Metodi ingegneristici per l'ottimizzazione del processo di simulazione CFD di due maschere total-face per la ventilazione meccanica non invasiva = Engineering methods for the optimization of the CFD simulation process of two total-face masks for non-invasive mechanical ventilation

La pandemia di COVID-19 ha incentivato la ricerca e lo sviluppo scientifico in determinati settori, tra cui quello biomedico, in cui, la sempre più crescente richiesta di dispositivi che assistessero i pazienti colpiti dal virus nella loro ridotta capacità respiratoria, ha contribuito a focalizzare l’attenzione sul tema della ventilazione meccanica. In particolare, in questo lavoro di tesi ci si concentra sulla ventilazione meccanica non invasiva a pressione positiva, andando a valutare il rebreathing di CO2 all’interno di maschere total face. Si tratta di una delle possibili interfacce dispositivo-paziente tramite cui viene erogata la terapia e che, in questo lavoro di tesi è stata modellizzata e simulata in due diverse varianti: una costituita da una maschera e da due tubi di cui uno collegato al ventilatore per permette l’immissione della miscela di gas fresco nella maschera ed un altro che modellizza, per quanto riguarda il volume, la trachea del soggetto. Il secondo design, invece, più innovativo e di cui si vuole valutare l’efficacia, si differenzia dal primo per la presenza di un terzo tubo, definito ausiliario, necessario per favorire il ricircolo dell’anidride carbonica e ridurre, così, l’entità del rebreathing. L’obiettivo è stato andare a proporre dei metodi ingegneristici che ottimizzassero il processo di progettazione, realizzazione e simulazione a livello computazionale delle due interfacce. In particolare, ci si è concentrati sulle diverse prove effettuate per acquisire la scansione della maschera a partire da un modello reale al quale è stato necessario apportare delle modifiche strutturali per ottenere una scansione 3D pulita e adatta ad essere manipolata negli step successivi. Un altro punto che è stato approfondito riguarda la sensitivity analysis tramite cui si è giunti alla scelta della mesh, sia bidimensionale che tridimensionale, da utilizzare nei modelli. Si è trattato di un processo volto a capire quale fosse la dimensione adatta per gli elementi con cui discretizzare le componenti del modello. A tal proposito sono state realizzate mesh di dimensioni diverse per ognuna delle quali è stata calcolata la velocità media del flusso all’interno della maschera mediante una simulazione stazionaria. Si tratta di un parametro necessario per andare a valutare la dimensione con cui realizzare gli elementi della mesh: nel momento in cui l’errore tra le velocità relative a mesh differenti scende al di sotto di una certa soglia prestabilita (2-5%) non ha più senso continuare a infittirla in quanto le grandezze che vengono calcolate risultano indipendenti dalla dimensione degli elementi. Per quanto riguarda le caratteristiche della mesh, oltre ad ottimizzare il processo per la scelta della dimensione degli elementi, è stata valutata anche la loro omogeneità ed uniformità nel bulk andando a esaminare il loro gradiente di crescita. Un altro aspetto trattato riguarda i parametri che sono stati settati per le varie simulazioni svolte, con lo scopo di ottimizzare il tempo a disposizione e le risorse computazionali in uso. A tal proposito, sono state condotte varie prove per capire quale fosse il time step più adatto con cui svolgere le simulazioni non stazionarie e per valutare quale livello di precisione fosse più adatto assegnare ai residui della soluzione, soprattutto quelli relativi alla continuità. Tutto questo svolgendo parallelamente un’analisi sull’errore volta a giustificare le decisioni prese.