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UNITA' DI RICERCA
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Programma di ricerca
Sistemi innovativi basati su un array di sensori di gas per il monitoraggio di biomarker a fini diagnosticiUniversità di riferimento
Università di PISA - INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE: ELETTRONICA, INFORMATICA, TELECOMUNICAZIONI - PISA(PI)Responsabile dell'Unità di ricerca
Danilo Emilio DE ROSSIDescrizione
Il programma sviluppato dall'Unità di Ricerca della Facoltà di Ingegneria dell'Università di Pisa copre gli aspetti della progettazione e realizzazione di un dispositivo intelligente per il campionamento automatico dell'aria alveolare ai fini della caratterizzazione dell'espirato. Il dispositivo sarà progettato e realizzato in modo tale da selezionare in modo automatico l'aria alveolare scartando quella dello spazio morto e potrà essere configurato in due diverse modalità:A) campionamento dell'aria alveolare
B) analisi diretta dell'aria alveolare
Uno schema a blocchi del dispositivo nelle due configurazioni è mostrato nelle figure sottostanti:
A)
B)
Nell'unità decisionale saranno implementati i metodi di Fowler e di Bohr per la discriminazione dell'aria alveolare e dell'aria dello spazio morto sulla base della concentrazione di biossido di carbonio e del flusso dell'aria espirata. Un deviatore sarà comandato per dirottare l'aria alveolare verso un sistema di raccolta scartando l'aria dello spazio morto (configurazione A). Il sistema di raccolta, collegato direttamente al deviatore, permetterà di conservare l'aria alveolare per una successiva analisi di laboratorio. Nella configurazione B, in luogo del sistema di raccolta, verrà montata una camera di esposizione dotata di un array di sensori che permetterà un'analisi diretta dell'aria alveolare. L'intero dispositivo sarà alloggiato in un contenitore a temperatura controllata per evitare problemi dovuti alla condensazione. Il dispositivo sarà controllato da un'interfaccia elettronica a microcontrollore. L'array di sensori sarà realizzato dall'Unità Operativa della Facoltà di Ingegneria dell'Università di Messina, mentre il sistema di raccolta verrà ottimizzato dall'Unità Operativa della Facoltà di Chimica dell'Università di Pisa.
Sono previsti i seguenti pacchetti di lavoro (WP):
WP1 - DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE E PROGETTAZIONE
Obiettivo di questo pacchetto di lavoro è la definizione delle specifiche e la progettazione delle singole componenti del dispositivo.
Il dispositivo sarà progettato in modo da soddisfare le seguenti caratteristiche:
° sicurezza e comfort del paziente;
° capacità di consentire sia inspirazione che espirazione;
° minimo sforzo di respirazione;
° facilità di montaggio e smontaggio dei componenti al fine di facilitare le operazioni di pulizia;
° minima contaminazione del campione;
° dimensioni e peso limitati;
° facilità di utilizzo.
La sicurezza ed il comfort per i pazienti sarà una preoccupazione primaria; boccagli usa e getta montati su connettori a "T" permetteranno all'utilizzatore di inspirare aria pura o filtrata dall'ambiente e di espirare all'interno del dispositivo. Gli sforzi nell'espirazione saranno evitati ottimizzando la fluidodinamica dei condotti in modo tale da minimizzare le perdite di carico. Per minimizzare la contaminazione del campione, sarà posta la massima attenzione sulla scelta dei materiali e sulla facilità di smontaggio e pulizia. In previsione di un futuro uso nella pratica clinica saranno ridotte sia le dimensioni che il peso.
Come indicato nella base di partenza scientifica, l'aria alveolare è quella frazione dell'aria espirata che stabilisce scambi gassosi con il sangue, cioè l'unica che contiene informazioni chimiche di interesse. Viene espirata immediatamente dopo l'aria contenuta nello spazio morto e può essere determinata secondo i metodi di Fowler e Bohr. Tali metodi verranno implementati nell'unità decisionale inclusa nell'interfaccia elettronica a microcontrollore. Il microcontrollore sarà programmato in modo tale da calcolare lo spazio morto anatomico e/o fisiologico sulla base dei dati di concentrazione di biossido di carbonio e del flusso dell'aria espirata. Ciò permetterà all'unità decisionale di pilotare opportunamente il deviatore per separare l'aria alveolare da quella dello spazio morto. L'aria dello spazio morto verrà scartata mentre l'aria alveolare potrà essere immagazzinata in un apposito sistema di raccolta (configurazione A) o analizzata direttamente dall'array di sensori (configurazione B). L'array di sensori sarà alloggiata in una camera di esposizione opportunamente progettata in collaborazione con l'Università di Messina attraverso studi di fluidodinamica.
