Abstract
Viimeaikaiset lapset kohtaavat äkillisen synnytyksen ennen täydellistä kypsymistä raskauden kolmannen kolmanneksen aikana. Kyselyt ennakoivat ennenaikaisten vauvojen määrän kasvavan vuoteen 2025 mennessä erityisesti keski- ja matalan tulotason maissa. Huolimatta ennenaikaisille vauvoille tarkoitettujen tehohoitomenetelmien, kuten muun muassa kaupallisten, kuljetus-, syli-, säteily- ja kenguruhoitomenetelmien, runsaasta määrästä, ne ovat joko kalliita, niistä puuttuvat olennaisimmat vaatimukset tai eritelmät tai niistä puuttuu äidin ja ennenaikaisen lapsen välinen side. Tämä ajoi meidät toteuttamaan tämän alkuperäisen tutkimuksen ja innovatiivisen idean kehittää uusi 3D-tulostettu prototyyppi Handy-epäaikaisvauvahautomosta. Tavoitteenamme on tarjota kaikkein välttämättömintä tehohoitoa mahdollisimman alhaisin kustannuksin, antaa pienituloisille maille Handy-inkubaattorin hoito, säilyttää äidin ja ennenaikaisen lapsen välinen side ja vähentää kuolleisuutta. Hyödynnettiin biolääketieteellisiä ominaisuuksia, elektroniikkaa ja bioyhteensopivia materiaaleja. Suunnittelua simuloitiin, prototyyppi 3D-tulostettiin ja tuloksia testattiin ja arvioitiin. Simulointitulokset osoittivat, että Handy-inkubaattorin komponentit sopivat parhaiten. Kokeelliset tulokset osoittivat 3D-tulostetun prototyypin ja sen valmistamiseen kuluneen ajan. Arviointitulokset osoittivat, että kenguruäidin hoidon ja sylilämmittimen kokonaissuorituskyky oli 75 ± 1,4 % ja 66,7 ± 1,5 %, kun taas Handy-inkubaattorimme kokonaissuorituskyky oli 91,7 ± 1,6 %, joten kustannustehokas Handy-inkubaattorimme ylitti nykyiset tehohoitomenetelmät. Tulevaisuudessa Handy-inkubaattoriin liitetään lisää spesifikaatioita ja edistysaskeleita.
1. Johdanto
Ennenaikainen synnytys on äkillinen syntymä alle 37. raskausviikolla. Kolmannen raskauskolmanneksen eli 27-40 raskausviikon aikana, jolloin sikiön pääkehitysvaihe tapahtuu, lapselle tapahtuu dramaattinen hengityselinten siirtymä, joka mahdollistaa hengittämisen ensimmäistä kertaa. Kolmannen kolmanneksen jälkeen sikiö on yleensä asetettu syntymään . Maailman terveysjärjestön (WHO) epidemiologian mukaan jokaista kymmentä vastasyntynyttä kohden yksi lapsi katsotaan ennenaikaiseksi . Vuonna 2010 syntyi 15 miljoonaa ennenaikaista lasta. Kaikista 15 miljoonasta lapsesta 1 miljoona kuoli ennenaikaisuuden vuoksi. Ennenaikaiset synnytykset sijoittuivat sen jälkeen ennenaikaisesti syntyneiden vauvojen ensimmäiseksi kuolleisuuden syyksi ensimmäisen syntymäkuukauden aikana ja syntymän jälkeen. Se on myös maailmanlaajuisesti sijoittunut toiseksi kuolinsyyksi lapsille, jotka eivät täyttäneet 5 vuotta .
Myöhemmin tutkimus paljasti, että ennenaikaisten synnytysten määrä laski vuodesta 2007 vuoteen 2014 teini-ikäisten ja nuorten äitien synnytysten määrän vähenemisen vuoksi . He raportoivat myös, että kansallinen ennenaikaisten synnytysten määrä kasvoi hieman vuosien 2014 ja 2015 välillä . Lähes kaikissa maissa, joista on luotettavia tietoja, ennenaikaisten synnytysten määrä kasvaa jatkuvasti. Blencowen ym. systemaattinen analyysi osoitti, että selviytyneiden ennenaikaisten lasten määrä kasvaa jatkuvasti useimmissa maissa. Keskimääräinen vuotuinen muutosnopeus vuodesta 2005 vuoteen 2010 säilyi , mutta vastaa edelleen ennenaikaista kuolemaa.
