Edema Cerebrale e Ipertensione Intracranica

Traumatic Brain Injury (TBI) is a complex, evolving condition where the primary injury triggers a cascade of biophysical events, leading to cerebral edema and critical alterations in Intracranial Pressure (ICP). This thesis analyzes this pathophysiological progression from a bioengineering perspective, aiming to transcend the traditional clinical view that treats ICP as a mere numerical parameter for monitoring. Starting from the volumetric constraints defined by the Monro-Kellie Doctrine, this work establishes the mathematical framework necessary to describe the brain not as a static mass, but as a deformable poroelastic medium. Through a review of the literature, constitutive models based on Biot’s theory were examined; these models integrate Darcy’s Law for interstitial flow and Starling’s Law for capillary filtration, demonstrating their essential role in informing modern Finite Element Method (FEM) simulations. The investigation extends to monitoring technologies, comparing the accuracy of the invasive gold standard (External Ventricular Drain) with emerging non-invasive methods, while highlighting waveform analysis (specifically the P2/P1 ratio) as an early indicator of reduced compliance. Finally, the thesis discusses the limitations of current computational models often oversimplified by assuming isotropy, and identifies the integration of structural anisotropy (via Diffusion Tensor Imaging) and the use of Artificial Intelligence (PINNs) as key pathways for developing "Digital Twins" capable of supporting real-time clinical decision-making.

Il Trauma Cranico (TBI) rappresenta una patologia evolutiva complessa, in cui il danno primario innesca una cascata di eventi biofisici, che conducono all'edema cerebrale e alla critica alterazione della pressione intracranica (ICP). Il presente elaborato di tesi si propone di analizzare questa progressione fisiopatologica adottando una prospettiva bioingegneristica, con l'obiettivo di superare la tradizionale visione clinica che riduce l'ICP a un parametro numerico di monitoraggio. Partendo dai vincoli volumetrici imposti dalla Dottrina di Monro-Kellie, il lavoro ricostruisce il framework matematico necessario per descrivere il cervello non come una massa statica, bensì come un mezzo poroelastico deformabile. Attraverso la revisione della letteratura, sono stati approfonditi i modelli costitutivi basati sulla Teoria di Biot, che integrano la Legge di Darcy per il flusso interstiziale e la Legge di Starling per la filtrazione capillare, evidenziando come questi strumenti siano essenziali per istruire le moderne simulazioni agli Elementi Finiti (FEM). L'indagine si estende alle tecnologie di monitoraggio, confrontando l'accuratezza del gold standard invasivo (il drenaggio ventricolare esterno) con le emergenti metodiche non invasive e valorizzando l'analisi della forma d'onda (rapporto P2/P1), quale indicatore precoce di ridotta compliance. Infine, l'elaborato discute i limiti degli attuali modelli computazionali, spesso semplificati dall'ipotesi di isotropia, individuando nell'integrazione dell'anisotropia strutturale (tramite Diffusion Tensor Imaging) e nell'uso dell'Intelligenza Artificiale (PINNs) le chiavi per lo sviluppo di "Gemelli Digitali", capaci di supportare il processo decisionale clinico in tempo reale.