Aspetti critici per un corretto funzionamento della camera di esposizione sono:
° disposizione dei sensori rispetto al flusso incidente: una disposizione non adeguata dei sensori, può comportare condizioni di flusso diverse tra un sensore e l'altro;
° geometria: brusche variazioni di sezione inducono la formazione di aree di ricircolazione;
° volumi morti: allungano i tempi di risposta del sistema e possono provocare disuniformità di portata.
Per esporre una matrice di sensori ad una miscela chimica in condizioni ottimali, la camera deve essere progettata in modo che tutti i sensori siano esposti contemporaneamente nelle stesse condizioni e che sia riprodotta accuratamente la forma del segnale di concentrazione in ingresso su ogni sensore. In più, la camera deve essere progettata per ottenere lo stesso profilo di concentrazione in misure ripetute e rapidi fronti di salita e discesa degli analiti, così da evitare effetti memoria e diluizioni del campione; deve permettere poi di poter analizzare minime quantità di analiti.
Queste caratteristiche saranno ottenute adottando una geometria assial-simmetrica per la camera con un divisore opportunamente dimensionato che permetta condizioni di flusso omogenee con bassi gradienti di velocità. Sarà progettato e realizzato inoltre un supporto dedicato ai sensori realizzati dall'Università di Messina. Il supporto permetterà di inserire i sensori all'interno della camera stabilendo il contatto elettrico fra le piste del sensore e l'interfaccia elettronica.
L'interfaccia elettronica a microcontrollore sarà progettata e realizzata con le seguenti caratteristiche:
° conversione analogico/digitale dei segnali provenienti da sensori di CO2 e flusso;
° pilotaggio del deviatore;
° microcontrollore con capacità di calcolo per l'implementazione nel firmware dei metodi di Fowler e Bohr;
° impostazione e controllo della temperatura del contenitore termostatato;
° memoria non volatile per i dati;
° interfaccia usb;
° display LCD;
° bottoni funzione.
L'interfaccia includerà la sezione elettronica di acquisizione e controllo per l'array di sensori sviluppata dall'Università di Messina. Saranno presenti alcuni bottoni funzione programmabili tramite i quali comandare il sistema. I messaggi provenienti dal firmware del dispositivo saranno visualizzati tramite un display LCD. In alternativa, tramite un'interfaccia usb sarà possibile gestire il dispositivo via personal computer. I dati potranno essere memorizzati all'interno del dispositivo, e successivamente scaricati in un database, oppure letti dal personal computer in tempo reale. Un ambiente software permetterà di configurare sia il dispositivo che il protocollo di misura. Sarà dedicata particolare attenzione all'affidabilità delle misure, all'efficienza degli algoritmi di calcolo dello spazio morto ed alla velocità di commutazione del deviatore.
WP2 - REALIZZAZIONE, ASSEMBLAGGIO E TEST
In questo pacchetto di lavoro verranno realizzate e testate le singole componenti del sistema. Sarà effettuata una valutazione dell'efficienza dell'elettronica sviluppata e del sistema fluidodinamico rispetto alle specifiche di progetto. Le singole parti saranno assemblate in un prototipo che sarà testato e valutato.
WP3 - IMPLEMENTAZIONE DI TECNICHE DI RICONOSCIMENTO
L'Unità Operativa in questo pacchetto di lavoro, in collaborazione con l'Università di Messina, implementerà e validerà algoritmi innovativi per l'interpretazione dei segnali provenienti dall'array di sensori. L'uso di un array si rende necessario per ovviare alla insufficiente selettività del singolo sensore, ridurre gli effetti delle interferenze chimiche ed ottimizzare la stabilità e ripetibilità della risposta globale. Alcune tecniche di pattern recognition (quali Analisi delle Componenti Principali, Analisi Multivariata, Tecniche di Fuzzy Clustering, Reti Neurali Artificiali e Reti Neurali Fuzzy) sono state già usate in modo estensivo dall'Unità Operativa allo scopo di ottenere un riconoscimento di odori da array di sensori olfattivi. L'unità Operativa combinando l'approccio neurale con l'analisi multivariata allo scopo di superare le rispettive limitazioni, costruirà un sistema di elaborazione più completo per l'array di sensori sviluppata nel corso del progetto nel tentativo di ottenere risultati affidabili nell'analisi dell'espirato umano.
WP4 - VALIDAZIONE DEL SISTEMA
Durante la fase di validazione del sistema, l'Unità Operativa definirà un protocollo di analisi in collaborazione con gli altri due partner del progetto. Il sistema verrà applicato su campioni di espirato caratterizzati con metodi analitici definiti dall'Unità Operativa della Facoltà di Chimica dell'Università di Pisa.
La valutazione della ricerca sarà effettuata verificando il raggiungimento dei risultati ottenuti sulla base di pubblicazioni con revisori su riviste internazionali. Relazioni interne ed incontri permetteranno di verificare i progressi della ricerca.
E' prevista la seguente scala temporale:
