Abstract
For tidligt fødte børn kommer pludseligt til verden før deres fulde modenhed i løbet af graviditetens tredje trimester. Undersøgelser forudser en stigning i antallet af for tidligt fødte børn i 2025, især i mellem- og lavindkomstlande. På trods af de mange intensive plejemetoder til for tidligt fødte børn, såsom, men ikke begrænset til, kommercielle metoder, transportmetoder, transportmetoder, omfavnelsesvarmere, strålingsvarmere og Kangaroo Mother Care-metoder, er de enten dyre, mangler de mest væsentlige krav eller specifikationer eller mangler båndet mellem mor og for tidligt fødte børn. Dette drev os til at gennemføre denne originale forskning og innovative idé om at udvikle en ny 3D-printet prototype af en Handy-kuffert til for tidligt fødte spædbørn. Vi har til formål at levere den mest uundværlige intensive pleje til den laveste pris, at give lavindkomstlande Handy-kuvøsen til pleje, at bevare båndet mellem mor og for tidligt fødte børn og at mindske dødeligheden. Der blev anvendt biomedicinske funktioner, elektronik og biokompatible materialer. Designet blev simuleret, prototypen blev 3D-printet, og resultaterne blev testet og evalueret. Simuleringsresultaterne viste den bedste pasform for Handy-kuffertens komponenter. De eksperimentelle resultater viste den 3D-printede prototype og den tid, der gik med at fremstille den. Evalueringsresultaterne viste, at den samlede ydelse af Kangaroo Mother Care og omfavnelsesvarmeren var henholdsvis 75 ± 1,4 % og 66,7 ± 1,5 %, mens den samlede ydelse af vores Handy-kuffert var 91,7 ± 1,6 %, hvorved vores omkostningseffektive Handy-kuffert overgik de eksisterende intensive plejemetoder. Det fremtidige skridt er at tilknytte Handy inkubatoren med flere specifikationer og fremskridt.
1. Indledning
For tidlig fødsel er den pludselige forekomst af fødsel i mindre end 37. graviditetsuge. I løbet af tredje trimester, dvs. 27-40 uger af graviditeten, hvor det store fosterudviklingsstadium indtræffer, gennemgår spædbarnet en dramatisk omlægning af deres åndedrætssystem, som gør det muligt for dem at trække vejret for første gang. Efter tredje trimester er fosteret normalt indstillet til fødsel . Ifølge Verdenssundhedsorganisationens (WHO) epidemiologi betragtes 1 spædbarn ud af 10 nyfødte spædbørn som et for tidligt født spædbarn . Femten millioner for tidligt fødte børn blev født i 2010. Af alle de 15 millioner døde 1 million spædbørn på grund af for tidlig fødthed. De for tidlige fødsler blev derefter rangeret som den første årsag til dødelighed blandt for tidligt fødte børn i den første måned efter fødslen og efter fødslen. Det er også globalt set rangeret som den anden dødsårsag for børn, der ikke fuldførte deres 5 år .
Sidst viste en undersøgelse, at antallet af for tidlige fødsler faldt fra 2007 til 2014 på grund af det faldende antal fødsler hos teenagere og unge mødre . De rapporterede også en lille stigning i den nationale præterm fødselsrate mellem 2014 og 2015 . I næsten alle lande med pålidelige data er antallet af for tidlige fødsler konstant stigende. Blencowe et al.’s systematiske analyse viste en kontinuerlig stigning i antallet af overlevende for tidligt fødte børn i de fleste lande . Den gennemsnitlige årlige ændringsrate fra 2005 til 2010 blev fastholdt til , men svarer stadig til for tidlig død.
I højindkomstlande overlever næsten alle disse indberettede for tidligt fødte børn. I lavindkomstlande dør halvdelen af de spædbørn, der er født med 32 uger eller mindre, på grund af mangel på gennemførlig, omkostningseffektiv pleje, f.eks. mangel på varme, støtte til amning og infektionsbekæmpelse, samt på grund af åndedrætsbesvær.
Uanset årsagerne til for tidlig fødsel har mange undersøgelser fokuseret på overvågning af moderens og fostrets forhold for at reducere og forudsige symptomerne og dermed undgå for tidlige fødsler , mens andre fokuserer på behandling af resultatet, dvs. for tidlig fødsel, hvilket direkte reducerer dødeligheden .
For at behandle resultatet findes der intensive plejemetoder, såsom terapeutiske metoder og udstyr, der er tilgængelige på markedet, og udstyr, der er under forskning. De varierer alt efter deres udformning, specifikationer og præstationer. De omfatter, men er ikke begrænset til, kommercielle kuvøser, transportable kuvøser, omfavnelsesvarmere, strålevarmere og Kangaroo Mother Care (KMC)-metoder . Der var imidlertid mange ulemper forbundet med de eksisterende intensive plejeteknikker.
