Sviluppo e validazione di un dispositivo portatile per il monitoraggio dell’esposizione agli inquinanti atmosferici durante attività quotidiane

L’inquinamento atmosferico nei paesi più industrializzati è, ormai da tempo, un argomento che desta non poche preoccupazioni. L’attuale sfida è quella di ridurre i livelli di inquinamento in modo da salvaguardare l’ambiente e, contemporaneamente, contenere gli effetti dannosi sulla salute dell’uomo. Quest’ultimo aspetto assume particolare rilevanza se si pensa che le aree a più alta densità di abitanti sono le stesse in cui si concentrano il maggior numero di impianti industriali e traffico di veicoli che immettono grandi quantità di inquinanti nell’aria. È ormai dimostrata la correlazione tra livello di inquinamento atmosferico e l’insorgenza di patologie o disturbi che interessano il sistema respiratorio. Esempi di sintomi più comuni, derivanti dall’esposizione a breve termine all’inquinamento, sono: tosse, esacerbazione dell’asma, aumento della frequenza di occorrenza di patologie alle vie respiratorie, mentre quelli derivanti dall'esposizione a lungo termine possono essere: bronchite, tosse cronica e un decremento significativo della funzionalità polmonare. Tutto ciò porta all'aumento del numero e della durata delle ospedalizzazioni con conseguente aumento dei costi che il sistema sanitario deve sostenere. Gli effetti dell’inquinamento sono ancora più dannosi nel caso dei bambini: per esempio, oltre ai sintomi appena menzionati, è stato dimostrato che la prossimità ad una strada principale influisce negativamente sulla crescita e sviluppo del sistema respiratorio dei bambini e riduce l’aspettativa di vita. Quantificare la reale esposizione del soggetto all’inquinamento potrebbe essere decisivo per individuare situazioni, abitudini o ambienti a rischio e per poter adottare le opportune misure di prevenzione. La maggior parte degli studi finora condotti hanno stimato l’esposizione agli inquinanti utilizzando stime dei livelli di inquinamento derivanti da modelli di dispersione. Le stime prodotte dai modelli si basano su una grande quantità di dati in ingresso (dati meteorologici, geografici, ecc.) e su una serie di assunzioni relativamente realistiche riguardanti i modelli di dispersione. Una più accurata stima dell’esposizione all’inquinamento (sia indoor che outdoor) potrebbe chiarire meglio il ruolo dell'esposizione agli inquinanti nell'insorgenza di patologie respiratorie nell'uomo e in particolare nei bambini. Lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare e validare un nuovo dispositivo portatile di monitoraggio della qualità dell’aria, in grado di analizzare l’inquinamento atmosferico nelle immediate vicinanze dell’utente. Il dispositivo deve monitorare le concentrazioni di inquinanti come PM10, PM2.5 ed NO2 oltre ai livelli di temperatura ed umidità. Inoltre deve essere facilmente trasportabile per poter essere portato in prossimità del soggetto del quale si vuole calcolare l’esposizione agli inquinanti. La descrizione del lavoro è divisa in quattro capitoli principali: Nel Capitolo 1 si descrivono le principali specie inquinanti secondo la World Health Organization. Per ogni inquinante si descrivono le caratteristiche più importanti e gli effetti dannosi che provoca nell'uomo. Si procede quindi con la descrizione dei principali metodi di misura delle concentrazioni degli inquinanti. Infine, vengono presentati i sistemi di stima dell’esposizione all'inquinamento più utilizzati all'interno di studi epidemiologici. Nel Capitolo 2 viene descritto il processo di progettazione e sviluppo del dispositivo di monitoraggio della qualità dell’aria. In particolare, vengono presentate e giustificate le scelte progettuali che hanno portato alla selezione delle specie inquinanti da monitorare: PM10, PM2.5 ed NO2, per ogni inquinante vengono stabiliti dei valori di riferimento necessari per valutare le prestazioni finali del dispositivo, infine vengono presentati i requisiti minimi richiesti in termini di portabilità del dispositivo, piattaforma di sviluppo, salvataggio dei dati e comunicazione. Nel capitolo viene inoltre descritto il processo di sviluppo hardware e software del dispositivo. Vengono descritti: il processo di selezione dei sensori che rispettano le specifiche di progetto, la fase di design della scheda elettronica e gli accorgimenti adottati per rendere il sistema portatile, user friendly e low power. Il dispositivo è basato su un Microprocessore Linux Embedded in grado di comunicare con i sensori di temperatura, umidità, polveri e gas ed è equipaggiato con una batteria che ne garantisce il funzionamento quando nessun’altra fonte di energia è disponibile. Viene inoltre descritto il funzionamento del firmware che gestisce la comunicazione con i sensori e salvataggio dei dati. Viene quindi presentata una prima versione dell’interfaccia utente che permette la visualizzazione e l’analisi dei dati acquisiti dal dispositivo. Infine, dopo aver descritto l’aspetto finale del sistema di misura, il capitolo si conclude con la descrizione del processo di calibrazione che ha richiesto il confronto delle misure acquisite dal dispositivo e relative alle tre specie inquinanti con una serie di riferimento, in modo da estrarre i coefficienti che permettono la conversione dei dati grezzi in valori espressi in μg/m3. Nel Capitolo 3 vengono descritte la procedura di validazione in–vitro e l’esito di tale processo. In particolare, è stato effettuato un nuovo confronto tra un’ulteriore serie temporale acquisita dal dispositivo e convertita utilizzando i coefficienti individuati in fase di calibrazione e la serie temporale di riferimento. É stata quindi calcolata la differenza media tra le due serie di misure (errore medio). I risultati indicano che il dispositivo è in grado di misurare le concentrazioni atmosferiche delle tre specie inquinanti con un errore medio che non eccede la soglia definita nelle specifiche di progetto. Il dispositivo è stato inoltre utilizzato in un proof of concept study finalizzato a verificare la fattibilità della misura in–vivo dei parametri di qualità dell’aria (PM10, PM2.5 e NO2) quando il sistema è montato su un passeggino e stimare la reale esposizione all'inquinamento del bambino che si trova all'interno passeggino. I dati registrati sono stati inoltre utilizzati per confrontare l’esposizione stimata dal dispositivo con quella stimata dai modelli matematici e dalle stazioni di rilevamento fisse. I risultati di tale studio dimostrano che le stime dell’esposizione basate sulle misure provenienti dal dispositivo portatile differiscono da quelle basate sui modelli o sulle misure provenienti dalle stazioni fisse. Infine (Capitolo 4), l’intero processo di validazione ha permesso dapprima di valutare le prestazioni in–vitro del sistema di misura. Il dispositivo è stato in grado di soddisfare i requisiti minimi imposti, ma la qualità delle misure potrebbe essere ottimizzata utilizzando un differente approccio in fase di calibrazione, in modo da tener conto di ulteriori fattori che non sono stati considerati in questo lavoro. Il processo di validazione in–vivo ha rivelato, inoltre, che il dispositivo ben si adatta ad essere utilizzato anche dall'utente inesperto e ha permesso di individuare una differenza particolarmente significativa tra le stime dell’esposizione relative a PM10 e PM2.5 basate sui tre diversi metodi. Lo studio ha confermato, inoltre, che le caratteristiche del modello matematico e delle stazioni di rilevamento fisse, non permettono di stimare correttamente le variazioni locali di concentrazione delle specie inquinanti la cui frequenza spaziale di variazione è molto elevata e, quindi, non consentono una corretta stima dell’esposizione di alcune categorie di cittadini agli inquinanti atmosferici.