Korkeatuloisissa maissa lähes kaikki näistä raportoiduista ennenaikaisista lapsista selviytyvät. Matalan tulotason maissa puolet 32 viikolla tai alle syntyneistä vauvoista kuolee toteuttamiskelpoisen ja kustannustehokkaan hoidon, kuten lämmön, imetystuen ja infektioiden torjunnan puutteen sekä hengitysvaikeuksien puuttumisen vuoksi.
Riippumatta ennenaikaisuuden syistä monet tutkimukset ovat keskittyneet äidin ja sikiön olosuhteiden seurantaan oireiden vähentämiseksi ja ennakoimiseksi ja siten ennenaikaisten synnytysten välttämiseksi , kun taas toiset ovat keskittyneet lopputuloksen eli ennenaikaisuuden hoitoon vähentäen suoraan kuolleisuutta .
Lopputuloksen hoitamiseksi on ollut olemassa tehohoitomenetelmiä, kuten terapeuttisia menetelmiä ja laitteita, joita on saatavilla markkinoilla, ja laitteita, joita tutkitaan. Ne vaihtelevat rakenteensa, eritelmiensä ja suorituskykynsä mukaan. Niihin kuuluvat muun muassa kaupalliset inkubaattorit, siirrettävät inkubaattorit, sylinterilämmittimet, säteilylämmittimet ja kenguruäidin hoitomenetelmät (Kangaroo Mother Care, KMC) . Olemassa oleviin tehohoitomenetelmiin liittyi kuitenkin monia haittapuolia.
Kannattavista tehohoitomenetelmistä huolimatta eräässä tutkimuksessa ennakoitiin, että ennenaikaisesti syntyneiden lasten eloonjäämisprosentti vuodelle 2025 on . Koska ennenaikaisesti syntyneiden lasten maailmanlaajuinen odotettu kuolleisuusaste vuonna 2025 on 91 %, tämä ajoi meidät käsittelemään tätä ongelmaa ja kehittämään uuden ennenaikaisen inkubaattorin prototyypin, jolla edistetään tehohoitoa alhaisin kustannuksin. Tutkimuksemme tavoitteena on kehittää ja 3D-tulostaa uusi kätevä, kannettava ja kustannustehokas nestekidenäyttöön (LCD) perustuva inkubaattori tehohoidon tarjoamiseksi erityisesti keski- ja pienituloisissa maissa. Tavoitteena on tehdä Handy-inkubaattorista toteuttamiskelpoinen ja käyttäjäystävällinen ja täyttää ennenaikaisesti syntyneiden lasten terveysvaatimukset. Hankkeessa keskitytään raskauden kolmannella kolmanneksella äkillisesti synnyttäneisiin ennenaikaisiin lapsiin. Tärkeimpiä elintoimintoja, kuten lämpötilaa, sydämen sykettä ja happipitoisuutta, seurattiin, ja kehittyneet bioyhteensopivat materiaalit valittiin huolellisesti ennenaikaisen lapsen hoitoa varten.
Tämän asiakirjan loppuosa on järjestetty seuraavasti. Jaksossa 2 esitellään nykyiset tehohoitomenetelmät. Jaksossa 3 esittelemme Handy ennenaikaisinkubaattorin materiaalit. Jaksossa 4 esitellään Handy-inkubaattorin prototyyppi. Jaksossa 5 esitellään tulokset. Jaksossa 6 keskustelemme tuloksista, ja jaksossa 7 esitämme yleiset johtopäätökset ja tulevaisuuden työt.
2. Olemassa olevat ennenaikaisen lapsen tehohoitomenetelmät
Kirjallisuuskatsauksen tuloksista tehtiin PubMed-, ScienceDirect- ja Google scholar -hakujen jälkeen yhteenveto, ja ja jaoimme ne kahteen luokkaan: avohoitoon ja suljettuun hoitoon.