Trods tilstedeværelsen af intensive plejemetoder blev det i en undersøgelse forudsagt, at andelen af overlevende for tidligt fødte børn i 2025 ville være . Da den globale forventede dødelighedsprocent for for tidligt fødte børn i 2025 er 91 %, drev dette os til at løse dette problem og udvikle en ny prototype af en kuvøse til for tidligt fødte børn for at fremme intensiv pleje til en lav pris. Formålet med vores undersøgelse er at udvikle og 3D-printe en ny handy, bærbar og omkostningseffektiv kuvøse med flydende krystalskærm (LCD) til intensiv pleje, især i mellem- og lavindkomstlande. Målet er at gøre Handy inkubatoren gennemførlig og brugervenlig og opfylde de sundhedsmæssige krav til præmature spædbørn. Projektet fokuserer på for tidligt fødte børn, der fødes pludseligt i tredje trimester af graviditeten. De vigtigste vitale tegn, herunder temperatur, hjertefrekvens (HR) og iltniveau, blev overvåget, og avancerede biokompatible materialer blev omhyggeligt udvalgt til behandling af for tidligt fødte børn.
Resten af denne artikel er organiseret på følgende måde. I afsnit 2 redegør vi for de eksisterende intensive plejemetoder. I afsnit 3 introducerer vi Handy-preterminkubatorens materialer. I afsnit 4 beskrives prototypen af Handy-kuffert til tidligt fødte børn. I afsnit 5 præsenterer vi resultaterne. I afsnit 6 diskuterer vi resultaterne, og i afsnit 7 giver vi en generel konklusion og fremtidigt arbejde.
2. Eksisterende metoder til intensivpleje af for tidligt fødte spædbørn
Efter søgning i PubMed, ScienceDirect og Google scholar opsummerede vi resultaterne af litteraturgennemgangen, og vi inddelte dem i to kategorier: åben pleje og lukket pleje.
2.1. Lukkede plejemetoder
Disse metoder omfatter de kuvøser til spædbørn, der er tilgængelige på Neonate Intensive Care Unit (NICU), et intensivt plejesystem, der forsyner spædbarnet med varme, på en stabil og stabil måde, gennem en opvarmet luftcirkulation over huden. Efter adskillige fremskridt omfattede kuvøsen til spædbørn fugtighedsstyring, iltforsyning og andet tilbehør. Kuvøsen kan være fastmonteret, mobil eller transportabel . Kuvøserne har imidlertid ikke den fornødne tilknytning mellem mor og barn og er dyre, især i mellem- og lavindkomstlande. Dette udløste andre undersøgelser for at udvikle bærbare, billigere og gennemførlige systemer, der anvendes i hjemmet .
Den faste spædbarnskuvøse, der almindeligvis anvendes på NICU, er på grund af tilstedeværelsen af en række tilbehør i stand til at behandle ethvert tilfælde. Fast kuvøse ses som et perfekt valg, da den er tilsluttet til vægforsyninger og giver et passende miljø for spædbarnet. Ikke desto mindre er faste kuvøser ekstremt dyre og har det samme koncept med at producere varme ved at skubbe opvarmet luft gennem ventilatorer. Denne teknik producerer støj, hvilket påvirker spædbarnet negativt. Selv om en sådan kuvøse registrerer HR-værdierne, anvender den elektroder, der hele tiden skal være forbundet med det for tidligt fødte barn, hvilket påvirker barnets skrøbelige hud. Manglende amning og manglende mobilitet gør det desuden yderst vanskeligt for spædbarnet at gå fra den ene afdeling til den anden, hvilket førte til opfindelsen af mobile kuvøser .
En mobil kuvøse er en modificeret fast kuvøse, der har samme funktion som den faste kuvøse. Mobile kuvøser har ekstra hjul, kunne transporteres inde på hospitalet, blot, og kræver ekstra værktøj til at forsyne systemet med elektricitet og ilt . Disse kuvøser har de samme ulemper som de faste kuvøser. Selv om mobile kuvøser er gode løsninger, når spædbarnet skal transporteres inde på hospitalet, er de upraktiske, når spædbarnet skal transporteres uden for hospitalet. Til dette formål blev der udviklet transportkuvøser.
Transportkuvøser er bærbare kuvøser af lille størrelse, som kan transportere spædbarnet i bil eller fly. På trods af at transportkuvøse er den eneste mulighed for udendørs transport af for tidligt fødte spædbørn, har transportkuvøse flere ulemper, såsom de ekstremt høje omkostninger og tyngde, termostatfejl og risiko for elektrisk stød .
2.2. Metoder til åben pleje
KMC er en løsning på manglerne ved kuvøser til for tidligt fødte børn, hvilket giver høje sygdomsrater og dødelighed blandt for tidligt fødte børn på hospitaler. Den giver varme og amning gennem hudkontakt mellem spædbarn og mor. Denne binding/kontakt sikrer stabiliteten af det tidligt fødte barns temperatur. Selv om KMC var i stand til at reducere spædbørnenes morbiditet sammenlignet med konventionelle kuvøser, er den stadig begrænset af forskellige faktorer. KMC er ikke i stand til at overvåge spædbarnets temperatur, HR, iltniveau og luftfugtighed, hvilket udsætter spædbarnet for en risiko for ustabilitet og skadevirkninger. KMC har brug for dygtige menneskelige ressourcer som f.eks. sygeplejersker, hvilket gør intensivplejen mere kompleks.
