Un’incubatrice neonatale è un dispositivo finalizzato a contenere un neonato e realizzato nello specifico per bambini nati prematuri o considerati ad alto rischio, proteggendoli da basse temperature, infezioni, rumore, correnti d’aria, eccessivo stress fisico ed esposizione a germi o contaminanti ambientali. Poiché questi pazienti non sono in grado di regolare la propria temperatura corporea, il dispositivo, costituito da un ambiente chiuso ed isolato dall’esterno, permette di fornire aria riscaldata, umidificata e arricchita con ossigeno che, mantenendosi entro certi limiti, permetta al bambino di sopravvivere garantendogli i corretti valori dei parametri vitali e le condizioni necessarie allo sviluppo. Sebbene il controllo di temperatura sia uno dei primi ad essere stato studiato, ancora oggi presenta alcune criticità. Le incubatrici moderne prevedono un controllo della temperatura secondo due modalità: Air Mode e Skin Mode. In Skin Mode, il sistema si occupa di mantenere la temperatura della pelle del neonato entro uno specifico range, agendo attraverso l'attuatore sulla temperatura dell'aria, ma generando fluttuazioni su quest'ultima, mentre in Air Mode viene controllata la temperatura dell'aria agendo sempre sull'aria stessa ed escludendo il neonato dal controllo. Una possibile soluzione a questa problematica può essere quella di integrare i due controlli attraverso un sistema più complesso che tenga conto di entrambi gli input e di come questi si influenzino a vicenda. Dal momento che sviluppare e testare questi algoritmi di controllo direttamente su un paziente non è possibile e l'uso di manichini spesso non dà risultati accurati, il presente lavoro, partendo da queste criticità, ha avuto come obiettivo quello di studiare e sviluppare un modello di incubatrice e neonato in grado di simulare lo scambio termico tra i corpi coinvolti. Partendo da vari studi presenti in letteratura, si è quindi realizzato un modello in silico in grado di valutare il trasferimento di calore tra vari compartimenti come i tessuti interni del neonato, i vasi sanguigni, la pelle, l'aria e il riscaldatore, integrabile con un sistema di controllo e che permetta quindi di studiare in silico gli effetti delle nuove soluzioni proposte. Un'altra problematica associata al controllo della temperatura cutanea è il distacco del sensore adesivo, normalmente un termistore, che può essere risolto con l'uso di sensori contactless integrabili nel sistema. Il secondo obiettivo di questo progetto è stato quindi quello di studiare la possibilità di utilizzare un sensore a infrarossi per hobbistica come soluzione alle problematiche emerse dai termistori adesivi utilizzati nelle moderne incubatrici e isole neonatali, valutandone la capacità di rilevare correttamente la temperatura cutanea

Modelli per la simulazione e il controllo automatico di temperatura in un'incubatrice neonatale

VENTURI, FEDERICO
2022/2023

Abstract

Un’incubatrice neonatale è un dispositivo finalizzato a contenere un neonato e realizzato nello specifico per bambini nati prematuri o considerati ad alto rischio, proteggendoli da basse temperature, infezioni, rumore, correnti d’aria, eccessivo stress fisico ed esposizione a germi o contaminanti ambientali. Poiché questi pazienti non sono in grado di regolare la propria temperatura corporea, il dispositivo, costituito da un ambiente chiuso ed isolato dall’esterno, permette di fornire aria riscaldata, umidificata e arricchita con ossigeno che, mantenendosi entro certi limiti, permetta al bambino di sopravvivere garantendogli i corretti valori dei parametri vitali e le condizioni necessarie allo sviluppo. Sebbene il controllo di temperatura sia uno dei primi ad essere stato studiato, ancora oggi presenta alcune criticità. Le incubatrici moderne prevedono un controllo della temperatura secondo due modalità: Air Mode e Skin Mode. In Skin Mode, il sistema si occupa di mantenere la temperatura della pelle del neonato entro uno specifico range, agendo attraverso l'attuatore sulla temperatura dell'aria, ma generando fluttuazioni su quest'ultima, mentre in Air Mode viene controllata la temperatura dell'aria agendo sempre sull'aria stessa ed escludendo il neonato dal controllo. Una possibile soluzione a questa problematica può essere quella di integrare i due controlli attraverso un sistema più complesso che tenga conto di entrambi gli input e di come questi si influenzino a vicenda. Dal momento che sviluppare e testare questi algoritmi di controllo direttamente su un paziente non è possibile e l'uso di manichini spesso non dà risultati accurati, il presente lavoro, partendo da queste criticità, ha avuto come obiettivo quello di studiare e sviluppare un modello di incubatrice e neonato in grado di simulare lo scambio termico tra i corpi coinvolti. Partendo da vari studi presenti in letteratura, si è quindi realizzato un modello in silico in grado di valutare il trasferimento di calore tra vari compartimenti come i tessuti interni del neonato, i vasi sanguigni, la pelle, l'aria e il riscaldatore, integrabile con un sistema di controllo e che permetta quindi di studiare in silico gli effetti delle nuove soluzioni proposte. Un'altra problematica associata al controllo della temperatura cutanea è il distacco del sensore adesivo, normalmente un termistore, che può essere risolto con l'uso di sensori contactless integrabili nel sistema. Il secondo obiettivo di questo progetto è stato quindi quello di studiare la possibilità di utilizzare un sensore a infrarossi per hobbistica come soluzione alle problematiche emerse dai termistori adesivi utilizzati nelle moderne incubatrici e isole neonatali, valutandone la capacità di rilevare correttamente la temperatura cutanea
2022
Models for simulation and automatic temperature control in a neonatal incubator
Modelli
Controllo
Incubatrice
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/46251