2.1. Suljetut hoitomenetelmät
Näihin menetelmiin kuuluvat vastasyntyneiden tehohoitoyksiköissä (Neonate Intensive Care Unit, NICU) käytettävissä olevat imeväisikäisten inkubaattorit, tehohoitojärjestelmä, joka antaa imeväiselle tasaisen vakaasti lämpöä lämmitetyn ilmankierron avulla ihon päällä. Useiden edistysaskeleiden jälkeen imeväisikäisten inkubaattoriin kuului ilmankosteuden säätö, hapensyöttö ja muita lisävarusteita. Vauvahautomo voi olla kiinteä, siirrettävä tai kuljetettava. Inkubaattoreista puuttuu kuitenkin äidin ja esikoisen välinen yhteys, ja ne ovat kalliita erityisesti keski- ja pienituloisissa maissa. Tämä sai aikaan muita tutkimuksia, joissa kehitettiin kannettavia, halvempia ja toteuttamiskelpoisia järjestelmiä, joita käytettiin kotona .
Kiinteä imeväisten inkubaattori, jota käytetään yleisesti vastasyntyneiden teho-osastolla, kykenee erilaisten lisävarusteiden ansiosta hoitamaan mitä tahansa tapausta. Kiinteää inkubaattoria pidetään täydellisenä valintana, koska se liitetään seinäsyöttöihin ja se tarjoaa imeväiselle sopivan ympäristön. Kiinteät hautomot ovat kuitenkin erittäin kalliita, ja niissä tuotetaan lämpöä työntämällä lämmitettyä ilmaa puhaltimien avulla. Tämä tekniikka tuottaa melua, joka vaikuttaa kielteisesti imeväiseen. Vaikka tällainen inkubaattori rekisteröi sydämen sykettä, siinä käytetään elektrodeja, jotka on liitettävä ennenaikaisesti syntyneeseen lapseen koko ajan, mikä vaikuttaa lapsen herkkään ihoon. Lisäksi rintaruokinnan puute ja liikkumattomuus tekevät vauvan siirtymisen osastolta toiselle erittäin vaikeaksi, mikä johti siirrettävien inkubaattoreiden keksimiseen .
Siirrettävä inkubaattori on muunnettu kiinteä inkubaattori, jolla on sama tehtävä kuin kiinteällä inkubaattorilla. Liikkuvissa inkubaattoreissa on ylimääräiset pyörät, niitä voidaan kuljettaa sairaalan sisällä, pelkästään, ja ne vaativat ylimääräisiä työkaluja, jotta järjestelmään voidaan syöttää sähköä ja happea . Näillä inkubaattoreilla on samat haitat kuin kiinteillä inkubaattoreilla. Vaikka siirrettävät inkubaattorit ovat hyviä ratkaisuja, kun lapsi on kuljetettava sairaalan sisällä, ne ovat epäkäytännöllisiä, kun lapsi on kuljetettava sairaalan ulkopuolelle.
Kuljetusinkubaattorit ovat pienikokoisia kannettavia inkubaattoreita, jotka voivat kuljettaa vauvan autolla tai lentokoneella. Huolimatta siitä, että kuljetusinkubaattorit ovat ainoa vaihtoehto ennenaikaisten vauvojen kuljetukseen ulkona, kuljetusinkubaattoreilla on useita haittoja, kuten erittäin korkeat kustannukset ja painavuus, termostaatin vikaantuminen ja sähköiskun vaara .
2.2. JOHDANTO
. Avohoitomenetelmät
KMC on ratkaisu ennenaikaisten inkubaattoreiden vikoihin, jotka tuottavat sairaaloissa ennenaikaisten imeväisten korkeaa sairastavuutta ja kuolleisuutta. Se tarjoaa lämpöä ja imetystä imeväisen ja äidin ihokontaktin avulla. Tämä side/kontakti takaa ennenaikaisen lapsen lämpötilan vakauden. Vaikka KMC pystyi vähentämään imeväisten sairastuvuutta tavanomaisiin inkubaattoreihin verrattuna, sitä rajoittavat edelleen eri tekijät. KMC ei pysty seuraamaan imeväisen lämpötilaa, sydämen sykettä, happipitoisuutta ja ilmankosteutta, mikä altistaa imeväisen epävakauden ja haitallisuuden riskille. KMC tarvitsee taitavia henkilöresursseja, kuten sairaanhoitajia, mikä lisää tehohoidon monimutkaisuutta.