En anden åben intensivplejemetode er strålevarmeren, som fungerer efter lovene for strålevarme. Denne anordning forsyner den for tidligt fødte med den nødvendige strålingsenergi som en alternativ proces til konventionel konvektionsopvarmning . Strålingsvarmeren består af en seng, en overheadvarmeenhed og en temperaturføler . Strålingsvarmere lider under en dramatisk forøgelse af varmetabet på grund af fordampning.
Embracevarmere, der består af tre dele, dvs. en baby skønnet sovepose eller spædbarnsgrænseflade, et rum af faseændringsmateriale og en varmelegeme , er gode løsninger til regulering af for tidligt fødte spædbørns kropstemperatur. I mellemtiden giver omfavnelsesvarmere ikke nogen overvågning af spædbarnets væsentlige parametre og mangler nødalarmer. Desuden kræver de kontinuerlig faseændring, hvilket medfører udsving i spædbarnets temperatur og udelukker enhver terapeutisk støtte.
Alle ovennævnte problemer fik os til at udvikle den nye Handy-kuffert til for tidligt fødte spædbørn.
3. Materialer til Handy inkubatoren til præmature spædbørn
Den nye Handy inkubator krævede flere materialer og værktøjer på grund af de forskellige bidrag, der var indlejret i den.
I tredje trimester er fosteret næsten dannet og klar til at blive født . Dermed blev gennemsnitsstørrelsen, vægten, højden, hovedomfanget og maveomfanget for et for tidligt født barn nøje udvalgt. Navnlig i løbet af de sidste tre måneder af graviditeten forbliver spædbarnets hjerne til at udvide sig, så hovedomfanget stiger fra omkring 28 cm (11 tommer) til 38 cm (15 tommer). Samtidig stiger fosterets samlede kropslængde omtrent fra 38 cm (15 tommer) til 48 cm (19 tommer). Fosterets gennemsnitlige vægt stiger fra 1,4 kg (3,4 kg) til 3,4 kg (7,5 lb) .
3.1. Elektriske og elektroniske komponenter
Den praktiske kuvøse krævede ATmega328-mikrocontroller til at starte og lagre dataene.
Arduino Micro blev brugt til at assistere mikrocontrolleren, da mikrocontrolleren krævede en overvældende opsætning af kredsløb og assemblagesprog. Arduino Micro assisterer mikrocontrolleren med regulatorer, med en ramme af gratis biblioteker og andre. Rammen giver nemmere programmering og gør det muligt at undgå at miste tid på programmeringssprog på lavt niveau og registrering af adresser .
Den anvendte Atmega328 blev loddet med en trykknap til nulstilling, nogle lysdioder til at vise dataovergang og modtagelse samt pins mærket med den tilsvarende pin. Dens bageste del giver mulighed for kommunikation med USB og regulator Integrated Chip (IC) for at give stabil spænding til ATmega328.
Der blev også anvendt oximeteret MAX30100. Det er en optisk sensor, som bærer Maxims integrerede pulsoximeter og HR-sensor. Regulator, termometer og microBUSinter-integreret kommunikation (I2C) IC blev hindret på bagsiden for at levere en 3,3 V forsyning, måle temperaturen og levere en seriel kommunikation.
UltraFire genopladelige batterier (18.650 Li-ion 3,7 V med 9800 mAh kapacitet) blev brugt . Ved at henvise til (1) var den lagrede energi 36,26 Wh. Dermed er der anvendt et sæt af 4 batterier for at opnå 9800 mAh, øge spændingen til 15 V og opnå en lagret energi på 147 Wh.
3.2. Biokompatible materialer og 3D-printer
Der blev anvendt tre vigtige biokompatible materialer i vores Handy-inkubator: silnylon, mylarplader og bambusstof. Silnylon blev anvendt som et ydre lag på grund af dets ultralette vægt, vindtæt og evne til at isolere systemet og spædbarnet fra det ydre miljø . Mylarpladen blev anvendt på grund af dens høje trækstyrke, kemiske og dimensionelle stabilitet, gennemsigtighed, refleksionsevne, gas- og aromabarriereegenskaber og elektriske isolering . Bambusvævet blev anvendt på grund af dets antibakterielle egenskaber, glathed, åndbarhed og store vandabsorberingsevne . ZONESTAR 3D-printeren blev brugt til at etablere vores Handy inkubator på grund af dens flere parametre:(i)Ramme struktur materialer, herunder udskrivningshastighed (40-100 mm/s), maksimal printbar størrelse (220 × 220 × 220 mm) og dyse størrelse (0,4 mm).(ii)Udskrivningsmateriale understøtter: poly-mælkesyre (PLA) og andre, med en diameter, herunder positioneringsnøjagtighed i X og Y (0,01 mm) og i Z (0,00025 mm).(iii)Hot bed effekt: 12 V, 140 W.(iv)Udskrivningssoftware: Cura, Repetier-Host Kisslicer osv.; styresystem kompatibelt med Windows, Linux og Mac.(v)Smeltetemperatur: 157-170 °C; trækstyrke: 61-66 MPa; bøjningsstyrke: 48-110 MPa.
