Design and implementation of a mucusmeter for sputum characterization in respiratory diseases

The objective of this thesis work is to provide a measurement instrument that can objectively characterize the results obtained from medical treatments prescribed to patients suffering from cystic fibrosis or bronchiectasis. The goal, therefore, is to be able to classify and analyze the mucus, of the sick subjects, in relation to its viscosity, in order to have parameters that are indicative both of the status of the disease and of the effect of the different cures assigned. In order to fulfil the purpose, a careful analysis of the diseases of interest and of the mucus in its physical characteristics has been developed, as well as a study on the rheology and on the methods used to measure the viscosity of the various substances. This was necessary in order to provide the basic knowledge for developing the instrument. The MUCUSMETER is based on a Cone and Plate geometry set in motion by a brushless motor, whose operation will be analyzed. An ESCON 50/4 from Maxon was used for the motor control and an Arduino UNO board was used for the digital interface. In order to carry out the studied measurements a code was written in Arduino IDE, able to manage the data taken from the motor controller to calculate the desired quantities using the appropriate mathematical equations; moreover, using the Processing program it was possible to save data and to create a simple user interface. During the design phase some mechanical parts have been created or adapted to allow the correct use of the MUCUSMETER. At the end of the work some samples of standard fluids of which the viscosity values are known were analyzed, to verify the efficiency of the instrument.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di fornire uno strumento di misura in grado di caratterizzare in maniera oggettiva i risultati ottenuti dalle terapie mediche prescritte a pazienti afflitti da fibrosi cistica o bronchiectasie. Si vuole, quindi, riuscire a classificare ed analizzare il muco, dei soggetti malati, per la sua viscosità, in modo da poter avere dei parametri che siano indicativi sia dello stadio della malattia, sia dell’effetto delle diverse cure assegnate. Per adempiere allo scopo, è stata sviluppata una attenta analisi delle malattie di interesse e del muco nelle sue caratteristiche fisiche, oltre che uno studio sulla reologica e sui metodi di misura utilizzabili per determinare i valori di viscosità delle varie sostanze; in modo da fornire le conoscenze di base necessarie allo sviluppo dello strumento. Il MUCUSMETER si basa su una geometria Cone and Plate messa in moto da un motore brushless, di cui verrà analizzato il funzionamento. Per il controllo del motore è stato utilizzato un ESCON 50/4 di Maxon e per l’interfacciamento digitale si è adoperata una scheda Arduino UNO. Ai fini di eseguire le misure studiate è stato scritto un codice in Arduino IDE, in grado di utilizzare i dati prelevati dal controllore del motore per calcolare le grandezze desiderate mediante le apposite formule matematiche; inoltre, attraverso il programma Processing si è reso possibile il salvataggio dei dati e la creazione di una semplice interfaccia di visualizzazione. In fase di sviluppo sono state messe a punto alcune parti meccaniche per permettere l’utilizzo del MUCUSMETER. Infine sono state riportate alcune misure effettuate su materiali dalla viscosità nota per verificare l’eventuale efficienza dello strumento.