Abstract
Frühgeborene werden im dritten Trimester der Schwangerschaft vor ihrer vollständigen Reife abrupt entbunden. Umfragen prognostizieren für das Jahr 2025 einen Anstieg der Frühgeburtenrate, insbesondere in Ländern mit mittlerem und niedrigem Einkommen. Obwohl es eine Fülle von Methoden der Intensivpflege für Frühgeborene gibt, wie z. B. kommerzielle, Transport-, Umarmungs-, Wärmestrahlungs- und Känguru-Mutter-Pflegemethoden, sind sie entweder teuer, erfüllen nicht die wichtigsten Anforderungen oder Spezifikationen oder lassen die Bindung zwischen Mutter und Frühgeborenem vermissen. Dies veranlasste uns zu dieser originellen Forschung und innovativen Idee, einen neuen 3D-gedruckten Prototyp eines handlichen Frühgeborenen-Inkubators zu entwickeln. Unser Ziel ist es, die unentbehrlichste Intensivpflege zu den niedrigsten Kosten anzubieten, um einkommensschwache Länder mit der Pflege des Handy-Inkubators auszustatten, die Bindung zwischen Mutter und Frühgeborenem zu erhalten und die Sterblichkeitsrate zu senken. Es wurden biomedizinische Funktionen, Elektronik und biokompatible Materialien verwendet. Das Design wurde simuliert, der Prototyp wurde in 3D gedruckt, und die Ergebnisse wurden getestet und bewertet. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die Komponenten des Handy-Inkubators am besten passen. Die experimentellen Ergebnisse zeigten den 3D-gedruckten Prototyp und die dafür benötigte Zeit. Die Bewertungsergebnisse zeigten, dass die Gesamtleistung der Känguru-Mutterpflege und des Umarmungswärmers 75 ± 1,4 % bzw. 66,7 ± 1,5 % betrug, während die Gesamtleistung unseres Handy-Inkubators 91,7 ± 1,6 % betrug, womit unser kosteneffizienter Handy-Inkubator die bestehenden Intensivpflegeverfahren übertraf. Der zukünftige Schritt ist die Verbindung des Handy-Inkubators mit weiteren Spezifikationen und Weiterentwicklungen.
1. Einleitung
Unter einer Frühgeburt versteht man das plötzliche Auftreten einer Geburt unter der 37. Schwangerschaftswoche. Während des dritten Trimesters, d. h. zwischen der 27. und 40. Schwangerschaftswoche, wenn die wichtigste Entwicklungsphase des Fötus eintritt, erfährt der Säugling eine dramatische Umstellung seines Atmungssystems, die es ihm ermöglicht, zum ersten Mal zu atmen. Nach dem dritten Trimester ist der Fötus in der Regel für die Geburt bereit. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) kommt auf 10 Neugeborene ein Frühgeborenes. Im Jahr 2010 wurden fünfzehn Millionen Frühgeborene geboren. Von diesen 15 Millionen starben 1 Million Säuglinge an den Folgen der Frühgeburt. Die Frühgeburten waren damit die Hauptursache für die Sterblichkeit von Frühgeborenen im ersten Monat der Geburt und danach. Sie ist auch weltweit die zweithäufigste Todesursache bei Kindern, die ihr 5. Lebensjahr nicht vollendet haben.
Später ergab eine Studie, dass die Frühgeburtenrate von 2007 bis 2014 aufgrund der geringeren Zahl von Geburten bei Teenagern und jungen Müttern zurückging. Sie berichteten auch von einem leichten Anstieg der nationalen Frühgeburtenrate zwischen 2014 und 2015 . In fast allen Ländern, für die zuverlässige Daten vorliegen, steigen die Frühgeburtenraten kontinuierlich an. Die systematische Analyse von Blencowe et al. zeigte einen kontinuierlichen Anstieg der Rate überlebender Frühgeborener in den meisten Ländern. Die durchschnittliche jährliche Veränderungsrate von 2005 bis 2010 blieb auf , entspricht aber immer noch dem Frühgeborenentod.
In Ländern mit hohem Einkommen überleben fast alle dieser gemeldeten Frühgeborenen. In Ländern mit niedrigem Einkommen stirbt die Hälfte der Babys, die mit 32 Wochen oder weniger geboren werden, aufgrund eines Mangels an praktikabler, kosteneffizienter Versorgung, wie z. B. mangelnde Wärme, Stillunterstützung und Infektionskontrolle, sowie aufgrund von Atemproblemen.
Ungeachtet der Gründe für die Frühgeburtlichkeit haben sich viele Studien auf die Überwachung des mütterlichen und fetalen Zustands konzentriert, um die Symptome zu reduzieren und vorherzusagen und so Frühgeburten zu vermeiden, während andere sich auf die Behandlung des Ergebnisses, d.h. der Frühgeburtlichkeit, konzentrieren und so die Sterblichkeit direkt reduzieren.
Um das Ergebnis zu behandeln, gibt es Methoden der Intensivpflege, wie z.B. therapeutische Methoden und Geräte, die auf dem Markt erhältlich sind und Geräte, die noch erforscht werden. Sie unterscheiden sich in ihrer Konzeption, ihren Spezifikationen und ihren Leistungen. Dazu gehören unter anderem handelsübliche Inkubatoren, transportable Inkubatoren, Umarmungswärmer, Wärmestrahler und die Känguru-Mutterpflege (KMC). Mit den bestehenden Intensivpflegetechniken waren jedoch viele Nachteile verbunden.
Trotz des Vorhandenseins von Intensivpflegemethoden wurde in einer Studie die Rate der überlebenden Frühgeborenen für das Jahr 2025 auf . Da die für 2025 prognostizierte Sterblichkeitsrate bei Frühgeborenen weltweit bei 91 % liegt, haben wir uns mit diesem Problem befasst und einen neuen Prototyp eines Frühgeborenen-Inkubators entwickelt, um die Intensivpflege mit geringen Kosten zu fördern. Ziel unserer Studie ist die Entwicklung und der 3D-Druck eines neuen handlichen, tragbaren und kostengünstigen Inkubators mit Flüssigkristallanzeige (LCD) für die Intensivpflege, insbesondere in Ländern mit mittlerem und niedrigem Einkommen. Ziel ist es, den Handy-Inkubator praktikabel und benutzerfreundlich zu gestalten und die Gesundheitsanforderungen für Frühgeborene zu erfüllen. Das Projekt konzentriert sich auf Frühgeborene, die im dritten Schwangerschaftsdrittel abrupt entbunden werden. Die wichtigsten Vitalparameter wie Temperatur, Herzfrequenz und Sauerstoffgehalt wurden überwacht, und für die Behandlung von Frühgeborenen wurden sorgfältig fortschrittliche biokompatible Materialien ausgewählt.
Der Rest dieses Artikels ist wie folgt aufgebaut. In Abschnitt 2 stellen wir die bestehenden Methoden der Intensivpflege vor. In Abschnitt 3 stellen wir die Materialien des Handy Frühgeborenen-Inkubators vor. In Abschnitt 4 stellen wir den Prototyp des Handy-Inkubators für Frühgeborene vor. In Abschnitt 5 stellen wir die Ergebnisse vor. In Abschnitt 6 diskutieren wir die Ergebnisse, und in Abschnitt 7 ziehen wir eine allgemeine Schlussfolgerung und stellen zukünftige Arbeiten vor.
2. Bestehende Methoden der Frühgeborenen-Intensivpflege
Nach der Suche in PubMed, ScienceDirect und Google scholar haben wir die Ergebnisse der Literaturrecherche zusammengefasst und in zwei Kategorien eingeteilt: offene Pflege und geschlossene Pflege.
2.1. Geschlossene Methoden
Zu diesen Methoden gehören die in der Neugeborenen-Intensivstation (NICU) verfügbaren Säuglingsinkubatoren, ein Intensivpflegesystem, das den Säugling durch eine erwärmte Luftzirkulation über der Haut gleichmäßig und stabil mit Wärme versorgt. Nach mehreren Weiterentwicklungen umfasste der Säuglingsinkubator eine Feuchtigkeitsregelung, Sauerstoffzufuhr und anderes Zubehör. Der Säuglingsinkubator kann stationär, mobil oder transportabel sein. Allerdings fehlt den Inkubatoren die mütterliche Frühgeborenenbindung und sie sind teuer, vor allem in Ländern mit mittlerem und niedrigem Einkommen. Dies war der Auslöser für andere Studien zur Entwicklung tragbarer, billigerer und praktikabler Systeme, die zu Hause verwendet werden können.
Der fest installierte Säuglingsinkubator, der üblicherweise in der Neugeborenen-Intensivstation verwendet wird, ist aufgrund des Vorhandenseins einer Vielzahl von Zubehörteilen in der Lage, jeden Fall zu behandeln. Der fest installierte Inkubator gilt als perfekte Wahl, da er an die Stromversorgung angeschlossen wird und dem Säugling eine geeignete Umgebung bietet. Allerdings sind fest installierte Inkubatoren sehr teuer und haben das gleiche Konzept der Wärmeerzeugung durch die Zufuhr von erwärmter Luft durch Ventilatoren. Diese Technik erzeugt Lärm, der sich negativ auf den Säugling auswirkt. Ein solcher Inkubator zeichnet zwar die Herzfrequenz auf, verwendet aber Elektroden, die ständig an das Frühgeborene angeschlossen werden müssen, wodurch die empfindliche Haut des Säuglings beeinträchtigt wird. Darüber hinaus ist es für den Säugling aufgrund des fehlenden Stillens und der mangelnden Mobilität äußerst schwierig, von einer Abteilung in eine andere zu gelangen, ein Grund, der zur Erfindung mobiler Inkubatoren führte.
Ein mobiler Inkubator ist ein modifizierter feststehender Inkubator, der dieselbe Funktion wie der feststehende Inkubator hat. Mobile Inkubatoren haben zusätzliche Räder, können innerhalb des Krankenhauses transportiert werden und benötigen lediglich zusätzliche Werkzeuge, um das System mit Strom und Sauerstoff zu versorgen. Diese Inkubatoren haben die gleichen Nachteile wie fest installierte Inkubatoren. Mobile Inkubatoren sind zwar eine gute Lösung, wenn der Säugling innerhalb des Krankenhauses transportiert werden muss, aber sie sind unpraktisch, wenn der Säugling außerhalb des Krankenhauses transportiert werden muss. Zu diesem Zweck wurden Transportinkubatoren entwickelt.
Transportinkubatoren sind kleine, tragbare Inkubatoren, die den Säugling mit dem Auto oder dem Flugzeug transportieren können. Obwohl Transportinkubatoren die einzige Möglichkeit für den Transport von Frühgeborenen im Freien sind, haben sie mehrere Nachteile, wie z.B. die extrem hohen Kosten und das hohe Gewicht, den Ausfall des Thermostats und die Gefahr eines Stromschlags.
2.2. Offene Pflegemethoden
KMC ist eine Lösung für die Mängel der Frühgeborenen-Inkubatoren, die zu hohen Krankheits- und Sterblichkeitsraten von Frühgeborenen in Krankenhäusern führen. Es bietet Wärme und Stillen durch den Hautkontakt zwischen Säugling und Mutter. Diese Bindung/Kontakt gewährleistet die Stabilität der Temperatur des Frühgeborenen. Obwohl KMC in der Lage war, die Morbidität der Säuglinge im Vergleich zu konventionellen Inkubatoren zu reduzieren, unterliegt es dennoch verschiedenen Einschränkungen. KMC ist nicht in der Lage, die Temperatur, die Herzfrequenz, den Sauerstoffgehalt und die Luftfeuchtigkeit des Säuglings zu überwachen, wodurch der Säugling einem Risiko der Instabilität und Schädlichkeit ausgesetzt ist. KMC erfordert qualifiziertes Personal wie Krankenschwestern, was die Komplexität der Intensivpflege erhöht.
Eine weitere offene Intensivpflege-Methode ist der Wärmestrahler, der nach den Gesetzen der Strahlungswärme funktioniert. Dieses Gerät versorgt die Frühgeborenen mit der notwendigen Strahlungsenergie als alternatives Verfahren zur herkömmlichen Konvektionsheizung. Der Wärmestrahler besteht aus einem Bett, einer Überkopfheizung und einem Temperatursensor. Strahlungswärmer leiden unter einem dramatischen Anstieg des Wärmeverlustes aufgrund der Verdunstung.
Umarmungswärmer, die aus drei Teilen bestehen, d.h. einem geschätzten Babyschlafsack oder einer Säuglingsschnittstelle, einem Fach aus Phasenwechselmaterial und einem Wärmer, sind großartige Lösungen zur Regulierung der Körpertemperatur von Frühgeborenen. Umarmungswärmer hingegen bieten keine Überwachung der wichtigsten Parameter des Säuglings und verfügen über keinen Notfallalarm. Außerdem erfordern sie einen ständigen Phasenwechsel, was zu Temperaturschwankungen beim Säugling führt und jegliche therapeutische Unterstützung ausschließt.
Alle oben genannten Probleme haben uns dazu veranlasst, den neuen Handy-Frühgeborenen-Inkubator zu entwickeln.
3. Materialien des Handy-Frühgeborenen-Inkubators
Der neuartige Handy-Inkubator erforderte aufgrund der vielfältigen Beiträge, die in ihn eingeflossen sind, mehrere Materialien und Werkzeuge.
Im dritten Trimester ist der Fötus fast ausgebildet und bereit für die Geburt. Dabei wurden die durchschnittliche Größe, das Gewicht, die Körpergröße, der Kopfumfang und der Bauchumfang eines Frühgeborenen sorgfältig ausgewählt. In den letzten drei Monaten der Schwangerschaft wächst das kindliche Gehirn weiter, so dass der Kopfumfang von 28 cm (11 Zoll) auf 38 cm (15 Zoll) ansteigt. Gleichzeitig steigt die Gesamtkörperlänge des Fötus von 38 cm (15 Zoll) auf 48 cm (19 Zoll). Das durchschnittliche Gewicht des Fötus steigt von 1,4 kg (3,5 lb) auf 3,4 kg (7,5 lb).
3.1. Elektrische und elektronische Komponenten
Der Handy-Inkubator benötigte den ATmega328-Mikrocontroller, um die Daten zu starten und zu speichern.
Arduino Micro wurde verwendet, um den Mikrocontroller zu unterstützen, da der Mikrocontroller eine überwältigende Setup-Schaltungen und Assembler-Sprache benötigt. Arduino Micro unterstützt den Mikrocontroller mit Reglern, mit einem Framework aus freien Bibliotheken und anderen. Das Framework vereinfacht die Programmierung und verhindert, dass man Zeit mit Low-Level-Programmiersprachen und der Registrierung von Adressen verliert.
Der verwendete Atmega328 wurde mit einem Druckknopf zum Zurücksetzen, einigen LEDs zur Anzeige von Datenübertragung und -empfang sowie mit den entsprechenden Pins beschrifteten Stiften verlötet. Sein hinterer Teil ermöglicht die Kommunikation mit USB und einem integrierten Chip (IC), um den ATmega328 mit einer stabilen Spannung zu versorgen.
Auch das Oximeter MAX30100 wurde verwendet. Es ist ein optischer Sensor, der den integrierten Pulsoximeter und den HR-Sensor von Maxim trägt. Auf der Rückseite wurden ein Regler, ein Thermometer und ein microBUS-IC für die integrierte Kommunikation (I2C) untergebracht, um eine 3,3-V-Versorgung zu gewährleisten, die Temperatur zu messen und eine serielle Kommunikation zu ermöglichen.
Es wurden wiederaufladbare UltraFire-Batterien (18.650 Li-Ion 3,7 V mit 9800 mAh Kapazität) verwendet. Unter Bezugnahme auf (1) betrug die gespeicherte Energie 36,26 Wh. Dabei wurde ein Satz von 4 Batterien verwendet, um 9800 mAh zu erreichen, die Spannung auf 15 V zu erhöhen und eine gespeicherte Energie von 147 Wh zu erhalten.
3.2. Biokompatible Materialien und 3D-Drucker
In unserem Handy-Inkubator wurden drei wichtige biokompatible Materialien verwendet: Silnylon, Mylar-Folien und Bambusgewebe. Silnylon wurde als äußere Schicht verwendet, da es ultraleicht, winddicht und in der Lage ist, das System und den Säugling von der äußeren Umgebung zu isolieren. Die Mylar-Folie wurde aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit, ihrer chemischen Stabilität und Formbeständigkeit, ihrer Transparenz, ihres Reflexionsvermögens, ihrer Gas- und Aromabarriere-Eigenschaften und ihrer elektrischen Isolierung verwendet. Das Bambusgewebe wurde aufgrund seiner antibakteriellen Eigenschaften, seiner Geschmeidigkeit, seiner Atmungsaktivität und seiner hohen Wasseraufnahmefähigkeit verwendet. Der ZONESTAR 3D-Drucker wurde für die Herstellung unseres Handy-Inkubators aufgrund seiner verschiedenen Parameter verwendet:(i)Rahmenstrukturmaterialien einschließlich Druckgeschwindigkeit (40-100 mm/s), maximale druckbare Größe (220 × 220 × 220 mm) und Düsengröße (0,4 mm).(ii)Druckmaterialträger: Polymilchsäure (PLA) und andere, mit einem Durchmesser einschließlich Positioniergenauigkeit in X und Y (0,01 mm) und in Z (0,00025 mm).(iii)Leistung des Heißbettes: 12 V, 140 W.(iv)Drucksoftware: Cura, Repetier-Host Kisslicer, usw.; Betriebssystem kompatibel mit Windows, Linux und Mac.(v)Schmelztemperatur: 157-170°C; Zugfestigkeit: 61-66 MPa; Biegefestigkeit: 48-110 MPa.
Ein weiterer Vorteil des ZONESTAR 3D-Druckers ist die Tatsache, dass er auf dem Fused Deposition Modeling (FDM)-Drucker basiert, der weit verbreitet und kostengünstig ist und eine individuelle Geometrie und höhere Leistung bietet.
3.3. Wärmeübertragungskomponenten
Zwei wichtige Wärmeübertragungskomponenten wurden in unseren Handy-Inkubator integriert: die Heizpatrone und die Wärme-/Kältepacks. Der Patronenheizkörper war die erste Quelle der Wärmeenergie, die die in den Batterien gespeicherte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt, die wiederum gespeichert und an das Kind übertragen wird. Die Heizpatronen sind aus rostfreiem Stahl gefertigt und werden mit 12 V Gleichstrom und einer Leistung von 40 Watt betrieben. Die Heizsonde hat eine zylindrische Form mit 6 mm Durchmesser und 20 mm Länge. Diese kleine Sonde wurde gewählt, um sicherzustellen, dass die gesamte Wärmeenergie auf den Gelsack übertragen wird. Die zweite Komponente war die Wärme-/Kältepackung, ein chemisches Wachs, das die Wärmeenergie konserviert und über die Leitfähigkeit auf den Patienten überträgt.
4. Prototyp des Handy-Inkubators für Frühgeborene
Die neuartigen Schritte zur Herstellung des Prototyps des Handy-Inkubators und die Testschritte werden beschrieben.
4.1. Implementierungsschritte des Prototyps
Die Schritte sind in zwei Hauptteile unterteilt: die realen und simulierten Prototyp-Schritte und die realen Prototyp-Testschritte. Das in Abbildung 1 gezeigte Blockdiagramm stellt die Schritte des realen Prototyps unseres Inkubators dar. Nachdem das Frühgeborene in den neuartigen Inkubator gelegt wurde, wurden die drei Vitalparameter (Herzfrequenz, Temperatur und SpO2) kontinuierlich durch den Mikrocontroller überwacht (diagnostiziert). Die überwachten Parameter wurden dann auf dem LCD-Display des Handy-Inkubators angezeigt. Darüber hinaus wurde das System über ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit Strom versorgt.
Bei jedem Abfallen des Sauerstoffgehalts oder der Temperatur des Frühgeborenen aus dem Normalbereich wird ein Summer aktiviert, der einen Notfalleingriff (Therapie) auslöst, z. B. die Freigabe von Sauerstoff oder das Einschalten von Heizungen. Dieses System wird von einem BMS unterstützt, das die Mobilität unseres neuartigen Inkubators gewährleistet. Die Simulationsschritte beginnen damit, dass wir mit AutoCAD alle erforderlichen Teile, die im Blockdiagramm in Abbildung 1 dargestellt sind, entsprechend der oben genannten Größe und dem Gewicht des Frühgeborenen zeichnen. Das Blockdiagramm zeigt den Plan für den gewünschten kompakten Inkubator, der das Stillen gewährleistet und mit der Hand gehalten werden kann (Handy).
Nach den Simulationsschritten können die realen Schritte des Prototyps wie folgt wiedergegeben werden:(i)Programmieren des Mikrocontrollers, um mit den Sensoren und anderen Teilen zu kommunizieren.(ii)Integrieren von MAX30100, um die Ablesung vom Bein des Säuglings zu gewährleisten.(iii)Überwachen der biologischen Merkmale HR und SpO2 nichtinvasiv durch MAX30100. MAX30100 misst die Absorption von zwei verschiedenen Wellenlängen des Lichts, und es misst die Absorptionsfähigkeit von gepulstem Blut durch Messung der roten und infraroten Wellen, die von Hämoglobin (HbO2) und Desoxyhämoglobin (Hb) reflektiert werden. Die unterschiedlichen Intensitäten sind auf ihre unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten zurückzuführen.(iv)Messen Sie die Temperatur mit dem MAX30100, da dieser einen eingebauten Temperatursensor auf seinem Chip enthält.(v)Verarbeiten Sie das Signal mit einer rauscharmen analogen Signalverarbeitungseinheit.(vi)Wählen Sie die Größe des neuartigen Prototyps so, dass er mit der Größe eines Säuglings im dritten Trimester kompatibel ist. Die Herzfrequenz wurde durch Berechnung der Anzahl der Schläge pro Minute (bpm) ermittelt. Das Herz pumpt Blut durch Pulsieren, was zu einer hohen Intensität der Zellen am Kopf jedes Pulses führt, und dann wird der Puls durch Erkennung einer hohen Anzahl von Zellen erkannt. Die hohe Intensität an der Spitze eines Pulses führt zu einer hohen Reflexion, die mit abnehmender Intensität abnimmt und Impulse bildet.
Diese Impulse können durch Festlegung eines Schwellenwerts erfasst werden, und wenn das Infrarotlicht (reflektiertes Signal) diesen Schwellenwert überschreitet, wird der Schlag gezählt. Dies wurde im Labor an einem normalen Mann getestet.
Die Heizungen wurden mit Wasser getestet, und die Temperatursensoren wurden mit dem erhitzten und abgekühlten Wasser getestet. Schließlich wurde die Batteriekapazität mit einem Voltmeter getestet.
5. Ergebnisse
5.1. Ergebnisse des Handy-Inkubators für Frühgeborene
Nachdem alle Implementierungsschritte in Abschnitt 3 durchgeführt wurden, präsentieren wir die Ergebnisse des simulierten und 3D-gedruckten (realen) Prototyps unseres Handy-Inkubators, zusätzlich zu den Test- und Bewertungsergebnissen.
5.1.1. Simulierter Prototyp
Der simulierte Prototyp mit den realen Abmessungen des Handy-Inkubators ist in Abbildung 2(a) in der Seitenansicht und in Abbildung 2(b) in der Draufsicht (in Zentimetern) dargestellt. Ein Kunststoffschild, ein Gelpack und das Kind sind grün, rot bzw. gelb gefärbt. Die Gesamtlänge des Handy-Inkubators beträgt 61,23 cm, und die Länge der Box beträgt 8 cm (in den 61,23 cm enthalten). Der Kunststoffschild ist 0,50 cm dick, die Mylar- und die Bambusschicht sind jeweils 0,55 mm dick. Die Dicke der Gelpackung beträgt 2 cm. Die blauen, grünen, roten und gelben Farben in Abbildung 2(b) stehen für die äußere Schicht, die Kunststoffabschirmung, die Gelpackung bzw. das Kind. Die äußere Schicht umgibt den Säugling; sie enthält eine Halle mit einem Radius von 10 cm und drei kleine Rechtecke. Der Zweck der Halle war es, dem Säugling den Raum zu geben, Sauerstoff aus der Umgebung einzuatmen und das Stillen zu gewährleisten. Die drei kleinen rechteckigen Gewebe wurden verwendet, um die beiden Enden des Gewebes zu halten.
(a)
(b)
(c)
(d)
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(b)
(c)
(d)
Die geschlossene Simulation des Handy-Inkubators ist in Abbildung 2(c) dargestellt, wobei der Säugling (gelb gefärbt) im Inneren platziert und von der äußeren Schicht (blau gefärbt) umgeben ist. Das grüne Rechteck und die vier Kreise auf der Oberseite des Kastens sind die LCD-Anzeigen und Drucktasten. Abbildung 2(d) zeigt die Gesamtgröße des simulierten Handy-Inkubators, während die Mutter ihn mit den Händen hält.
Das simulierte Basisteil des neuartigen Inkubators ist in Abbildung 3(a) dargestellt, und das Etikett der Box ist in Abbildung 3(b) zu sehen. Der rote Bereich stellt die Stelle dar, an der die Leiterplatte befestigt ist. Der blaue Teil stellt den Batteriegriff dar; der Batteriegriff kann bis zu acht Batterien aufnehmen. Außerdem enthält der Kasten zwei große Löcher für die Befestigung der Sauerstoffflasche, ein Loch für die Stromquelle und den Ein-/Ausschalter sowie einen Getriebegriff, der das Getriebe mit Schrauben an seinem Platz fixiert. Abbildung 3(b) zeigt die Simulation aller Teile, die für unseren neuartigen Inkubator erforderlich sind. Das Kunststoffschild bildet das Skelett unseres handlichen Inkubators (seine Gesamtlänge beträgt etwa 62 cm). Das Kunststoffschild wurde in vier Teile zerlegt, die mit Schrauben und Muttern verbunden sind. Abbildung 3(c) zeigt die Simulation der Wärmeeinheit, das rote Objekt ist das Paket, das die Gel-Säcke darstellt, und das blaue Objekt ist das Gewebe, das die Frühgeborenen umgibt. Das Gelpaket besteht aus 5 Säcken; jeder Sack enthält ein Gel sowie eine Heizung und ein Thermometer zur Kontrolle der erzeugten Wärme.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
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Der Teil des Sauerstoffauslasses (in Abbildung 3(d)) wurde so simuliert, dass er sich über dem Gesicht des Säuglings befindet, und zwar mit Hilfe eines schlauchartigen mechanischen Ventils, eines Schrittmotors mit Getriebe und einer Sauerstoffflasche. Die Sauerstoffquelle ist braun gefärbt, und die Sauerstoffflasche wurde im Inneren der Box simuliert. Die Schläuche für die Sauerstoffübertragung sind in die Kunststoffabschirmung eingebettet, um einen Aufprall durch die externe mechanische Belastung zu vermeiden.
5.1.2. Vorläufiger 3D-gedruckter Prototyp
Der 3D-Druck war der zweite Schritt auf dem Weg zu den echten Prototypenteilen. AutoCAD-Dateien wurden mit Hilfe einer Speicherkarte in den 3D-Drucker importiert, um die Teile auszudrucken. Das Modell und die Druckdauer sind in Abbildung 4 dargestellt. Für den Weiler wurden 20 Stunden benötigt. Für das Kistenetikett wurden 17 Stunden und 40 Minuten benötigt, für den Deckel der Kiste 20 Stunden und für die beiden Schilde 20 Stunden. Die Gesamtdauer für den Druck aller Teile betrug 66 Stunden und 40 Minuten.
Das Nähen der Stoffschichten, der Zusammenbau und die Schaltkreise sind in den Abbildungen 5(a) und 5(b) dargestellt.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Der PCB-Prozess ist in Abbildung 5(a) dargestellt, von der unteren und oberen Schicht, die gedruckt wurden, über die UV-Lichtquelle bis zur PCB-Platte nach dem Waschen mit Wasser. Die Nähschritte sind in Abbildung 5(b) dargestellt. Sie zeigt das Verkleben von Mylar mit Pappe, das Ergebnis des verleimten Silnylons mit Mylar und Pappkarton, wie das erhaltene Gewebe am Handy-Inkubator befestigt wird, und das Bambusgewebe, das über den Gelpacks gehalten wird, in denen der Säugling im offenen Handy-Inkubator liegt. Abbildung 5(c) zeigt den Laboraufbau, der zum Testen der Komponenten des Wärmesystems verwendet wurde.
Der reale Gesamtprototyp des Handy-Inkubators ist in Abbildung 6 (geschlossene Form) dargestellt. Die blaue Farbe des Stoffes ist die Farbe des Silnylons, das die äußere Schicht bildet. An den Rändern des den Säugling umgebenden Gewebes befinden sich Anhängevorrichtungen, die das Öffnen und Schließen des Systems erleichtern. Auch der Bambusstoff ist mit Hilfe von Anhängern an dem das Kind umgebenden Stoff befestigt; so kann der Bambusstoff leicht entfernt, gereinigt und wieder angebracht werden.
5.2. Testergebnisse des handlichen Frühgeborenen-Inkubators
Nach der Vorstellung der beiden Hardware-Teile des handlichen Frühgeborenen-Inkubators stellen wir die Test- und Fehlerbehebungsprozesse vor: (i) die elektrischen Testergebnisse für die Batterien, die das System versorgen sollen, (ii) die freigesetzte Wärmeenergie und das Wärmesystem und (iii) die Infrarot-Tests. Außerdem werden die Spezifikationen und Kosten des Frühgeborenen-Inkubators Handy bewertet und mit den bestehenden Methoden der Intensivpflege verglichen.
Die elektrische Prüfung der Kapazität der Batterien erfolgte durch vollständiges Aufladen der Batterie (bis die Batteriespannung 4.2 V), die Herstellung einer einfachen Schaltung, die einen bestimmten Strom benötigt (bekannt als der Teststrom), und die Messung der Zeit, die benötigt wird, um vollständig zu entladen (bis die Batteriespannung 2,5 V erreicht), was die Kapazität war.
Der Test wurde auf UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V mit den Testströmen wiederholt, und die erhaltenen Ergebnisse waren 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955, und 0,626, bzw. die Kapazität war nicht genug. Aus diesem Grund haben wir zwei in Reihe geschaltete Batterien anstelle einer einzigen verwendet, um eine Energie von 23.855 kJ zu erhalten. Diese Energie war in der Lage, das System einmal zu erwärmen und die Wärme für etwa 16 Stunden aufrechtzuerhalten.
Die Ergebnisse sowohl des in den Handy-Inkubator eingebauten Wärmesystems als auch der Wärmeenergietests wurden in unserer früheren Veröffentlichung vorgestellt.
Das Gewebe und die biokompatiblen Materialien des Inkubators sorgten für eine gute Isolierung.
Die Infrarot-Tests umfassten MAX30100, und die Ergebnisse wurden mit denen von Oximetriesensoren in Mobiltelefonen, einem Spezialisten für medizinische Geräte zur Überwachung des SpO2-Wertes und der Herzfrequenz mit Oximetriesensoren verglichen. Die Ergebnisse des MAX30100 waren zuverlässig und näher an den medizinischen Geräten als an den mobilen Sensoren.
5.3. Bewertung des Handy-Inkubators für Frühgeborene im Vergleich zu den Methoden der Frühgeborenen-Intensivpflege
Die Bewertung unseres Handy-Inkubators umfasste den Vergleich mit den Methoden der Intensivpflege durch Gleichaltrige. In den Abbildungen 7 und 8 sind drei Balkendiagramme mit den Standardabweichungen für mehrere entscheidende Faktoren dargestellt. Bei diesen Angaben handelt es sich um den Preis, die Umgebung, die Abmessungen, die Mutterbindung, den Prototyp, die Mobilität und andere Faktoren. Jeder Spezifikation wurde in jedem Balkendiagramm eine Farbe zugeordnet, von hellgrün bis dunkelgrün.
(a)
(b)
(a)
(b)
Unser Handy-Inkubator wurde mit dem kommerziellen Inkubator, dem Transportinkubator, dem Wärmestrahler, dem KMC und dem Umarmungswärmer verglichen, und die Ergebnisse sind in Abbildung 7 dargestellt. Die Variation der Art der überwachten Merkmale oder der aufgezeichneten Messungen ist beispielsweise in Abbildung 7(a) als Balkendiagramm im Vergleich zu den Intensivpflegeverfahren dargestellt. Die Variation der Bindung zwischen Mutter und Frühgeborenem und die Variation der Mobilitätsspezifikationen oder der Systemmobilität im Vergleich zu den Methoden der Intensivpflege werden ebenfalls dargestellt. Die Variation der therapeutischen Unterstützung, des Umgebungstyps des Systems und des Designmodells wurde bewertet und mit den Intensivmethoden in Abbildung 7(b) verglichen.
Die überwachten Merkmale, die in Abbildung 7(a) bewertet wurden, sind die Vitalzeichen, die jede Methode messen kann. Ein Maximalwert von 100% wurde mit der maximalen Anzahl von extrahierten Merkmalen assoziiert, und ein Nullwert von 0% wurde mit dem Fehlen jeglicher gemessener Merkmale durch das System assoziiert. Die höchste Anzahl (100 %) an extrahierten Merkmalen, einschließlich SpO2, Luftfeuchtigkeit, Herzfrequenz und Temperatur, wurde sowohl mit dem kommerziellen als auch mit dem Transportinkubator überwacht. Darüber hinaus wurden 75 % der extrahierten Merkmale, einschließlich SpO2, HR und Temperatur, vom Handy-Inkubator extrahiert und ansonsten null.
Die Bindung zwischen Mutter und Frühgeborenem, die in Abbildung 7(a) bewertet wird, ist der Kontakt des Frühgeborenen zur Mutter. Ein maximaler Wert von 100 % (mit einer geringen Standardabweichung) wurde mit dem maximalen Kontakt zwischen Mutter und Frühgeborenem in Verbindung gebracht, der durch das System gewährleistet wurde. Ein Nullwert von 0 % wurde mit dem Fehlen jeglichen Kontakts zwischen Säugling und Mutter assoziiert, d. h. wenn der Säugling in einem vollständig geschlossenen Inkubator auf der Neugeborenenintensivstation untergebracht ist. Die Bindung zwischen Mutter und Frühgeborenem ist bei KMC, dem Embrace-Wärmer und unserem Handy-Inkubator vollständig (100%) gegeben. Bei den kommerziellen Inkubatoren und den Transportinkubatoren fehlt sie völlig.
Die Mobilität des Systems, die auch in Abbildung 7(a) bewertet wird, ist die Fähigkeit, das Intensivpflegesystem zu mobilisieren. Ein Maximalwert von 100 % wurde mit der maximal machbaren Mobilität assoziiert, ein Nullwert von 0 % mit einer festen Methode. Die maximale Leistung der Systemmobilität wurde mit KMC, dem Umarmungswärmer und dem Handy-Inkubator assoziiert.
Die therapeutische Unterstützung, die in Abbildung 7(b) bewertet wird, ist der Kontakt des Frühgeborenen mit der Mutter. Ein Maximalwert von 100 % wurde mit der maximalen therapeutischen Unterstützung und Behandlung durch das System in Verbindung gebracht. Ein Nullwert von 0 % wurde mit der minimalen therapeutischen Unterstützung in Verbindung gebracht. Die maximale Leistung (100%) der therapeutischen Unterstützung wurde mit den handelsüblichen und den Handy-Inkubatoren assoziiert.
Die Umgebung, die in Abbildung 7(b) bewertet wird, ist die Art der Schnittstelle der Methode mit der Umgebung. Eine geschlossene Umgebung ist die vollständige Isolierung des Frühgeborenen, während die offene Umgebung die Isolierung ist, die das Ansaugen des Frühgeborenen aus der Umgebungsluft ermöglicht. Insbesondere die Isolierung, die das Einatmen ermöglicht, war mit der höchsten Leistung (100 %) verbunden. Die Leistung des Umgebungstyps war bei dem Wärmestrahler, dem KMC, dem Embrace-Wärmer und dem Handy-Inkubator am höchsten.
Das Designmodell, das auch in Abbildung 7(b) bewertet wird, ist die Fähigkeit zur Mobilisierung des Intensivpflegesystems. Die maximale Leistung (100%) des Designmodells wurde mit KMC assoziiert, und dann wurden 75% mit dem Handy-Inkubator assoziiert.
Die Kosten (in 1000$) des Handy-Inkubators wurden dargestellt und mit den Kosten des kommerziellen Inkubators, des Transportinkubators, des Wärmestrahlers und des Umarmungswärmers verglichen, und die Ergebnisse sind in Abbildung 8 dargestellt. Die Bandbreite der Standardabweichung ist auf das Vorhandensein verschiedener kommerzieller Inkubatoren mit unterschiedlichen Spezifikationen zurückzuführen. Bei den Kosten handelt es sich um die Durchschnittskosten dieser vorhandenen Brutkästen. Wie aus Abbildung 8 hervorgeht, sind die höchsten Kosten für den kommerziellen Inkubator zu verzeichnen. Der angegebene Bruttopreis hängt von der Firma und dem Zubehör ab. KMC ist kostenlos, und die Kosten für den Handy-Inkubator und den Embrace-Wärmer belaufen sich auf etwa 300 $, während die Kosten für den kommerziellen Inkubator im Durchschnitt 32.000 $ betragen (die Spanne reicht von 1.000 $ bis 55.000 $).
6. Diskussion
Mit den bestehenden Methoden der Intensivpflege, ob offene oder geschlossene Pflege, sind verschiedene Vorteile verbunden. Obwohl die handelsüblichen Säuglingsinkubatoren und die stationären, mobilen und transportablen Inkubatoren eine angemessene Temperatur für den Säugling aufrechterhalten und die grundlegenden Parameter überwachen, unterscheiden sie sich in Gewicht, Größe, Kosten und kompatiblem Zubehör. Der Hauptvorteil eines Wärmestrahlers ist der offene Zugang, den er für Frühgeborene bietet und der Verfahren wie die endotracheale Intubation unterstützt. Dies stand im Einklang mit der 100%igen Leistung des Wärmestrahlers, die in unserer Arbeit beobachtet wurde. Die Gesamtleistung betrug jedoch 37,5 ± 0,9 %, wie in Tabelle 1 angegeben.
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KMC ist eine offene Pflegemethode, und in einer kürzlich durchgeführten Untersuchung wurde eine 40 %ige Verringerung des Risikos der Sterblichkeit nach der Entlassung festgestellt. Zu den weiteren Vorteilen gehörten eine Verbesserung des Stillens, der Mutter-Kind-Bindung und der Entwicklungsergebnisse. Dies spiegelte sich in der 100%igen Leistung von KMC wider, wenn man das Vorhandensein oder Fehlen der Mutter-Kind-Bindung untersuchte. Die oben genannten Ergebnisse und die Zustimmung der WHO zu KMC unterstützen die gute Gesamtleistung von KMC in unseren Ergebnissen (75 ± 1,4%). Das Fehlen der restlichen 25 % könnte auf die von Lawn et al. vorgeschlagene Begrenzung des Untergewichts auf 800 g zurückzuführen sein.
Inkubatoren sind recht weit verbreitet, die meisten Geräte verfügen über zwei Betriebsarten: die manuelle Steuerung der Lufttemperatur und die automatische Steuerung der Hauttemperatur. Die meisten Geräte ermöglichen es dem Benutzer, die relative Luftfeuchtigkeit zu messen und den Säugling bei Bedarf mit Sauerstoff zu versorgen. Diese Tatsachen stimmten mit unseren Ergebnissen überein, bei denen der kommerzielle Inkubator eine 100%ige Leistung bei der Merkmalsextraktion und der therapeutischen Unterstützung mit einer fast vernachlässigbaren Standardabweichung aufwies.
In Bezug auf die handlichen Inkubator-Prototyp-Informationen bezog Fallon die Verwendung der kardiopulmonalen Maschine zur Überwachung und Anzeige von Daten auf einem LCD-Bildschirm ein. Wenn die Herzfrequenz des Säuglings zu langsam oder zu schnell wird, gibt es einen Alarm. Analog zur Arbeit von Fallon haben wir unseren Handy-Inkubator so programmiert, dass er einen Alarm auslöst, wenn ein Abfall der ermittelten Werte auftritt.
Kürzlich haben Wissenschaftler im Baby Center ein Blutdruckmessgerät veröffentlicht, bei dem eine miniaturisierte Blutdruckmanschette um das Bein oder den Arm des Säuglings gelegt wird, um den Blutdruck zu überwachen. Analog zu ihrer Arbeit verwendeten wir eine Oximetrie und schlossen die miniaturisierte Blutdruckmanschette an das Bein des Säuglings an.
Unser Handy-Inkubator kann leicht von der Mutter getragen werden und ist in Ländern mit mittlerem und niedrigem Einkommen erschwinglich. Im Gegensatz zum mOm-System von James et al., bei dem die Mutter-Kind-Bindung und das Stillen fehlen, kann der Säugling bei unserem System von den physiologischen Vorteilen des Stillens auf der einen Seite profitieren, wie es von KMC angeboten wird, und auf der anderen Seite eine warme und antibakterielle Umgebung genießen.
Unser Handy-System bietet auch die biomedizinische Extraktion der Frühgeborenen-HR, der Temperatur und des SpO2-Wertes und zeigt sie auf einer LCD-Anzeige an, was sich in der Leistung von 75 ± 1,5% in Abbildung 7(b) widerspiegelt. Das Fehlen der verbleibenden 25 % ist auf die fehlende Messung der Luftfeuchtigkeit zurückzuführen.
Eine Über- oder Unterversorgung von Frühgeborenen mit Sauerstoff kann ihnen schaden; daher wurde der SpO2-Wert in unserem Handy-Inkubator überwacht und zwischen 90 und 93 % gehalten, um Krankheiten zu vermeiden. Die Pulsoximetrie ist eine vorteilhafte Methode zur Überwachung der Sauerstoffzufuhr, da sie kontinuierlich und nicht invasiv ist.
Im Notfall haben wir das System so programmiert, dass es vorübergehend Sauerstoff zuführt. Wir haben auch dafür gesorgt, dass der Handy-Inkubator im Vergleich zu anderen Methoden der Intensivpflege kostengünstig ist.
Die Erprobung unseres Inkubators war notwendig, um die Qualität der elektrischen, thermischen und grafischen Gestaltung des Inkubators zu kontrollieren.
Der Handy-Inkubator bietet eine gute therapeutische Behandlung wie Sauerstoffversorgung und Wärme. Dies ermöglicht es dem Arzt, den Zustand des Frühgeborenen zu überwachen, indem er die drei auf der LCD-Anzeige angezeigten Vitalparameter diagnostiziert und im Speicher speichert.
Zusätzlich zu der schönen Form erzeugt das System keinen Lärm beim Einschalten oder Bewegen, da keine Ventilatoren vorhanden sind und die bei der Herstellung verwendeten Materialien gut ausgewählt wurden.
Die Gesamtleistung des KMC (75 ± 1,4 %) war besser als die des Embrace-Wärmers (66,7 ± 1,5 %) in unseren untersuchten Spezifikationen. Unser Handy-Inkubator übertraf jedoch mit einer Gesamtleistung von 91,7 ± 1,6 % alle Intensivpflegeverfahren (Tabelle 1). Der Handy-Inkubator ist eine benutzerfreundliche Technik. Obwohl der 3D-Druck unseres Inkubators einige Zeit in Anspruch nahm, waren seine Kosten im Vergleich zu teuren kommerziellen Inkubatoren angemessen. Dadurch sind die Handy-Inkubatoren vielversprechend, besonders in Ländern mit mittlerem und niedrigem Einkommen.
7. Schlussfolgerung und Ausblick
Unsere ursprüngliche Forschung besteht sowohl aus Hardware- als auch aus Softwarebeiträgen. Die Softwareimplementierung umfasste die Programmierung der Prozessorplattform über Arduino. Die Hardware-Ausführung umfasste den 3D-Druck des Handy-Inkubators und seiner Schaltung und deren Anschluss an Arduino. Unser Handy-Inkubator ist so konzipiert, dass er tragbar, nicht schwer und kostengünstig ist.
Mit dem Fortschritt unseres neuartigen 3D-gedruckten Prototyps des Handy-Inkubators für Frühgeborene könnten viele Leben gerettet werden. Aufgrund des Mangels an kosteneffizienten Intensivpflegeverfahren zur Überwachung aller Vitalparameter und zur Speicherung von Daten sowie des Fehlens eines Systems, das mit den Händen gehalten werden kann, haben wir die Herausforderung angenommen und unseren handlichen und kostengünstigen Säuglingsinkubator entworfen. Unser Design überwacht die Vitalparameter (Temperatur, Herzfrequenz und SpO2) und zeigt sie an. Der Handy-Inkubator gewährleistet das Stillen und ist kostengünstig. Der bewertete Prozentsatz der Leistung zeigt, dass er die bestehenden Intensivpflegemethoden übertrifft.
Unser System hat viele der Herausforderungen gelöst, aber es gibt immer noch einen Spielraum für weitere Verbesserungen.
Zukünftige Schritte können Folgendes umfassen:(i)Sammeln weiterer Daten über den Infrarotsensor MAX30100, den wir in unserem System eingesetzt haben, um die Oximetrieanzeige zu verbessern.(ii) Rendering und Aktualisierung des vom Hersteller des Sensors, der aus zwei LEDs und einem Fotorezeptor mit Mikroprozessor besteht, zur Verfügung gestellten Codes, um eine spezifische Impulsbreite und Lichtintensität zu erreichen, die den medizinischen Kriterien entspricht.(iii) Verwendung einer Peltier-Zelle (elektronisches Bauteil auf Halbleiterbasis, das nach dem „Peltier-Effekt“ als kleine Wärmepumpe arbeitet) anstelle der Heizung.(iv) Modifizierung der elektronischen Platine durch Hinzufügen einer Ladesteuerung (Maximum Power Point Tracking), um den maximalen Leistungspunkt zu suchen und den Lastwiderstand in Resonanz mit dem Versorgungswiderstand zu bringen, der die maximale Effizienz der Aufladung aufweist.(v) Schließlich Verbesserung der Software und Bereitstellung eines Web-Servers für telemedizinische Leistungen und Forschungszwecke.
Datenverfügbarkeit
Da wir eine neue Erfindung und eine originelle Forschung auf diese neue Erfindung angewandt haben, und unser Gerät ist auch unter einer verlängerten Verlängerung für die Verbesserung, auch sind wir eine Zusammenarbeit mit einem Biomedizintechnik-Unternehmen für die Entwicklung unseres Gerätes, so dass wir die Daten vertraulich gelassen, bis wir diese Erfindung in unserem Namen registrieren.
Interessenkonflikte
Alle Autoren erklären, dass es keine Interessenkonflikte gibt.
Danksagung
Die Autoren möchten Dr. Mohammad Arnaout, Dr. Lara Hamawy und Miss Alaa Zaylaa für ihre unterstützenden Informationen danken. Dieses Projekt wurde von der libanesischen Universität und dem MD Anderson Cancer Center der Universität von Texas, Houston, TX, USA, finanziert.