En anden fordel ved ZONESTAR 3D-printeren er desuden, at den er baseret på FDM-printeren (Fused Deposition Modeling), som er almindelig og omkostningseffektiv, og som giver en tilpasset geometri og højere ydeevne.
3.3. Varmeoverførselskomponenter
To vigtige varmeoverførselskomponenter blev indlejret i vores Handy inkubator: kassettevarmerripsen og varme/kølepakker. Patronopvarmningsanlægget var den første kilde til varmeenergi, som omdanner den elektriske energi, der er lagret i batterierne, til varmeenergi, som i tern lagres og overføres til spædbarnet. Patronvarmere er fremstillet af rustfrit stål og forsynet med 12 V DC med en effekt på 40 watt. Varmesonden har en cylindrisk form med en diameter på 6 mm og en længde på 20 mm. Denne lille sonde blev valgt for at sikre, at al varmeenergien overføres til gelsækken. Den anden komponent var den varme/kold pakke, som er en kemisk voks, der bevarer varmeenergien og overfører den til patienten via konduktans.
4. Prototype af Handy inkubator til præmature spædbørn
Der gives de nye trin til opnåelse af prototypen af Handy inkubatoren og testtrinnene.
4.1. Implementeringstrin for prototypen
Trinene er opdelt i to hoveddele: trinene for den reelle og simulerede prototype og trinene for afprøvning af den reelle prototype. Blokdiagrammet i figur 1 repræsenterer vores inkubators reelle prototypetrin. Efter at det for tidligt fødte spædbarn er anbragt i den nye kuvøse, blev tre vitale tegn og funktioner, HR, temperatur og SpO2, løbende overvåget (diagnosticeret) via mikrocontrolleren. De overvågede parametre blev derefter vist på Handy-kuvøserens LCD-skærm. Desuden fulgte systemets strømkilde et batteristyringssystem (BMS).
Ved ethvert fald ud over det normale område for enten iltniveauet eller temperaturen i det tidligt fødte barn, tændes en summer for en nødindgriben (terapi), f.eks. frigivelse af ilt eller tænding af varmelegeme. Dette system understøttes af et BMS, som sikrer mobiliteten af vores nye inkubator. Simuleringen starter med at tegne alle de nødvendige dele i blokdiagrammet i figur 1 via AutoCAD i overensstemmelse med den førnævnte størrelse og vægt af det for tidligt fødte barn. Blokdiagrammet viser planen for den ønskede kompakte kuvøse, der sikrer amning og kan holdes i hånden (Handy).
Efter simuleringstrinnene kan de reelle prototypetrin reproduceres som følger: i)Programmer mikrocontrolleren til at kommunikere med sensorerne og andre dele. ii)Integrer MAX30100 for at sikre aflæsning fra spædbarnets ben. iii)Overvågning af HR og SpO2 biologiske egenskaber noninvasivt ved hjælp af MAX30100. MAX30100 måler absorptionen af to forskellige bølgelængder af lys, og den måler absorptionen af pulserende blod ved at måle røde og infrarøde bølger, der reflekteres fra hæmoglobin (HbO2) og deoxyhæmoglobin (Hb). De forskellige intensiteter skyldes deres forskellige absorptionskoefficienter. iv)Måling af temperaturen via MAX30100, da den indeholder en indbygget temperatursensor på sin chip. v)Behandling af signalet ved hjælp af en analog signalbehandlingsenhed med lavt støjniveau. vi)Valg af størrelsen på den nye prototype, så den er kompatibel med størrelsen på et spædbarn i tredje trimester . HR blev beregnet ved at beregne antallet af slag pr. minut (bpm). Hjertet pumper blod via pulsering, dette fører til høj intensitet af celler på hovedet af hver puls, og derefter detekteres pulsen ved at detektere et højt antal celler. Den høje intensitet i hovedet af en puls fører til høj refleksion, som aftager i takt med at intensiteten falder og danner pulser.
Disse pulser kan fanges ved at fastsætte en tærskelværdi, og når det infrarøde lys (det reflekterede signal) overstiger denne tærskelværdi, tælles slaget. Dette blev afprøvet i laboratoriet på en normal mand.
Varmeapparaterne blev afprøvet på vand, og temperatursensorerne blev afprøvet på det opvarmede og afkølede vand. Endelig blev batterikapaciteten testet ved hjælp af et voltmeter.
5. Resultater
5.1. Resultater af Handy inkubator til for tidligt fødte børn
Efter at have anvendt alle implementeringstrinene i afsnit 3 præsenterer vi de simulerede og 3D-printede (rigtige) prototype-resultater af vores Handy inkubator ud over test- og evalueringsresultaterne.