Toinen avoin tehohoitomenetelmä on säteilylämmitin, joka toimii säteilylämmön lakien mukaan. Tämä laite antaa keskosille tarvittavaa säteilyenergiaa vaihtoehtoiseksi prosessiksi perinteiselle konvektiolämmitykselle . Säteilylämmitin koostuu sängystä, yläpuolisesta lämmitysyksiköstä ja lämpötila-anturista . Säteilylämmittimet kärsivät haihtumisesta johtuvasta lämpöhäviön dramaattisesta kasvusta .
Embrace-lämmittimet, jotka koostuvat kolmesta osasta eli vauvan arvioidusta makuupussista tai imeväisikäisen käyttöliittymästä, faasimuutosmateriaalista koostuvasta lokerosta ja lämmittimestä , ovat loistavia ratkaisuja ennenaikaisen imeväisen ruumiinlämpötilan säätelyyn. Samaan aikaan sylilämmittimet eivät tarjoa minkäänlaista seurantaa imeväisen keskeisille parametreille, ja niistä puuttuvat hätähälytykset. Lisäksi ne edellyttävät jatkuvaa vaiheenvaihtoa, mikä aiheuttaa imeväisen lämpötilan vaihtelua ja jättää pois kaiken terapeuttisen tuen.
Kaikki edellä mainitut ongelmat saivat meidät kehittämään uuden Handy-kätevän ennenaikaisten imeväisten inkubaattorin.
3. Handy Preterm Infant Incubatorin materiaalit
Uudenlainen Handy-inkubaattori vaati useita materiaaleja ja työkaluja siihen upotettujen moninaisten panosten vuoksi.
Kolmannella raskauskolmanneksella sikiö on lähes muodostunut ja valmis syntymään . Näin ollen ennenaikaisen lapsen keskikoko, paino, pituus, pään ympärysmitta ja vatsan ympärysmitta valittiin huolellisesti. Erityisesti kolmen viimeisen raskauskuukauden aikana lapsen aivot laajenevat edelleen, joten pään ympärysmitta kasvaa noin 28 cm:stä (11 tuumasta) 38 cm:iin (15 tuumaan). Samanaikaisesti sikiön kokonaisvartalon pituus kasvaa noin 38 cm:stä (15 tuumasta) 48 cm:iin (19 tuumaan). Sikiön keskipaino nousee 1,4 kg:sta 3,4 kg:aan .
3.1 . Sähköiset ja elektroniset komponentit
Handy-hautomo vaati ATmega328-mikrokontrollerin tietojen käynnistämiseen ja tallentamiseen.
Arduino Micro käytettiin mikrokontrollerin apuna, koska mikrokontrolleri vaati ylivoimaisia asennuspiirejä ja kokoonpanokieltä. Arduino Micro avustaa mikrokontrolleria säätimillä, ilmaisten kirjastojen ja muiden puitteiden avulla. Puitteet tarjoavat helpompaa ohjelmointia ja välttävät ajan menettämisen matalan tason ohjelmointikieleen ja osoitteiden rekisteröintiin .
Hyödynnetty Atmega328 juotettiin painonapilla nollausta varten, joillakin LEDeillä osoittamaan datan siirtymistä ja vastaanottoa sekä nastoilla, jotka on merkitty vastaavalla nastalla. Sen takaosa mahdollistaa yhteydenpidon USB: n ja regulaattorin integroidun sirun (IC) kanssa vakaan jännitteen tarjoamiseksi ATmega328: lle.
Lisäksi hyödynnettiin oksimetri MAX30100. Se on optinen anturi, jossa on Maximin integroitu pulssioksimetri ja HR-anturi. Säädin, lämpömittari ja microBUSinter-integroitu viestintä (I2C) IC estettiin takaosassa 3.3 V:n syötön tarjoamiseksi, lämpötilan mittaamiseksi ja sarjaviestinnän tarjoamiseksi.
UltraFire ladattavia paristoja (18,650 Li-ion 3.7 V:n kapasiteetilla 9800 mAh) käytettiin . Viitaten (1) tallennettu energia oli 36,26 Wh. Näin ollen on käytetty neljän akun sarjaa 9800 mAh:n saavuttamiseksi, jännitteen nostamiseksi 15 V:iin ja 147 Wh:n varastoidun energian saamiseksi.
