This thesis would like to contribute to the field of cardiac modeling by exploiting a strongly-coupled electromechanical model to face two challenging and innovative topics: cardiac pathologies, in particular hypertrophy, by analyzing the behavior of structures with an increasing geometric complexity (fiber, wedge and ventricle); cardiac tissue engineering, in particular the in vitro cultures designed to become implantable patches. The dissertation is organized as follows. Chapter 1 resumes the main anatomical and physiological features of the mammalian cardiac tissue, adding the example of pathology considered in this thesis, i.e. hypertrophy, and a brief discussion on cardiac cultures. Chapter 2 describes in detail the most general form of the electromechanical model and of the algorithm employed for simulating any cardiac structure in this thesis. Chapter 3 reports the simulation results about the electromechanical response of a cardiac fiber characterized by eccentric hypertrophic growth while it is subjected to different excitation-contraction protocols; an analysis on the mechanical feedbacks is included. Chapter 4 deals with the electromechanical response of a cardiac wedge contracting freely under concentric hypertrophic conditions, whose phenomena of tissue growth and fiber dispersion are analyzed. Chapter 5 studies the electromechanical response of a ventricle affected from aortic stenosis and concentric hypertrophy (characterized by tissue growth only) during an entire cardiac cycle; as in Chapter 3, the role of the mechanical feedbacks is investigated too. Chapter 6 analyzes the electromechanical effects dictated by the choice of a specific intrinsic structure and thickness for a cardiac culture developing into a patch for transplantation. Chapter 7 draws the overall conclusions of this work.

Questa tesi desidera essere un contributo nel campo della modellistica cardiaca, sfruttando un modello elettromeccanico fortemente accoppiato per affrontare due temi di notevole rilevanza e innovativi: le patologie cardiache, in particolare l’ipertrofia, analizzando il comportamento di strutture con geometria a complessità crescente (fibra, campione di parete e ventricolo); l’ingegneria tissutale cardiaca, in particolare le colture in vitro progettate per diventare patch impiantabili. La dissertazione è organizzata come segue. Il Capitolo 1 riassume i principali tratti anatomici e fisiologici del tessuto cardiaco dei mammiferi, aggiungendo l’esempio di patologia considerata in questa tesi, cioè l’ipertrofia, ed una breve discussione sulle colture cardiache. Il Capitolo 2 descrive in dettaglio il modello elettromeccanico e l’algoritmo più generali impiegati per simulare qualunque struttura cardiaca in questa tesi. Il Capitolo 3 riporta i risultati delle simulazioni riguardanti la risposta elettromeccanica di una fibra cardiaca caratterizzata da crescita ipertrofica di tessuto in modo eccentrico mentre è soggetta a diversi protocolli di eccitazione-contrazione; un’analisi sui feedback meccanici è inclusa. Il Capitolo 4 tratta la risposta elettromeccanica di un campione di parete cardiaca che si contrae liberamente in condizioni di ipertrofia concentrica, di cui sono analizzati i fenomeni di crescita tissutale e dispersione delle fibre. Il Capitolo 5 studia la risposta elettromeccanica di un ventricolo colpito da stenosi aortica e ipertrofia concentrica (caratterizzata da sola crescita tissutale) durante un intero ciclo cardiaco; come nel Capitolo 3, si indaga anche sul ruolo dei feedback meccanici. Il Capitolo 6 analizza gli effetti elettromeccanici dettati dalla scelta di una specifica struttura intrinseca ed uno specifico spessore per una coltura cardiaca che si sviluppa in un patch a fini di trapianto. Il Capitolo 7 trae le conclusioni generali di questo lavoro.

Simulazione della risposta elettromeccanica del tessuto cardiaco: approfondimenti sulla patofisiologia e ingegneria tissutale

DEL BIANCO, FABRIZIO
2017-01-30

Abstract

This thesis would like to contribute to the field of cardiac modeling by exploiting a strongly-coupled electromechanical model to face two challenging and innovative topics: cardiac pathologies, in particular hypertrophy, by analyzing the behavior of structures with an increasing geometric complexity (fiber, wedge and ventricle); cardiac tissue engineering, in particular the in vitro cultures designed to become implantable patches. The dissertation is organized as follows. Chapter 1 resumes the main anatomical and physiological features of the mammalian cardiac tissue, adding the example of pathology considered in this thesis, i.e. hypertrophy, and a brief discussion on cardiac cultures. Chapter 2 describes in detail the most general form of the electromechanical model and of the algorithm employed for simulating any cardiac structure in this thesis. Chapter 3 reports the simulation results about the electromechanical response of a cardiac fiber characterized by eccentric hypertrophic growth while it is subjected to different excitation-contraction protocols; an analysis on the mechanical feedbacks is included. Chapter 4 deals with the electromechanical response of a cardiac wedge contracting freely under concentric hypertrophic conditions, whose phenomena of tissue growth and fiber dispersion are analyzed. Chapter 5 studies the electromechanical response of a ventricle affected from aortic stenosis and concentric hypertrophy (characterized by tissue growth only) during an entire cardiac cycle; as in Chapter 3, the role of the mechanical feedbacks is investigated too. Chapter 6 analyzes the electromechanical effects dictated by the choice of a specific intrinsic structure and thickness for a cardiac culture developing into a patch for transplantation. Chapter 7 draws the overall conclusions of this work.
30-gen-2017
Questa tesi desidera essere un contributo nel campo della modellistica cardiaca, sfruttando un modello elettromeccanico fortemente accoppiato per affrontare due temi di notevole rilevanza e innovativi: le patologie cardiache, in particolare l’ipertrofia, analizzando il comportamento di strutture con geometria a complessità crescente (fibra, campione di parete e ventricolo); l’ingegneria tissutale cardiaca, in particolare le colture in vitro progettate per diventare patch impiantabili. La dissertazione è organizzata come segue. Il Capitolo 1 riassume i principali tratti anatomici e fisiologici del tessuto cardiaco dei mammiferi, aggiungendo l’esempio di patologia considerata in questa tesi, cioè l’ipertrofia, ed una breve discussione sulle colture cardiache. Il Capitolo 2 descrive in dettaglio il modello elettromeccanico e l’algoritmo più generali impiegati per simulare qualunque struttura cardiaca in questa tesi. Il Capitolo 3 riporta i risultati delle simulazioni riguardanti la risposta elettromeccanica di una fibra cardiaca caratterizzata da crescita ipertrofica di tessuto in modo eccentrico mentre è soggetta a diversi protocolli di eccitazione-contrazione; un’analisi sui feedback meccanici è inclusa. Il Capitolo 4 tratta la risposta elettromeccanica di un campione di parete cardiaca che si contrae liberamente in condizioni di ipertrofia concentrica, di cui sono analizzati i fenomeni di crescita tissutale e dispersione delle fibre. Il Capitolo 5 studia la risposta elettromeccanica di un ventricolo colpito da stenosi aortica e ipertrofia concentrica (caratterizzata da sola crescita tissutale) durante un intero ciclo cardiaco; come nel Capitolo 3, si indaga anche sul ruolo dei feedback meccanici. Il Capitolo 6 analizza gli effetti elettromeccanici dettati dalla scelta di una specifica struttura intrinseca ed uno specifico spessore per una coltura cardiaca che si sviluppa in un patch a fini di trapianto. Il Capitolo 7 trae le conclusioni generali di questo lavoro.
modellistica; cardiaca,; ipertrofia,; ingegneria; tissutale
cardiac; modeling,; hypertrophy,; tissue; tissutale
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Descrizione: tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11571/1203353
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