5.1.1.1. Simuleret prototype
Den simulerede prototype med de reelle dimensioner af Handy-kuffert er vist i figur 2(a) fra et sideperspektiv og i figur 2(b) fra et topperspektiv (i centimeter). Et plastikskjold, en gelpakke og spædbarnet er farvet henholdsvis grønt, rødt og gult. Den samlede længde af Handy-kuvøsen er 61,23 cm, og kassens længde er 8 cm (inkluderet i de 61,23 cm). Tykkelsen af plastikskjoldet er 0,50 cm, og mylar- og bambuslagene er 0,55 mm hver. Tykkelsen af gelpakken er 2 cm. De blå, grønne, røde og gule farver i figur 2(b) repræsenterer henholdsvis det ydre lag, plastikskærmen, gelpakken og spædbarnet. Det ydre lag omgiver spædbarnet; det indeholder således en hal med en radius på 10 cm og tre små rektangler. Formålet med hallen var at give spædbarnet plads til at indånde ilt fra omgivelserne og sikre amning. De tre små rektangulære stoffer blev brugt til at holde de to ender af stoffet.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Den lukkede simulering af Handy-kuvøsen er vist i figur 2(c), hvor spædbarnet (farvet med gul farve) er anbragt indeni og omgivet af det ydre lag (farvet med blå farve). Det grønne rektangel og de fire cirkler på toppen af kassen er LCD-skærmene og trykknapperne. Figur 2(d) viser den samlede størrelse af den simulerede Handy-kuvøse, mens moderen holder den med hænderne.
Den nye kuvøses simulerede basisdel er vist i figur 3(a), og kasseetiketten er vist i figur 3(b). Det røde felt repræsenterer den position, hvor printpladen er fastgjort. Den blå del repræsenterer batterihåndtaget; batterihåndtaget kan tåle op til otte batterier. Desuden indeholder kassen to store huller til fastgørelse af iltflasken, et hul til strømkildens deluge og tænd/sluk-knappen samt et gearhåndtag, der fastgør gearet på sin plads ved hjælp af skruer. Figur 3(b) viser en simulering af alle de dele, der er nødvendige for at danne vores nye inkubator. Plastikskjoldet udgør skelettet af vores handy inkubator (dens samlede længde er ca. 62 cm). Plastikskjoldet blev opdelt i fire dele, der var forbundet med skruer og møtrikker. Figur 3(c) viser simuleringen af opvarmningsenheden, det røde objekt er den pakke, der repræsenterer gelsækkene, og det blå objekt er det stof, der omslutter præmaturet. Gelpakken består af 5 sække; hver sæk består af en gel foruden et varmelegeme og et termometer til at kontrollere den genererede varme.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(a)
(b)
(c)
(d)
Igenudløsningsdelen (vist i figur 3(d)) blev simuleret til at være over spædbarnets ansigt ved hjælp af en rørlignende mekanisk ventil, en trinmotor med et gear og en iltflaske. Iltkilden er farvet med brun farve, og iltflasken blev simuleret inde i kassen. Det skal bemærkes, at iltoverførselsrørene er indlejret inde i plastskjoldet for at undgå nedbrud fra den eksterne mekaniske belastning.
5.1.2. Foreløbig 3D-printet prototype
3D-printning var det andet skridt i retning af at opnå de rigtige prototypedele. AutoCAD-filer blev importeret til 3D-printeren ved hjælp af et hukommelseskort for at udskrive delene. Modellen og udskrivningsvarigheden er angivet i figur 4. Hamlet tog 20 timer. Kasseetiketten tog 17 timer og 40 minutter, kassens låg 20 timer og de to skjolde 20 timer. Den samlede varighed for at få alle dele udskrevet var 66 timer og 40 minutter.
Syning af stoflagene, samling og kredsløb er illustreret i figur 5(a) og 5(b).
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Den PCB-proces er vist i figur 5(a), fra både bund- og toplag, der blev trykt, UV-lyskilde, til PCB-pladen efter vask med vand. Sytrinnene er vist i figur 5(b). Det repræsenterer limning af mylar med karton, resultatet af limning af silnylon med mylar og karton, hvordan det opnåede stof fastgøres til Handy-kuvetten, og bambusstoffet, som holdes oven på gelpakkerne, hvor spædbarnet ligger i den åbne Handy-kuvetten. Figur 5(c) viser den laboratorieopstilling, der er anvendt til afprøvning af varmesystemets komponenter.
Den samlede reelle prototype af Handy-kuvøsen er vist i figur 6 (lukket form). Den blå farve på stoffet er farven på det silnylon, der er det ydre lag. Ved grænserne for det spædbarnsomgivende stof er der stick tags, der giver nem åbning og lukning af systemet. Bambusstoffet er også fastgjort til det omgivende stof til spædbørn ved hjælp af klistermærker, således at bambusstoffet let kan fjernes, rengøres og geninstalleres.
5.2. Testresultater af Handy Preterm Infant Incubator
Når vi har præsenteret begge hardwaredele af Handy Preterm Infant Incubator, præsenterer vi test- og fejlsøgningsprocesserne: (i) de elektriske testresultater for de batterier, der skal forsyne systemet, (ii) den frigivne varmeenergi og opvarmningssystemet og (iii) den infrarøde test. Desuden gives en evaluering og forvaltning af Handy preterm inkubatorens specifikationer og omkostninger og sammenlignes med de eksisterende intensive plejemetoder.