3.2. Bioyhteensopivat materiaalit ja 3D-tulostin
Handy-inkubaattorissamme käytettiin kolmea tärkeintä bioyhteensopivaa materiaalia: silnylon, mylar-levyt ja bambukangas. Silnylonia käytettiin ulkokerroksena sen erittäin kevyen painon, tuulenpitävyyden ja kyvyn eristää järjestelmä ja lapsi ulkoisesta ympäristöstä johtuen. Mylar-levyä käytettiin sen suuren vetolujuuden, kemiallisen ja mittapysyvyyden, läpinäkyvyyden, heijastuskyvyn, kaasu- ja tuoksusulkuominaisuuksien sekä sähköeristävyyden vuoksi. Bambukangasta käytettiin sen antibakteerisen ominaisuuden, sileyden, hengittävyyden ja suuren vedenimukyvyn vuoksi. ZONESTAR 3D-tulostinta käytettiin Handy-inkubaattorimme perustamiseen sen useiden parametrien vuoksi:(i)Runkorakenteen materiaalit, mukaan lukien tulostusnopeus (40-100 mm/s), suurin tulostettava koko (220 × 220 × 220 mm) ja suuttimen koko (0,4 mm)(ii)Tulostusmateriaalituet: poly-maitohappo (PLA) ja muut, halkaisijaltaan mukaan lukien sijaintitarkkuus X:ssä ja Y:ssä (0,01 mm) ja Z:ssä (0,00025 mm)(iii)Kuumalevyjen virransyöttövirta (Hot bed power): 12 voltin teho (12 volttia), teho 140 watin teho(iv)tulostusohjelmisto: Cura, Repetier-Host Kisslicer jne.; käyttöjärjestelmä yhteensopiva Windowsin, Linuxin ja Macin kanssa.(v)Sulatuslämpötila: 157-170 °C; vetolujuus: 61-66 MPa; taivutuslujuus: 48-110 MPa.
Lisäksi ZONESTAR 3D-tulostimen toinen etu on se, että se perustuu FDM-tulostimeen (FDM, Fused Deposition Modeling), joka on yleinen ja kustannustehokas ja tarjoaa räätälöidyn geometrian ja paremman suorituskyvyn .
3.3. Lämmönsiirtokomponentit
Kaksi merkittävää lämmönsiirtokomponenttia upotettiin Handy-inkubaattoriimme: patruunan lämmittimen rippeet ja kuuma/kylmäpakkaukset. Kasettilämmitin oli ensimmäinen lämpöenergian lähde, joka muuntaa akkuihin varastoidun sähköenergian lämpöenergiaksi, joka puolestaan varastoidaan ja siirretään vauvalle. Patruunalämmittimet on valmistettu ruostumattomasta teräksestä, ja ne saavat virtansa 12 voltin tasavirralla, jonka teho on 40 wattia. Lämmitysanturi on sylinterinmuotoinen, halkaisijaltaan 6 mm ja pituudeltaan 20 mm. Tämä pieni anturi valittiin sen varmistamiseksi, että kaikki lämpöenergia siirtyy geelipussiin. Toinen komponentti oli kuuma/kylmäpakkaus, joka on kemiallinen vaha, joka säilyttää lämpöenergian ja siirtää sen potilaaseen johtavuuden kautta.
4. Handy-inkubaattorin prototyyppi ennenaikaisille vauvoille
Annetaan uudenlaiset vaiheet Handy-inkubaattorin prototyypin saamiseksi ja testausvaiheet.
4.1. Prototyyppi ja testaus. Prototyypin toteutusvaiheet
Vaiheet on jaettu kahteen suureen osaan: todellisen ja simuloidun prototyypin vaiheet sekä todellisen prototyypin testausvaiheet. Kuvassa 1 esitetty lohkokaavio esittää hautomomme todellisen prototyypin vaiheet. Kun ennenaikainen lapsi on sijoitettu uuteen inkubaattoriin, kolmea elintärkeää merkkiä ja ominaisuutta, HR, lämpötila ja SpO2, seurattiin jatkuvasti (diagnosoitiin) mikrokontrollerin avulla. Valvotut parametrit näytettiin sitten Handy-inkubaattorin LCD-näytöllä. Lisäksi järjestelmän virtalähteenä seurattiin akunhallintajärjestelmää (Battery Management System, BMS).
