NEWBREATH Sviluppo del software di controllo, integrazione con database e test sperimentali di un dispositivo di ventilazione domiciliare a circuito chiuso = NEWBREATH Development of control software, database integration, and experimental testing of a closed-circuit home ventilation device

Il presente lavoro contribuisce allo sviluppo di NEWBREATH, un dispositivo domiciliare per la somministrazione di terapia CPAP in modalità NIV con circuito chiuso, ottimizzato per ridurre il consumo di ossigeno e il rischio di contaminazioni. Il prototipo iniziale, sviluppato con controllore BeagleBone Black, misurava pressione, ossigeno e CO2 dal circuito, e presentava un’interfaccia grafica a due livelli per visualizzare i dati acquisiti. Gli obiettivi della tesi hanno incluso: (1) l’integrazione del modulo di controllo PID della turbina atta alla pressurizzazione del circuito e all’erogazione della terapia con relativi test sperimentali; (2) l’implementazione di un sistema di allarme; (3) l’integrazione con un database per il monitoraggio remoto. Il codice esistente è stato ampliato con nuovi moduli in Python. La turbina è stata regolata da un controllore PID capace di modulare la velocità per mantenere la pressione impostata dall’utente; per ottimizzarne i parametri è stata svolta una campagna sperimentale con il simulatore polmonare TestChest, capace di riprodurre la respirazione in condizioni sane e patologiche. Prima sono state eseguite simulazioni con paziente sano, collegando il simulatore a NEWBREATH per riprodurre le condizioni reali di utilizzo e variando iterativamente le combinazioni dei coefficienti PID. Per ciascuna configurazione si è ricavata la curva pressoria all’interfaccia paziente, analizzata poi in MATLAB al fine di calcolare l’ampiezza picco-picco delle oscillazioni di pressione (inspirazione-espirazione) e il rapporto segnale/rumore del sistema. La combinazione ottimale dei coefficienti è stata selezionata per ottenere una curva con minima ampiezza picco-picco e massimo rapporto segnale/rumore. Definita tale configurazione, sono stati testati tre livelli pressori con paziente simulato in condizione sane (FRC=2200 ml, Crs=100 ml/mbar, f=14/min), apnea, post-operatorie (FRC=1300 ml, Crs=60 ml/mbar, f=24/min) e sindrome da distress respiratorio acuto (FRC=900 ml, Crs=40 ml/mbar, f=34/min). Per ogni simulazione sono stati calcolati parametri come delta pressorio, aree inspiratorie ed espiratorie e tempo in cui la pressione espiratoria restava al di sopra del valore medio. I risultati, confrontati con dispositivi commerciali e una versione ospedaliera, hanno evidenziato prestazioni comparabili: NEWBREATH si è dimostrato bilanciato tra inspirazione ed espirazione, garantendo stabilità della pressione media e del delta pressorio. Basandosi sui principali riferimenti normativi è stato implementato un sistema di allarme per segnalare condizioni pericolose ed eventi di manutenzione, come corretto posizionamento/sostituzione della cartuccia di calce sodata. Il sistema impiega un microinterruttore per rilevare l’inserimento della cartuccia atta al filtraggio della CO₂ espirata e di un timer per verificare che la durata d’uso non superi i limiti. L’interfaccia grafica è stata modificata per una visualizzazione immediata degli allarmi, facilitando il monitoraggio. Infine, è stata integrata la connessione a un database PostgreSQL esistente, che registra livello di CPAP e frazione di ossigeno inspirata impostati dall’utente e gli allarmi in tempo reale, rendendo i dati accessibili da dispositivi remoti collegati alla stessa rete locale. Integrazioni e test hanno portato a un prototipo funzionale validato pneumaticamente in condizioni sperimentali; futuri sviluppi richiederanno l’ottimizzazione dei sistemi di sicurezza per rendere il dispositivo affidabile per l’uso domestico