Tecnologie MEMS per la salute mentale: analisi e simulazione di un controllo closed-loop del cortisolo.

Cortisol dysregulation associated with chronic stress and mood disorders is now mainly treated orally, according to an open-loop control logic without feedback on the patient's physiological state. The present work proposes and simulates a closed-cycle control system for the regulation of plasma cortisol, based on an implantable pharmacological release device of the MEMS type. The dynamics of the plant are described by a two-partment pharmacokinetic model in the form of a state, including the transport delay introduced by the actuator. Starting from open chain analysis (poles, zeros, frequency response), three control schemes are designed and compared: a PID regulator with filtered derivative, a Smith Predictor for dead time compensation and a predictive-anticipatory method (NAPE) that integrates wearable signals (HRV, EDA) to pre-compensate acute events. The simulation results show a marked improvement in the performance of the Smith Predictor compared to the PID (ISE −31%, set-up time −69%) and a safety-oriented NAPE strategy, with early rejection of disturbances and elimination of the undershoot. The work constitutes a proof of concept in simulation, a prerequisite for a future experimental validation.

La disregolazione del cortisolo associata allo stress cronico e ai disturbi dell’umore è oggi trattata prevalentemente per via orale, secondo una logica di controllo ad anello aperto priva di retroazione sullo stato fisiologico del paziente. Il presente lavoro propone e simula un sistema di controllo a ciclo chiuso per la regolazione del cortisolo plasmatico, basato su un dispositivo di rilascio farmacologico impiantabile di tipo MEMS. La dinamica dell’impianto è descritta mediante un modello farmacocinetico a due compartimenti in forma di stato, comprensivo del ritardo di trasporto introdotto dall’attuatore. A partire dall’analisi in catena aperta (poli, zeri, risposta in frequenza), vengono progettati e confrontati tre schemi di controllo: un regolatore PID con derivata filtrata, un Smith Predictor per la compensazione del tempo morto e un metodo predittivo-anticipatorio (NAPE) che integra segnali indossabili (HRV, EDA) per pre-compensare gli eventi acuti. I risultati in simulazione mostrano un netto miglioramento delle prestazioni dello Smith Predictor rispetto al PID (ISE −31%, tempo di assestamento −69%) e una strategia NAPE orientata alla sicurezza, con reiezione anticipata dei disturbi ed eliminazione dell’undershoot. Il lavoro costituisce una proof of concept in simulazione, presupposto per una futura validazione sperimentale.