Tecniche Model-in-the-Loop (MIL) per la simulazione della ventilazione meccanica controllata

Mechanical ventilation is a fundamental tool for the treatment of patients suffering from respiratory failure. The development and certification of ventilators require extensive validation processes, which are often hindered by the limited availability of clinical data and the risks associated with direct testing on patients. In this context, the present work explores the use of Model-in-the-Loop (MIL) simulation as an effective method for the virtual validation of ventilation strategies and control algorithms. The thesis begins with an overview of respiratory physiology and the physical principles underlying pulmonary mechanics, followed by an analysis of the main models proposed in the literature for simulating the respiratory system. The main modes of ventilation and the typical components of mechanical ventilators are then described. The core of the work focuses on the use of a Model-in-the-Loop (MIL) simulation environment in Simscape, integrating a ventilator model with a linear single compartment model of the respiratory system. The system was tested in Volume Controlled (VC-CMV) and Pressure-Controlled (PC-CMV) modes, simulating three different clinical scenarios. The results obtained were compared with experimental data available in the literature. The observed mean errors were below 10%, demonstrating good consistency between the simulations and the reference data. The main limitations identified concern the use of constant resistance and compliance parameters and the simplification of pressure profiles. This work confirms the effectiveness of MIL techniques in the early validation phase of ventilators and paves the way for future developments, such as the inclusion of assisted ventilation modes, nonlinear patient models, and the transition to Hardware in-the-Loop (HIL) testing environments.

La ventilazione meccanica rappresenta uno strumento fondamentale per il trattamento di pazienti affetti da insufficienza respiratoria. Lo sviluppo e la certificazione dei ventilatori richiedono approfondite attività di validazione, spesso ostacolate dalla limitata disponibilità di dati clinici e dai rischi associati alla sperimentazione diretta sul paziente. In questo contesto, il presente lavoro esplora l’utilizzo della simulazione Model-in-the-Loop (MIL) come metodo efficace per la validazione virtuale di strategie ventilatorie e algoritmi di controllo. La tesi si apre con una panoramica sulla fisiologia della respirazione e sui principi fisici alla base della meccanica polmonare, per poi analizzare i principali modelli proposti in letteratura per la simulazione del sistema respiratorio. Successivamente, vengono descritte le principali modalità di ventilazione e le componenti tipiche dei ventilatori meccanici. Il nucleo del lavoro riguarda l’utilizzo di un ambiente di simulazione MIL in Simscape, che integra un modello di ventilatore con un modello monocompartimentale lineare del sistema respiratorio. Il sistema è stato testato in modalità Volume-Controlled (VC CMV) e Pressure-Controlled (PC-CMV), simulando tre differenti scenari clinici. I risultati ottenuti sono stati successivamente confrontati con dati sperimentali presenti in letteratura. Gli errori medi osservati sono risultati inferiori al 10%, dimostrando una buona coerenza tra le simulazioni e i dati di riferimento. Le principali limitazioni emerse riguardano l’impiego di parametri resistivi e di compliance costanti e la semplificazione dei profili pressori. Il lavoro conferma la validità delle tecniche MIL nella fase preliminare di validazione dei ventilatori e apre la strada a futuri sviluppi, come l’inclusione di modalità assistite, modelli non lineari del paziente e l’evoluzione verso ambienti di test Hardware-in-the Loop (HIL).