Closed-loop control strategies for improved human-device interaction in medical devices

Depending on the level of automation of a biomedical device, users may be significantly involved in the control loop. Humans may provide the information necessary to the controller to adapt model dynamics or to trigger corrective actions, they may actuate these corrective actions manually, and confirm or override the control strategy. Systems requiring user interaction are usually referred to as "human-in-the-loop''. Nevertheless, humans are not machines. Involving humans in the loop can affect the quality of the control -- as human errors are unavoidable -- and represent a major burden in their lifestyle. As human-device interactions become more and more common in the biomedical field, the necessity for methodological solutions to reduce human errors and costs also arises. The aim of this Ph.D. thesis is to develop advanced closed-loop control strategies for an improved human-device interaction in various medical devices. Four biomedical case studies will be investigated to encompass different biological systems, different roles of humans in the loop and different challenges related to human-device interaction.

A seconda del livello di automazione di un dispositivo medico, l'utilizzatore può essere significativamente coinvolto nella catena di controllo. L'operatore può fornire al controllore le informazioni necessarie ad aggiornare le dinamiche del suo modello o ad innescare azioni correttive, può attuare queste azioni correttive e confermare o sovrascrivere le decisioni del controllore. I sistemi che richiedono di interagire con un operatore sono solitamente definiti "human-in-the-loop''. Tuttavia, gli umani non sono delle macchine. Il loro coinvolgimento nella catena di controllo può gravare sulla qualità della loro vita e deteriorare l'accuratezza del controllore, considerato che errori umani sono pressoché inevitabili. Poiché le interazioni tra uomo e dispositivi medici sono sempre più frequenti nel campo biomedico, cresce la necessità di sviluppare delle soluzioni metodologiche per ridurre errori e costi umani. L'obiettivo di questa tesi di dottorato è quello di sviluppare delle strategie di controllo closed-loop avanzate per una migliore interazione tra uomo e macchina, in diversi dispositivi medici. Questo lavoro investiga quattro applicazioni biomedicali, spaziando tra diversi sistemi biologici, diversi ruoli dell'umano nella catena di controllo e diverse sfide legate all'interazione tra uomo e dispositivo.