STUDIO ED ANALISI DI SISTEMI DI CONTROLLO IN AMBITO MEDICALE

In this thesis work, is presented a general review of the applications of Control Systems theory in the biomedical field . It starts with the introduction of the context and historical analysis, also analyzing the differences between technological and physiological control systems. This initial discussion is conducted with reference to the basic concepts of systems analysis and mathematical modeling of the Control Theory. It will therefore be possible to classify and treat the application of control systems in the biomedical field, in three fundamental sections, namely, respectively: rehabilitation engineering, "drug delivery" and medical instrumentation techniques. For each area, the most important developments are presented and analyzed: for rehabilitation engineering, the fields of motorized prostheses, FES (functional electrical stimulation) and "biofeedback control" will be explored; an analysis of the increasingly widespread "drug delivery" will follow, accompanied by specific references to the engineering control and regulation mechanisms for the treatment of HIV, blood pressure, blood glucose and ultimately anesthesia; the third section will allow to deepen the knowledge of modern medical instrumentation techniques, entering into the merits of thermal control of temperature and humidity, surgical assistance devices and ultimately will be presented a final discussion on artificial hearts . In each section, there will be references to the technical-engineering problems that have been encountered in each area, as well as the << challenges >> of the future and those already faced, such as the pandemic crisis due to Covid-19.

In questo lavoro di tesi, viene presentata una revisione generale delle applicazioni della teoria dei Sistemi di Controllo in ambito biomedicale. Si parte dall’introduzione del contesto e dall’analisi storica, analizzando anche le differenze tra sistemi di controllo tecnologici e fisiologici. Questa trattazione iniziale viene condotta riferendosi ai concetti base dell’analisi dei sistemi e di modellizzazione matematica della Teoria del Controllo. Sarà dunque possibile classificare e trattare l’applicazione di sistemi di controllo in ambito biomedico, in tre sezioni fondamentali, ovvero, rispettivamente: l’ingegneria riabilitativa, il “drug delivery” e le tecniche di strumentazione medicale. Per ciascun ambito vengono presentati ed analizzati i più importanti sviluppi: per l’ingegneria riabilitativa si approfondiranno i campi delle protesi motorizzate, della FES (stimolazione elettrico funzionale) e del “biofeedback control”; seguirà un’analisi del, sempre più diffuso, “drug delivery”, corredata di specifici riferimenti ai meccanismi di controllo e regolazione ingegneristici di trattamento di HIV, pressione sanguigna, glucosio ematico e in ultimo dell’anestesia; la terza sezione consentirà di approfondire la conoscenza delle moderne tecniche di strumentazione medicale, entrando nel merito del controllo termico di temperatura e umidità, dispositivi di assistenza chirurgica e in ultima analisi sarà presentata una trattazione finale sui cuori artificiali. In ciascuna sezione, non mancheranno riferimenti alle problematiche di tipo tecnico-ingegneristico che sono state riscontrate in ciascun ambito, nonché le << challenges>> del futuro e quelle già affrontate, quali la crisi pandemica dovuta al Covid-19.