Elektrisk test af batteriernes kapacitet blev opnået ved at lade batteriet fuldt op (indtil batterispændingen nåede 4.2 V), fremstilling af et simpelt kredsløb, der har brug for en bestemt strøm (kendt som teststrømmen), og måling af den tid, der er nødvendig for fuldstændig afladning (indtil batterispændingen nåede 2,5 V), hvilket var kapaciteten.
Testen blev gentaget på UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V med teststrømmene , og de opnåede resultater var henholdsvis 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955 og 0,626, og kapaciteten var ikke tilstrækkelig. Derfor brugte vi to sæt seriebatterier, der var parallelforbundet i stedet for et enkelt sæt, for at opnå en energi på 23,855 kJ. Denne energi var i stand til at opvarme systemet én gang og kan opretholde varmen i ca. 16 timer.
Resultaterne af både varmesystemet indlejret i Handy inkubatoren og afprøvningen af den termiske energi blev givet i vores tidligere publikation .
Med hensyn til isoleringen gav inkubatorens stof og biokompatible materialer en god isolering.
Infrarød testning omfattede MAX30100, og resultaterne blev sammenlignet med resultaterne af oximetrisensorer, der anvendes i mobiltelefoner, en specialist i medicinsk udstyr til overvågning af SpO2 og HR’er ved hjælp af oximetrisensorer. MAX30100-resultaterne var pålidelige og lå tættere på det medicinske udstyr end på den mobile sensor.
5.3. Evaluering af Handy inkubator til præmature spædbørn sammenlignet med intensive plejemetoder til præmature spædbørn
Evalueringen af vores Handy inkubator omfattede en sammenligning af den med jævnaldrende intensive plejemetoder. Tre søjlediagrammer af flere afgørende faktorer med de standardafvigelser, der er pålagt søjlediagrammerne, er vist i figur 7 og 8. Disse specifikationer er pris, miljø, målinger, moderbinding, prototype, mobilitet og andre faktorer. Hver specifikation var forbundet med en farve i hvert søjlediagram, fra lysegrøn til mørkegrøn farve.
(a)
(b)
(a)
(b)
Vores Handy inkubator blev sammenlignet med den kommercielle inkubator, transportinkubator, strålevarmer, KMC og omfavnelsesvarmer, og resultaterne fremgår af figur 7. Variationen i typen af overvågede funktioner eller registrerede målinger er f.eks. repræsenteret ved et søjlediagram i figur 7(a) i forhold til de intensive plejemetoder. Variationen i båndet mellem moderen og det for tidligt fødte barn og variationen i mobilitetsspecifikationerne eller systemets mobilitet i forhold til metoderne til intensiv pleje er også angivet. Variationen af den terapeutiske støtte, systemets miljøtype og designmodellen blev evalueret og sammenlignet med intensivplejemetoderne i figur 7(b).
De overvågede funktioner, der er evalueret i figur 7(a), er de livstegn, som hver metode kan måle. En maksimal værdi på 100 % var forbundet med det maksimale antal ekstraherede funktioner, og en nulværdi på 0 % var forbundet med fraværet af enhver målt funktion af systemet. Det højeste antal (100 %) af de ekstraherede funktioner, herunder SpO2, luftfugtighed, HR og temperatur, blev overvåget ved hjælp af både den kommercielle kuvøse og transportkuvøse. Desuden blev 75 % af de ekstraherede funktioner, herunder SpO2, HR og temperatur, ekstraheret af Handy-kuvøsen, og nul ellers.
Båndet mellem mor og for tidligt født barn, der evalueres i figur 7(a), er det for tidligt fødte barns kontakt med moderen. En maksimal værdi på 100 % (med en lille standardafvigelse) var forbundet med den maksimale kontakt mellem moderen og det for tidligt fødte barn, som systemet sikrede. En nulværdi på 0 % var forbundet med fraværet af enhver kontakt mellem spædbarnet og moderen, dvs. når spædbarnet anbringes i en helt lukket kuvøse på NICU. Forbindelsen mellem moderen og det for tidligt fødte barn eksisterer fuldt ud (100 %) i KMC, i favnevarmeren og i vores Handy-kubevogn. Den er helt fraværende i de kommercielle kuvøser og transportkuvøser.
Systemets mobilitet, som også er evalueret i figur 7(a), er evnen til at mobilisere intensivbehandlingssystemet. En maksimal værdi på 100 % var forbundet med den maksimalt mulige mobilitet, og en nulværdi på 0 % var forbundet med en fast metode. Den maksimale ydelse af systemets mobilitet var forbundet med KMC, favnevarmeren og Handy inkubatoren.
Den terapeutiske støtte, der evalueres i figur 7(b), er det for tidligt fødte spædbarns kontakt med moderen. En maksimal værdi på 100 % var forbundet med den maksimale terapeutiske støtte og behandling, der blev sikret af systemet. En nulværdi på 0 % var forbundet med den mindste terapeutiske støtte. Den maksimale ydelse (100 %) af den terapeutiske støtte var forbundet med de kommercielle kuvøser og Handy-kuvøserne.