Mikäli happipitoisuus tai lämpötila putoaa normaaliarvojen alapuolelle, summeri kytkeytyy päälle hätätilahäirintää (hoitoa) varten, kuten hapen vapauttamiseksi tai lämmittimien kytkemiseksi päälle. Tätä järjestelmää tukee BMS, joka takaa uudenlaisen inkubaattorimme liikkuvuuden. Simulointivaiheet aloitetaan piirtämällä AutoCAD-ohjelmalla kaikki tarvittavat osat, jotka on esitetty kuvan 1 lohkokaaviossa, edellä mainitun koon ja keskosvauvan painon mukaisesti. Lohkokaavio esittelee suunnitelman halutusta kompaktista inkubaattorista, joka varmistaa imetyksen ja jota voidaan pitää kädessä (Handy).
Simulointivaiheiden jälkeen todellisen prototyypin vaiheet voidaan toistaa seuraavasti: (i)Ohjelmoidaan mikrokontrolleri kommunikoimaan antureiden ja muiden osien kanssa (ii)Integroidaan MAX30100 varmistamaan lukema imeväisen jalasta (iii)Seurataan HR:n ja SpO2:n biologisia ominaisuuksia noninvasiivisesti MAX30100:n avulla. MAX30100 mittaa kahden eri aallonpituuden valon absorptiota, ja se mittaa pulssitetun veren absorptiota mittaamalla hemoglobiinista (HbO2) ja deoksihemoglobiinista (Hb) heijastuvia punaisia ja infrapuna-aaltoja. Erilaiset voimakkuudet johtuvat niiden erilaisista absorptiokertoimista.(iv)Mittaa lämpötila MAX30100:n avulla, koska sen piirissä on sisäänrakennettu lämpötila-anturi.(v)Käsittele signaali vähäkohinaisella analogisella signaalinkäsittely-yksiköllä.(vi)Valitse uuden prototyypin koko siten, että se on sopusoinnussa kolmannen raskauskolmanneksen vauvan koon kanssa. HR laskettiin laskemalla lyöntien määrä minuutissa (bpm). Sydän pumppaa verta sykkimällä, tämä johtaa solujen suureen intensiteettiin kunkin pulssin päässä, ja sitten pulssi havaitaan havaitsemalla suuri määrä soluja. Suuri intensiteetti pulssin päässä johtaa suureen heijastukseen, joka vähenee intensiteetin pienentyessä muodostaen pulsseja.
Nämä pulssit voidaan ottaa kiinni asettamalla kynnysarvo, ja kun infrapunavalo (heijastunut signaali) ylittää tämän kynnysarvon, syke lasketaan. Tätä testattiin laboratoriossa normaalilla ihmisellä.
Lämmittimiä testattiin vedellä, ja lämpötila-antureita testattiin lämmitetyllä ja jäähdytetyllä vedellä. Lopuksi testattiin akun kapasiteetti jännitemittarilla.
5. Tulokset
5.1. Handy-inkubaattorin tulokset
Soveltamalla kaikki luvussa 3 esitetyt toteutusvaiheet esitämme testaus- ja arviointitulosten lisäksi Handy-inkubaattorimme simuloidun ja 3D-tulostetun (todellisen) prototyypin tulokset.
5.1.1. Testaus- ja arviointitulokset. Simuloitu prototyyppi
Simuloitu prototyyppi Handy-hautomon todellisista mitoista on esitetty kuvassa 2(a) sivukuvasta ja kuvassa 2(b) yläkuvasta (senttimetreinä). Muovisuojus, geelipakkaus ja pikkulapsi on väritetty vihreällä, punaisella ja keltaisella. Handy-inkubaattorin kokonaispituus on 61,23 cm, ja laatikon pituus on 8 cm (sisältyy 61,23 cm:n pituuteen). Muovisuojan paksuus on 0,50 cm, ja mylar- ja bambukerrokset ovat kumpikin 0,55 mm. Geelipakkauksen paksuus on 2 cm. Sininen, vihreä, punainen ja keltainen väri kuvassa 2(b) edustavat ulkokerrosta, muovisuojaa, geelipakkausta ja pikkulasta. Ulkokerros ympäröi pikkulasta, joten se sisältää 10 cm:n säteisen salin ja kolme pientä suorakulmiota. Salin tarkoituksena oli antaa imeväiselle tilaa hengittää happea ympäristöstä ja varmistaa imetys. Kolmea pientä suorakulmaista kangasta käytettiin pitämään kiinni kankaan kahdesta päästä.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Kuvassa 2(c) on esitetty Handy-inkubaattorin suljettu simulaatio, jossa imeväisikäinen (väritetty keltaisella) on sijoitettu sen sisälle ja sitä ympäröi ulkokerros (väritetty sinisellä). Vihreä suorakulmio ja neljä ympyrää laatikon päällä ovat nestekidenäytöt ja painikkeet. Kuvassa 2(d) näkyy simuloidun Handy-inkubaattorin kokonaiskoko äidin pitäessä sitä käsillään.
