Sviluppo di un capnografo portatile per l'analisi della respirazione durante l'utilizzo della mascherina = Development of a portable capnograph for breath analysis while wearing a face mask

Con il termine capnografia si intende la misurazione della concentrazione dell’anidride carbonica nell’aria espirata. Strumenti in grado di effettuare un’analisi di questo tipo , chiamati capnografi, sono ad oggi largamente utilizzati in ambito clinico ed effettuano, tramite l’utilizzo di tecniche minimamente invasive, una misura del valore della concentrazione di CO2 a fine espirazione (EtCO2), tale valore corrisponde alla quantità di anidride carbonica presente nella zona alveolare . I capnografi, inoltre, forniscono una registrazione continua di un segnale che può essere rappresentato in funzione del tempo ,detto capnogramma. L’analisi del capnogramma risulta essere, per il clinico, un valido strumento di valutazione dello stato di ventilazione del paziente, discostamenti dall’andamento fisiologico sono ,infatti, altamente correlati all’insorgere di problematiche a carico dell’apparato respiratorio. I sensori di anidride carbonica maggiormente utilizzati in questo ambito sfruttano il principio della spettroscopia ad infrarossi e la caratteristica delle molecole di CO2 di assorbire la luce ad una specifica lunghezza d'onda (4.25 µm). Sulla base del posizionamento del sensore nella linea di prelievo del sistema, i capnografi vengono classificati in due famiglie: Mainstream, in cui i sensori sono direttamente attraversati dal flusso di aria espirato, e Sidestream, in cui il flusso d’aria è prelevato da un tubo di campionamento e portato attraverso una pompa al sensore. Nonostante la minima invasività di dispositivi di questo tipo, ad oggi, l’utilizzo dei capnografi al di fuori dell’ambito clinico è alquanto limitato. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di realizzare un prototipo di capnografo portatile ed indossabile che fosse in grado di essere utilizzato al di fuori del contesto clinico. In particolare, il prototipo è stato progettato per valutare la concentrazione di anidride carbonica nel volume di aria presente nello spazio che si trova tra il volto di un soggetto che indossa una mascherina e la mascherina stessa. Una valutazione di questo tipo, unita ad una misura di pressione, può fornire, per via indiretta una stima del volume di CO2 inspirato, misura prevista dalla normativa nell’ambito di una certificazione di conformità della mascherina. Il sistema sviluppato è alimentato a batteria ,in modo che possa essere utilizzato senza cavi ,per minimizzare l’invasività ,ed è basato sull’utilizzo di un microcontrollore. Il microcontrollore, appositamente programmato, è in grado di leggere i dati provenienti da un sensore di CO2 ,da un sensore differenziale di pressione e da un sensore di temperatura ,di immagazzinare tali dati in un buffer e di inviarli, tramite un modulo radio integrato, ad un altro microcontrollore collegato ad un pc. Tali dati vengono quindi visualizzati su un’interfaccia grafica sviluppata in linguaggio Python , attraverso cui è anche possibile salvare i dati su file di testo ,in modo che possano essere successivamente analizzati. Una volta sviluppato il firmware del microcontrollore e il software dell’interfaccia grafica, è stato assemblato un primo prototipo , con cui sono state effettuate delle prove preliminari di utilizzo da parte di un soggetto ,nelle condizioni in cui questo indossava o meno una mascherina. I dati registrati durante tali prove sono stati, infine, elaborati in ambiente Matlab per ottenere informazioni riguardanti le concentrazioni di CO2 la pressione e la temperatura nello spazio morto della mascherina.