Development of a New Medical Device to Detect the Endothelial Dysfunction

The endothelium is the largest organ in the human body and covers all the vessels in the cardiovascular system (heart, arteries, veins, capillaries and lymphatic system). It plays a role of primary importance in the modulation of vessel tone and blood flow, as well as other numerous functions such as the regulation of inflammatory and immune processes and vascular permeability. The alteration of this organ leads to and endothelial dysfunction is known to be implicated in the pathogenesis and clinical course of all known cardiovascular diseases (CVDs). CVDs refer to several disorders of the heart and blood vessels and include coronary, cerebrovascular, rheumatic-heart diseases and other conditions that could lead to heart attacks and strokes, with consequent premature death. A possible strategy to prevent premature deaths is identifying the individuals at highest risk of Cardiovascular Diseases (preventive healthcare) to ensure that they receive appropriate treatment. The aim of this thesis it is develop a new medical screening device to detect the endothelial dysfunction. • The main contributions of this Thesis can be summarised as follows: • Design and development of a new medical device for ED screening; • Design and development of data-driven approaches for the analysis of signals acquired with the new device; • Design and development of a new Clinical Trial Study and Protocol for the ED device in the oncology context (IOT project). • The new Clinical Decision Support Systems for ED clinical evaluation The device design and development has been a complex process rife with regulations, specifications, application requirements, and end user needs and all of which are balanced and adhered to for a successful product. Results prove the correctness of the design intuition trough the real device implementation, the effectiveness of the biomedical data processing technique and of the Clinical Decision Support System applied to a real dataset and real patients, using the proposed device. The application to Oncology Telecare is suitable and the use of the overall approach on real clinical trials will apply the proposed device and methodology to the oncological care follow-up. Part of the research presented in this thesis was carried out at the Department of Biomedical Engineering of the University of Lund. The scientific contributions of this work have been presented at an international conference and one is being reviewed in an international journal. Other results are not presented because has been protected the intellectual property of this project, indeed the project is patent pending. For this reason, the non-disclosure of this work was requested for a period of 18 months. All the work described in this thesis was supervised by Strumedical s.r.l. who co-founded of this research project.

L'endotelio è il più grande organo del corpo umano e ricopre tutti i vasi del sistema cardiovascolare (cuore, arterie, vene, capillari e sistema linfatico). Considerato in passato come semplice tessuto, svolge invece un ruolo di primaria importanza nella modulazione del tono vasale e del flusso ematico, oltre ad altre numerose funzioni come la regolazione dei processi infiammatori ed immunitari e la permeabilità vascolare. Un'alterazione dell'endotelio comporta una condizione patologica caratterizzata da una ridotta vasodilatazione, contribuendo a diverse alterazioni cardiovascolari come l'aterosclerosi, l'ipertensione e la trombosi. Tale condizione, prende il nome di disfunzione endoteliale ed è e alla base di numerosi fattori di rischio cardiovascolare come il fumo, la dislipidemia, il diabete, l'obesità, il sedentarismo, oltre ad essere presente in alcune patologie cardiovascolari come la cardiopatia ischemica e lo scompenso cardiaco. La diagnosi precoce della disfunzione endoteliale, può giocare un ruolo fondamentale nella prevenzione di eventi cardiovascolari. Ad oggi la metodica gold standard, oltre ad essere costosa ed altamente operatore dipendente, richiede l'impiego di personale specializzato, limiti che la rendono molto lontana dall'essere considerata una metodica di screening. Partendo da questa premessa, questa tesi mira a sviluppare un nuovo dispositivo di screening per valutare la funzione endoteliale. L'ambizione finale è quella di rivolgere l'utilizzo del dispositivo a tutta la popolazione, così da agevolare le azioni di prevenzione nel ridurre gli eventi cardiovascolari, rendendo quindi l'esame più accessibile alla pratica clinica. L'attenzione è stata rivolta allo sviluppo del dispositivo con tecnologia affidabile e riproducibile e allo sviluppo di algoritmi sofisticati per valutare la funzione endoteliale. Questo lavoro intende fornire uno strumento medicale da poter testare e validare in un ambiente ospedaliero, anche in campi ad oggi sconosciuti. Proprio rispetto a quest'ultimo punto, un'applicazione altamente innovativa è l'utilizzo del nuovo dispositivo sui pazienti oncologici per monitorare l'effetto dei farmaci chemioterapici. Questo aspetto è stato affrontato nel contesto di un progetto regionale chiamato Intelligent Oncology Telecare (IOT), dove il dispositivo in questione svolge un ruolo centrale del sistema di monitoraggio del paziente oncologico. Per la progettazione del dispositivo medicale sono stati eseguiti i seguenti passaggi: (a) studio delle tecnologie normalmente adoperate per lo studio della disfunzione endoteliale, (b) scelta della tecnologia, (c) definizione di tutte le specifiche a livello hardware, software e di design, (d) sviluppo di un sistema di supporto alle decisioni con applicazione basate su tecniche di "Machine Learning" (f) sviluppo degli algoritmi per rilevare dal segnale pletismografico biomedico la disfunzione endoteliale. Contestualmente, è stata seguita tutta l'attività di ricerca relativa al dispositivo nel contesto del progetto IOT, che ha permesso lo sviluppo del primo prototipo che verrà testato e validato presso l'ospedale di Fabriano. Parte dell'attività di ricerca presentata in questa tesi è stata svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Università di Lund. I due contributi scientifici prodotti da questo lavoro sono stati presentati uno a conferenza internazionale ed uno è in revisione in una rivista internazionale. Altri risultati saranno presentati una volta tutelata la proprietà intellettuale di questo progetto, a questo scopo il progetto è patent pending. Per questo motivo è stato richiesto, per un periodo di 18 mesi, la non divulgazione di questo lavoro. Tutto il lavoro descritto in questa tesi è stato supervisionato dalla Strumedical s.r.l. che ha cofinanziato questo progetto di ricerca.