Miljøet, der evalueres i figur 7(b), er karakteren af metodens grænseflade med omgivelserne. Et lukket miljø er den totale isolation af det for tidligt fødte barn, mens det åbne miljø er den isolering, der tillader aspiration af det for tidligt fødte barn fra den omgivende omgivende luft. Isoleringen, der tillader indånding, var især forbundet med den højeste ydeevne (100 %). Miljøtypens ydeevne var maksimal i strålevarmeren, KMC, omfavnelsesvarmeren og Handy-kuvøsen.
Designmodellen, der også er evalueret i figur 7(b), er evnen til at mobilisere intensivbehandlingssystemet. Den maksimale ydeevne (100 %) for designmodellen var forbundet med KMC, og derefter var 75 % forbundet med Handy-kuffert.
Omkostningerne (i 1000 $) for Handy-kuffert blev repræsenteret og sammenlignet med omkostningerne for den kommercielle kuvøse, transportkuffert, strålevarmer og omfavnelsesvarmer, og resultaterne er vist i figur 8. Standardafvigelsen skyldes, at der findes forskellige kommercielle kuvøsekonstruktioner med forskellige specifikationer. Omkostningerne er de gennemsnitlige omkostninger for disse eksisterende kuvøser. Som det fremgår af figur 8, er de højeste omkostninger forbundet med den kommercielle kuvøse. Den oplyste bruttopris afhænger af virksomhed og tilbehør. KMC er omkostningsfri, og prisen for både Handy inkubatoren og omfavnelsesvarmeren er ca. 300$, mens prisen for den kommercielle inkubator i gennemsnit er 32K$ (den varierer mellem 1K$ og 55K$).
6. Diskussion
Der er forskellige fordele forbundet med de eksisterende intensive plejemetoder, uanset om der er tale om åben pleje eller lukket pleje. Selv om de kommercielle kuvøser til spædbørn og faste, mobile og transportable kuvøser bevarer en passende temperatur for spædbarnet og overvåger de grundlæggende parametre, adskiller de sig fra hinanden med hensyn til vægt, størrelse, omkostninger og kompatibelt tilbehør . Den største fordel ved en strålevarmer er den åbne adgang, som den giver for tidligt fødte spædbørn, og som understøtter procedurer som endotrachealintubation . Dette var i overensstemmelse med strålingsvarmerens 100 % miljøtypiske ydeevne, der blev observeret i vores arbejde. Den samlede ydeevne var imidlertid 37,5 ± 0,9 %, som det fremgår af tabel 1.
|
||||||||||||||||||||
KMC er en åben plejeteknik, og en nylig gennemgang rapporterede en 40 % reduktion i risikoen for dødelighed efter udskrivelsen . Andre fordele omfattede øget amning, øget tilknytning mellem mor og barn og udviklingsresultater . Dette blev afspejlet i KMC’s 100 % præstation, når man undersøgte tilstedeværelsen/fraværet af moder-spædbarnsbåndet. Ovennævnte resultater og WHO’s godkendelse af KMC understøtter den gode samlede præstation af KMC, der blev observeret i vores resultater (75 ± 1,4 %). Fraværet af de resterende 25 % kan skyldes, at man begrænsede den lavere vægt til 800 g som foreslået af Lawn et al. .
Inkubatorer er ret udbredt, og de fleste enheder består af to driftsformer: manuel styring af lufttemperaturen og automatisk styring af hudtemperaturen . De fleste enheder gør det muligt for brugeren at måle den relative luftfugtighed og yde støtte af ilt til spædbarnet, når det er nødvendigt . Disse kendsgerninger var i overensstemmelse med vores resultater, hvor den kommercielle kuvøse var forbundet med en 100 % ydelse i funktionsudtrækning og terapeutisk støtte, med en næsten ubetydelig standardafvigelse.
Med hensyn til de praktiske kuvøseprototypeoplysninger involverede Fallon brugen af den kardiopulmonale maskine til at overvåge og vise data på en LCD-skærm . Hvis spædbarnets HR bliver for langsom eller for hurtig, giver den en alarm . Analogt til Fallons arbejde har vi programmeret vores Handy inkubator til at give en alarm, når der sker et fald i de udtrukne funktioner.
For nylig offentliggjorde forskere i Baby Center en blodtryksmåler ved at tilslutte en miniaturiseret blodtryksmanchet omkring spædbarnets ben eller arm for at overvåge blodtrykket . Analogt til deres arbejde anvendte vi en oximetri og forbandt den miniaturiserede blodtryksmanchet til spædbarnets ben.
Vores Handy inkubator kan nemt bæres af moderen og er overkommelig i mellemindkomst- og lavindkomstlande. I modsætning til mOm-systemet leveret af James et al. som mangler moder-spædbarn-bindingen og amning , kan spædbarnet i vores system drage fordel af den fysiologiske fordel ved amning fra den ene side som leveret af KMC og sikrer et varmt og antibakterielt miljø fra den anden side.
