Modelli per il controllo automatico della temperatura nelle incubatrici neonatali

Statistics show that many newborns are premature and underdeveloped, and for this reason, technologies such as neonatal incubators are continually being refined to protect the newborn's body. Through their different technologies, incubators promote thermoregulation in newborns, who are not physically capable of producing enough heat to compensate the heat losses. Indeed, infants born prematurely (before the 37th week) and underweight are particularly at risk of hypothermia. Numerous studies have been conducted over the years to analyze the heat exchanges occurring in newborns: these are thermoregulation models that describe the regulatory mechanisms, numerical simulations using Computational Fluid Dynamics (CFD) technologies that study the effect of external conditions and experimental studies on cohorts of newborns or mannequins. These studies allow us to build a control system focused on the newborn's needs. The result is that, among the various challenges, the incubator's temperature regulation must counteract heat loss through convection, conduction, radiation and evaporation. The controller chosen is the PID (Proportional, Integral and Derivative) controller, as it’s sufficiently accurate and it’s set to maintain a body temperature close to 36.5°C. The objective of this paper is to analyze the incubator's main functions and the theoretical foundations on which they are based.

In base alle statistiche, sono molti i neonati pretermine e non sufficientemente sviluppati e per tale motivo tecnologie come l’incubatrice neonatale vengono continuamente perfezionate con il fine di favorire una protezione del corpo del neonato. Attraverso le diverse tecnologie da cui sono formate, le incubatrici permettono di favorire la termoregolazione del neonato, il quale non risulta ancora fisicamente in grado di produrre abbastanza calore per compensare le perdite termiche a cui è soggetto. Infatti, bambini nati precocemente (prima della 37esima settimana) e sottopeso sono particolarmente a rischio di ipotermia. Sono molti gli studi condotti negli anni con il fine di analizzare al meglio gli scambi di calore presenti in un neonato: si spazia da modelli di termoregolazione che permettono di descrivere i meccanismi di regolazione, di simulazioni numeriche attraverso tecnologie basate sulla fluidodinamica computazionale (CFD, Computational Fluid Dynamics) che consentono di studiare l’effetto delle condizioni esterne e di studi sperimentali su coorti di neonati o su manichini. Questi studi ci permettono di costruire un sistema di controllo incentrato sulle esigenze del neonato. Ne risulta che, tra le diverse problematiche, la regolazione della temperatura dell’incubatrice debba contrastare le dispersioni di calore per convezione, conduzione, irraggiamento ed evaporazione. Il controllore scelto è il PID, ovvero Proporzionale, Integrativo e Derivativo, poiché risulta sufficientemente accurato e viene impostato in maniera tale da mantenere una temperatura corporea vicina ai 36.5°C. L’obiettivo della presente è dunque quello di analizzare le principali funzionalità dell’incubatrice e i fondamenti teorici su cui si basano.