Design and development of an experimental set-up for real-time VOCs analysis of exhaled breath

Breath analysis is an emerging method for the non-invasive assessment of the presence of a pathological status in lung diseases. In this field Electronic noses (ENs) are nowadays studied because they have the potential to become point-of-care in the respiratory field. They consist of an array of a-specific gas sensors whose responses to target gases produce a signals pattern classified by machine learning algorithms.
One possibility for exhaled breath (EB) analysis with EN is to perform an online analysis but limiting factors of this approach are related to the effect of flow and temperature on MOS sensors’ response.
This thesis aims to develop specific technologies for 1) controlling the variability of expiratory flow, 2) distributing the exhaled breath homogeneously over the sensors, and 3) controlling gas temperature fluctuations during the analysis. To solve the first issue, we projected a close recirculating circuit to keep the gas in contact with the sensors array until a stable response is obtained. The flow inside the system is set constant at 1l/s with a feedback controller that regulates blower speed. For the second constrain, we proposed an innovative sensors chamber design to distribute the gas over the sensors correctly. The design was validated using a CFD simulation and by directly measuring velocities at the sensors’ position. Lastly, the gas temperature inside the e- nose was conditioned at 37,5°C with a custom-made heat pump. We developed a protoype of the EN and we tested in-vitro MOS responses with warmed at 37 °C and humidified air containing 17 ppm ethanol. We proved that gas flow control works during breath sampling. We validated that with an input to the sensors chamber equal to 1 l/s, flow velocity in all the sensors' positions is similar, and the gas is equally spread in all the chamber points. From in-vitro results, we noticed consistent variations in MOS sensors’ responses just in the desorption phase when temperature control is active with respect to when it is not. Preliminary tests considering the gas flow control, temperature control, and chamber design suggested that the proposed solution can enhance the stability of e-nose response during breath analysis. Further tests are needed to provide evidence of these results, considering different gas mixtures and testing in vivo the discriminatory capability of the custom-made EN.

L'analisi dell’espirato rappresenta un metodo innovativo e non invasivo per diagnosticare la presenza di malattie respiratorie. Tra i diversi metodi per analizzare l’esalato, i nasi elettronici hanno la potenzialità di diventare dei Point-of-care in campo respiratorio. Questi sono costituiti da un array di sensori di gas a-specifici. La combinazione delle varie risposte dei sensori a una miscela di gas viene poi classificata tramite algoritmi di machine learning. I nasi elettronici permettono un’analisi real-time dell’esalato tuttavia esistono dei fattori limitanti di questo approccio legati all'effetto del flusso e della temperatura sulla risposta dei sensori MOS. Questa tesi mira a sviluppare tecnologie specifiche per 1) controllare la variabilità del flusso espiratorio, 2) distribuire l’esalato omogeneamente sui sensori, e 3) controllare le fluttuazioni della temperatura del gas durante l'analisi. Per risolvere il primo problema, abbiamo progettato un sistema di ricircolo del gas in modo tale che i sensori raggiungano una risposta stabile mantenendo il campione dentro lo strumento per il tempo necessario. Il flusso all'interno del sistema è impostato costante a 1l/s con un controllo feedback che agisce sulla velocità del compressore radiale. Per il secondo vincolo, abbiamo proposto un design innovativo della camera dei sensori per distribuire omogeneamente il gas all’interno. Il design è stato convalidato utilizzando una simulazione CFD e misurando direttamente le velocità nel piano dei sensori. Infine, la temperatura del gas all'interno del naso elettronico è stata condizionata a 37,5°C con una pompa di calore fatta ad-hoc. Abbiamo sviluppato un prototipo del naso e abbiamo testato in vitro le risposte dei MOS iniettando aria a 37°C, satura di umidità, contenente una concentrazione di 17 ppm di etanolo. Abbiamo dimostrato che il controllo del flusso del gas funziona durante il campionamento dell’esalato. Abbiamo convalidato che con un ingresso nella camera dei sensori pari a 1 l/s, la velocità del flusso si mantiene constante sul piano dei sensori, e perciò il gas è equamente distribuito. Abbiamo analizzato come varia la risposta dei MOS quando il condizionamento della temperatura è attivo rispetto a quando non lo è, notando variazioni apprezzabili nelle risposte durante la fase di desorbimento ma non quella di assorbimento del gas. I test preliminari riguardo il controllo del flusso di gas, il controllo della temperatura e il design della camera hanno suggerito che le soluzioni proposte possono migliorare la stabilità della risposta del naso elettronico per l’analisi dell’espirato real-time. Concludendo, sono necessari ulteriori test per approfondire questi risultati, considerando diverse miscele di gas e testando in vivo la capacità discriminatoria del naso elettronico progettato