Uudenlaisen inkubaattorin simuloitu pohjaosa on esitetty kuvassa 3(a), ja laatikon etiketti on esitetty kuvassa 3(b). Punainen tila edustaa paikkaa, jossa piirilevy on kiinnitetty. Sininen osa edustaa paristojen kahvaa; paristojen kahva kestää jopa kahdeksan paristoa. Lisäksi laatikossa on kaksi suurta reikää happipullon kiinnittämistä varten, reikä virtalähteen valumista varten ja ON/OFF-kytkin sekä vaihdekahva, joka kiinnittää vaihteen paikalleen ruuveilla. Kuvassa 3(b) esitetään simulaatio kaikista osista, joita tarvitaan uudenlaisen inkubaattorimme muodostamiseen. Muovisuojus muodostaa kätevän hautomomme luurangon (sen kokonaispituus on noin 62 cm). Muovikilpi hajotettiin neljään osaan, jotka on yhdistetty ruuveilla ja muttereilla. Kuvassa 3(c) on lämpöyksikön simulointi, punainen objekti on pakkaus, joka edustaa geelipusseja, ja sininen objekti on esilääkettä ympäröivä kangas. Geelipaketti koostuu viidestä säkistä; kukin säkki koostuu geelistä sekä lämmittimestä ja lämpömittarista tuotetun lämmön hallitsemiseksi.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Hapenluovutusosa (kuvassa 3(d)) simuloitiin lapsen kasvojen yläpuolelle putkimaisen mekaanisen venttiilin, vaihteella varustetun askelmoottorin ja happipullon avulla. Hapenlähde on väritetty ruskealla, ja happipullo simuloitiin laatikon sisällä. Huomionarvoista on, että hapensiirtoputket on upotettu muovisuojan sisälle, jotta vältetään ulkoisen mekaanisen kuormituksen aiheuttama törmäys.
5.1.2. Alustava 3D-tulostettu prototyyppi
3D-tulostus oli toinen vaihe kohti todellisten prototyyppiosien saamista. AutoCAD-tiedostot tuotiin 3D-tulostimeen muistikortin avulla osien tulostamista varten. Malli ja tulostuksen kesto on raportoitu kuvassa 4. Kylän rakentaminen kesti 20 tuntia. Laatikon etiketti kesti 17 tuntia 40 minuuttia, laatikon kansi 20 tuntia ja kaksi kilpeä 20 tuntia. Kaikkien osien tulostamiseen kului yhteensä 66 tuntia 40 minuuttia.
Kangaskerrosten ompelu, kokoonpano ja piiri on esitetty kuvissa 5(a) ja 5(b).
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Levypiirilevyprosessi on esitetty kuvassa 5(a) sekä tulostetuista ala- että yläkerroksista, UV-valonlähteestä piirilevyyn sen pesun jälkeen vedellä. Ompeluvaiheet on esitetty kuvassa 5(b). Siinä esitetään mylarin liimaaminen pahvin kanssa, liimatun silnylonin lopputulos mylarin ja pahvilaatikon kanssa, miten saatu kangas kiinnitetään Handy-inkubaattoriin ja bambukangas, jota pidetään geelipakkausten päällä, jossa lapsi makaa avoimessa Handy-inkubaattorissa. Kuvassa 5 (c) on esitetty lämmittelyjärjestelmän komponenttien testaamiseen käytetty laboratoriojärjestely.
