Il monitoraggio della pressione è un elemento fondamentale del simulatore sviluppato nel presente lavoro di tesi e per questo sono stati integrati nel prototipo finale cinque sensori di pressione in ingresso a ciascuno dei cinque lobi. Per questioni pratiche di tempi legati all'acquisto dei sensori integrati nel sistema totale (MS1451-005-GT, Measurement Specialties), la modellazione del circuito aereo e la validazione del principio fisico del granular jamming su un singolo lobo sono state fatte usando un sensore di pressione diverso (Honeywell 40PC015G), con le stesse caratteristiche tecniche e che si basa sullo stesso principio fisico, ma con dimensioni molto più grandi che difficilmente potrebbe essere integrato nel sistema finale. Questo sensore ha però permesso di accorciare i tempi perché già presente in laboratorio. Di seguito si riportano le informazioni relative alla calibrazione di entrambi i due tipi di sensori di pressione.
6.2.1 Sensore MS1451-005-GT
Nel sistema finale il sensore di pressione utilizzato per il monitoraggio continuo della pressione all'interno dei singoli lobi è il sensore MS1451-005-GT (Measurement Specialties) (Figura 6.3). Il sensore risulta piccolo, compatto, affidabile e facilmente integrabile del sistema finale; inoltre, essendo già stato utilizzato in altri simulatori polmonari neonatali, il range di funzionamento risulta adatto a questo tipo di applicazione. Come per ogni sensore di pressione, però, è fondamentale eseguirne la calibrazione dei sesnori prima dell'integrarli nel sistema finale. Nello dettaglio, i sensori MS1451-005-GT (Measurement Specialties) sono sensori di pressione piezoresistivi e permettono di effettuare misurazioni di pressione nel range [0-5] psi. Per garantire un funzionamento ottimale del sistema, prima di procedere all’assemblaggio finale dei diversi componenti, è
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stata eseguita la calibrazione dei cinque sensori utilizzando il ventilatore polmonare neonatale. Il setup utilizzato per la calibrazione include i seguenti elementi:
Sensori di pressione MS1451-005-GT (Measurement Specialties). Scheda di acquisizione National Instruments NI USB-6008.
Ventilatore polmonare neonatale (BEAR CUBr750 PSV Infant Ventilator). Interfaccia grafica implementata in LabVIEW.
Figura 6.3: Sensore di pressione MS1451-005-GT (Measurement Specialties) e connessioni elettriche.
La procedura di calibrazione è stata eseguita collegando il sensore direttamente al ventilatore polmonare e impostando su di esso valori crescenti di PIP nel range [0-40] cmH2O, con intervalli di 5 cmH2O; per ogni valore di PIP impostato è stato acquisito il segnale di tensione corrispondente come segnale in uscita dal sensore. Il valore di PEEP è stato impostato a zero, la frequenza del ventilatore a 40 atti/minuto e Ti a 0.5 sec, tempo sufficientemente alto da assicurare che il sensore raggiunga la condizione di massimo nella fase inspiratoria. Attraverso un apposito programma implementato in LabVIEW è stato acquisito sia il segnale grezzo, che la successiva amplificazione e il filtraggio mediante un filtro di Butterworth del secondo ordine, con una frequenza di taglio di 4 Hz (Figura 6.4). I segnali di tensione in uscita da ciascun sensore sono stati poi analizzati in Matlab, individuando il valore di tensione corrispondente ad ogni livello di pressione impostato. Ai dati così acquisiti è stato applicato un fitting con polinomio di primo grado, ricavando le curve di calibrazione dei cinque sensori (bontà del fitting, R2>0.99) (Figura 6.5). I valori di offset di ciascun sensore tendono a variare nel tempo e per questo motivo, prima di ogni simulazione, è necessario eseguire un'operazione di taratura che permette di calcolare in real time l'offset di ciascun sensore e quindi sottrarlo al segnale finale.
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Figura 6.4: Interfaccia LabView per la calibrazione dei sensori MS1451-005-GT (a) e relativo diagramma a blocchi (b).
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6.2.2 Sensore Honeywell 40PC015G
Il sensore di pressione 40PC015G (Honeywell, USA), permette di misurare la pressione differenziale riferita alla pressione atmosferica (detta pressione relativa o pressione gauge) nel range [0-15] psi. Come si nota dalle specifiche tecniche del sensori, riportate in Figura 6.6 come un estratto del datasheet tecnico, il sensore deve essere alimentato a 5 V; i restanti due collegamenti elettrici sono connessi ai pin GND e AI0 della scheda di acquisizione.
Figura 6.6: Specifiche tecniche del sensore di pressione 40PC015G.
Prima di utilizzare il sensore per le misurazioni di pressione, è necessario effettuarne la calibrazione, il cui setup richiede i seguenti componenti (Figura 6.7):
Sensore di pressione 40PC015G (Honeywell).
Scheda di acquisizione National Instruments NI USB-6008.
Ventilatore polmonare neonatale (BEAR CUBr750 PSV Infant Ventilator). Computer, interfaccia LabVIEW.
Il sensore di pressione è stato collegato direttamente al ventilatore polmonare e la procedura di calibrazione è quella descritta per i sensori MS1451-005-GT nel paragrafo 6.2.1. I segnali di tensione in uscita dal sensore sono stati acquisiti e salvati mediante il programma implementato in Labview e, successivamente, elaborati ed analizzati in Matlab. In Figura 6.8 è mostrato un esempio di segnale di tensione grezzo, ottenuto per la pressione PIP pari a 25 cmH2O e il relativo segnale filtrato mediante un filtro a media mobile.
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Figura 6.7: Sensore di pressione opportunatamente connesso alla scheda di acquisizione (a) e al ventilatore polmonare (b) e lo schema a blocchi dell'interfaccia LabVIEW (c), implementata per l’acquisizione dei dati in uscita dal sensore.
Figura 6.8: Segnale di tensione grezzo in uscita dal sensore (sopra) e il relativo segnale filtrato (sotto), in riferimento alla pressione di 25 cmH2O.
Il valore di tensione finale, corrispondente alla pressione di 25 cmH2O, deriva dalla media di tutti i picchi. La stessa operazione è stata condotta su tutti i segnali di tensione, relativi ai diversi valori di pressione. Ai dati complessivi ottenuti è stato poi applicato un fitting con polinomio di primo grado (bontà del fitting, 0.999). La retta di interpolazione dei dati sperimentali rappresenta la curva di calibrazione del sensore (Figura 6.9) e la sua pendenza corrisponde alla sensibilità del sensore, che è pari a 0.0039 V/cmH2O, mentre l’intercetta con l'asse delle y fornisce informazioni sull’offset, definito dalla tensione rilevata a pressione atmosferica e pari a 0.5310 V.
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Figura 6.9: Curva di calibrazione del sensore di pressione 40PC015G (Honeywell).