Realizzazione e modellazione di un prototipo di incubatrice neonatale

This thesis describes the development of a low-cost neonatal incubator prototype, with the aim of improving an existing design in compliance with IEC 60601-2-19 safety standards. The work includes the creation of electronic hardware, the integration of sensors and the development of software on an ESP32 microcontroller, adopted for rapid prototyping. The creation of the prototype is complemented by the development of two simulation models, one with concentrated parameters, developed in the SimScape environment for the simulation of thermal and hygrometric dynamics, and one with distributed parameters. The latter uses advanced finite element analysis (FEA) and computational fluid dynamics (CFD) modelling in the SimScale environment, which are essential for investigating critical phenomena such as temperature and humidity stratification. The parameters of the concentrated model are estimated by comparing the model's predictions with the results of the CFD simulations, while validation was carried out by comparing the concentrated parameter model with the data obtained through dedicated experimental tests. The work provides a working prototype and two complementary models, essential tools for rigorous design, necessary to obtain an accessible and safe medical device.

La presente tesi descrive lo sviluppo di un prototipo di incubatrice neonatale a basso costo, con l’obiettivo di migliorare un progetto esistente nel rispetto degli standard di sicurezza IEC 60601-2-19. Il lavoro comprende la realizzazione dell’hardware elettronico, l’integrazione dei sensori e lo sviluppo del software su microcontrollore ESP32, adottato per la prototipazione rapida. La realizzazione del prototipo è integrata dallo sviluppo di due modelli di simulazione uno ai parametri concentrati, sviluppato in ambiente SimScape per la simulazione della dinamica termica e igrometrica, e uno ai parametri distribuiti. Quest'ultimo sfrutta modellizzazioni avanzate agli elementi finiti (FEA) e di fluidodinamica computazionale (CFD) in ambiente SimScale, fondamentali per indagare fenomeni critici quali la stratificazione di temperatura e umidità. La stima dei parametri del modello concentrato è eseguita confrontando le previsioni del modello con i risultati delle simulazioni CFD, mentre la validazione è stata condotta mettendo a confronto il modello a parametri concentrati e i dati ottenuti tramite test sperimentali dedicati. Il lavoro fornisce un prototipo funzionante e due modelli complementari, strumenti essenziali per una progettazione rigorosa, necessaria all’ottenimento di un dispositivo medico accessibile e sicuro.