente, ossia sono in grado di controllare l'andamento su piccole zone di tessuto; tuttavia, diversi studi mostrano (sia da un punto di vista sperimentale che da un punto di vista teorico) che l'applicazione di tali schemi localmente non è (necessariamente) in grado di controllare il ritmo su domini spaziali abbastanza estesi da poter essere utili al controllo del battito del cuore nella sua interezza.