Vores Handy-system giver også den biomedicinske funktionsekstraktion af præterm HR, temperatur og SpO2-niveau og viser dem på en LCD-skærm, og dette blev afspejlet af den 75 ± 1,5 % ydelse i figur 7(b). Fraværet af de ca. resterende 25 % skyldes den manglende måling af luftfugtigheden.
Notabelt kan over-/underforbrug af iltforsyning til for tidligt fødte børn skade dem; derved blev SpO2 overvåget i vores Handy-kuvøse og blev holdt mellem 90 og 93 % for at undgå sygdomme. Pulsoximetri er en fordelagtig metode til iltovervågning, da den er kontinuerlig og ikke-invasiv .
I nødstilfælde programmerede vi systemet til at give midlertidig iltforsyning. Vi sikrede også at have en omkostningseffektiv Handy inkubator sammenlignet med andre intensive plejemetoder .
Testning af vores inkubator var nødvendig for at kontrollere kvaliteten af inkubatorens elektriske, termiske og grafiske design.
Den Handy inkubator giver en god terapeutisk behandling såsom iltforsyning og varme. Dette baner vejen for lægen til at overvåge det for tidligt fødte spædbarns tilstand ved at diagnosticere de tre vitale tegn, der vises på LCD-skærmen og gemme dem i hukommelsen.
Ud over den flotte form producerer systemet ingen støj under tænding eller bevægelse, på grund af fraværet af ventilatorer og på grund af valget af de materialer, der anvendes i fremstillingen.
KMC’s samlede ydeevne (75 ± 1,4 %) var bedre end omfavnelsesvarmeren (66,7 ± 1,5 %) i vores udforskede specifikationer. Vores Handy-kuffert overgik dog alle de intensive plejemetoder med en samlet ydelse på 91,7 ± 1,6 % (tabel 1). Handy inkubatoren er en brugervenlig teknik. Selv om vores inkubator tog tid at blive 3D-printet, var prisen rimelig sammenlignet med dyre kommercielle inkubatorer. Dermed er Handy-inkubatorerne lovende, især i mellemindkomst- og lavindkomstlande.
7. Konklusion og perspektiver
Vores oprindelige forskning er sammensat af både hardware- og softwarebidrag. Softwareimplementeringen omfattede programmering af processorplatformen via Arduino. Udførelsen af hardware involverede 3D-printning af Handy-kuffert og dens kredsløb og tilslutning af dem til Arduino. Vores Handy-kuffert er designet til at være bærbar, ikke tung og omkostningseffektiv.
Med fremskridtene med vores nye 3D-printede prototype af Handy-kuffert til for tidligt fødte spædbørn kunne mange liv blive reddet. På grund af manglen på omkostningseffektive intensive plejemetoder til overvågning af alle vitale tegn og lagring af data og manglen på et system, der kan holdes i hænderne, tog vi udfordringen op ved at designe vores handy og omkostningseffektive inkubator til spædbørn. Vores design overvåger de vitale signaler (temperatur, HR og SpO2) og viser dem. Den handy inkubator sikrer amning og er omkostningseffektiv. Den evaluerede procentvise ydeevne viser, at den overgår de eksisterende intensive plejemetoder.
Vores system løste mange af udfordringerne, men der er stadig plads til flere forbedringer.
Fremtidige skridt kan omfatte følgende:(i)Indsamling af flere data om den infrarøde sensor MAX30100, som vi tildelte i vores system for at forbedre oximetriaflæsningen.(ii)Rendering og opdatering af den kode, som producenten af sensoren, der består af to lysdioder og en fotoreceptor med en mikroprocessor, har leveret, for at give specifik pulsbredde og lysintensitet for at opfylde de medicinske kriterier.(iii)Brug af Peltier-celle (halvlederbaseret elektronisk komponent, der fungerer som en lille varmepumpe i henhold til “Peltier-effekten”) i stedet for varmelegeme.(iv)Ændring af det elektroniske kort ved at tilføje opladningskontrol (maximum power point tracking) for at søge efter maksimalt effektpunkt og ved at søge efter belastningsmodstandens resonans med forsyningsmodstanden, der har den maksimale opladningseffektivitet.(v)Endelig forbedring af softwaren og tilvejebringelse af en web-server til telesundhedspræstation og forskningsformål.
Data tilgængelighed
Da vi har leveret en ny opfindelse og en original forskning anvendt på denne nye opfindelse, og vores enhed er også under en forlænget forlængelse til forbedring, også er vi ved at etablere et samarbejde med et biomedicinsk ingeniørfirma til udvikling af vores enhed, så vi har ladet dataene være fortrolige, indtil vi registrerer denne opfindelse i vores navne.
Interessekonflikter
Alle forfattere erklærer ingen interessekonflikter.
Anerkendelser
Forfatterne vil gerne takke Dr. Mohammad Arnaout, Dr. Lara Hamawy og Miss Alaa Zaylaa for deres støttende oplysninger. Dette projekt blev finansieret af det libanesiske universitet og University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, USA.