Project lung. Design of an experimental tool that simulates human breathing for scientific research within the OpenNose project

Studies have shown that the successfulness of upper respiratory airways surgeries is, more often than not, not guaranteed. OpenNose project, a collaborative research project between the department of Aerospace Sciences and Technologies of Politecnico di Milano led by Prof. M. Quadrio and the otolaryngology ward of A. O. San Paolo of Milano, aims to provide an open source tool that allows surgeons to conduct patient-specific virtual surgery. As any significant research program, it needs in-vitro experimentations and practical validations. This is where this design thesis comes into play. The aim of this thesis is to design a tool that would simulate human breathing to specifically validate and test the four phase rhinomanometry tool, a diagnostic method used to detect upper nasal airways problems. Therefore, in this thesis the process of designing an experimental tool for scientific research will be discussed. The final output of this work is a functional, low-fidelity model of the lower airways that would pump air through a high-fidelity silicone model of human upper airways. This thesis shows how a wide research project like OpenNose is able to bring together and open a collaboration between different departments and experiences.

Gli studi hanno dimostrato che il successo degli interventi chirurgici sulle vie respiratorie superiori non è spesso garantito. Il progetto Open Nose, un progetto di ricerca collaborativa tra il dipartimento di Scienze e tecnologie aerospaziali del Politecnico di Milano, guidato dal Prof. M. Quadrio, e il reparto di otorinolaringoiatria di AO San Paolo di Milano, mira a fornire uno strumento open source che consenta ai chirurghi di condurre una chirurgia virtuale che sia patient-specific. Come ogni programma di ricerca significativo, ha bisogno di sperimentazioni in-vitro e validazioni pratiche. È qui che entra in gioco questa tesi di progettazione. Lo scopo di questa tesi è di progettare uno strumento che simuli la respirazione umana per convalidare e testare in modo specifico lo strumento della rinomanometria a quattro fasi, un metodo diagnostico utilizzato per rilevare i problemi delle vie aeree nasali superiori. Pertanto, in questa tesi verrà discusso il processo di progettazione di uno strumento sperimentale per la ricerca scientifica. L'output finale di questo lavoro è un modello funzionale a bassa fedeltà delle vie aeree inferiori che pomperebbe aria attraverso un modello in silicone ad alta fedeltà delle vie aeree superiori. Questa tesi mostra come un ampio progetto di ricerca come OpenNose sia in grado di riunire e aprire una collaborazione tra diversi dipartimenti ed esperienze.