Handy-inkubaattorin todellinen prototyyppi on esitetty kuvassa 6 (suljetussa muodossa). Kankaan sininen väri on ulkokerroksena olevan silnylonin väri. Imeväisiä ympäröivän kankaan rajoilla on tarralappuja, jotka mahdollistavat järjestelmän helpon avaamisen ja sulkemisen. Myös bambukangas on kiinnitetty vauvaa ympäröivään kankaaseen tarralapuilla, joten bambukangas voidaan helposti irrottaa, puhdistaa ja asentaa uudelleen.
Käytännöllisen ennenaikaisinkubaattorin molempien laitteisto-osien esittelyn jälkeen esitellään testaus- ja virheenkorjausprosessit: (i) sähkötestauksen tulokset paristojen osalta, joiden on tarkoitus syöttää järjestelmää, (ii) vapautuvan lämpöenergian ja lämmitysjärjestelmän osalta ja (iii) infrapunatestauksen osalta. Lisäksi esitetään Handy-ennakkohautomon eritelmien ja kustannusten arviointi ja hallinta, ja niitä verrataan nykyisiin tehohoitomenetelmiin.
Akkujen kapasiteetin sähköinen testaus saatiin lataamalla akku täyteen (kunnes akun jännite saavutti 4.2 V), tuottamalla yksinkertainen virtapiiri, joka tarvitsee tietyn virran (tunnetaan nimellä testivirta), ja mittaamalla aika, joka tarvittiin täydelliseen purkautumiseen (kunnes akun jännite saavutti 2,5 V), mikä oli kapasiteetti.
Testi toistettiin UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V:llä testivirroilla , ja saadut tulokset olivat vastaavasti 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955 ja 0,626 ja kapasiteetti ei riittänyt. Tätä varten käytimme yhden sarjan sijasta kahta sarjaa sarjaakkuja, jotka oli kytketty rinnakkain, jotta saavutettiin 23,855 kJ:n energia. Tällä energialla pystyttiin lämmittämään järjestelmä yhden kerran ja ylläpitämään lämpöä noin 16 tuntia.
Sekä Handy-inkubaattoriin upotetun lämmitysjärjestelmän että lämpöenergian testauksen tulokset esitettiin aiemmassa julkaisussamme .
Eristyksen osalta inkubaattorin kangas ja bioyhteensopivat materiaalit tarjosivat hyvän eristyksen.
Infrapunatestaus sisälsi MAX30100:n, ja tuloksia verrattiin matkapuhelimissa käytettävien oksimetria-antureiden, SpO2:n seurantaan erikoistuneen lääkintälaitteen ja oksimetria-antureita käyttävien HR-antureiden tuloksiin. MAX30100:n tulokset olivat luotettavia ja lähempänä lääketieteellisiä laitteita kuin matkapuhelimen anturia.
5.3. Handy-inkubaattorin arviointi verrattuna ennenaikaisten vastasyntyneiden tehohoitomenetelmiin
Handy-inkubaattorimme arviointiin kuului sen vertaaminen vertaisryhmien tehohoitomenetelmiin. Kuvissa 7 ja 8 on esitetty kolme pylväsdiagrammia useista ratkaisevista tekijöistä ja niihin asetetut keskihajonnat. Nämä määrittelyt ovat hinta, ympäristö, mittaukset, äitisidos, prototyyppi, liikkuvuus ja muut tekijät. Kullekin määrittelylle annettiin väri kussakin pylväsdiagrammissa, vaaleanvihreästä tummanvihreään väriin. kaupalliseen inkubaattoriin, kuljetusinkubaattoriin, säteilyinkubaattoriin, kenguruäidinhoitoon (KMC) ja syliäidinlämmittimeen. (a) Seurattujen ominaisuuksien tai kirjattujen mittausten, äidin ja esikoisen välisen siteen ja järjestelmän liikkuvuuden vaihtelu verrattuna tehohoitomenetelmiin. (b) Terapeuttisen tuen, ympäristötyypin ja suunnittelumallin vaihtelu verrattuna tehohoitomenetelmiin.
Handy-inkubaattoria verrattiin kaupalliseen inkubaattoriin, kuljetusinkubaattoriin, säteilylämmittimeen, KMC:hen ja sylinterilämmittimeen, ja tulokset on esitetty kuvassa 7. Esimerkiksi seurattujen ominaisuuksien tai kirjattujen mittausten tyypin vaihtelu on esitetty pylväsdiagrammina kuvassa 7(a) suhteessa tehohoitomenetelmiin. Myös äidin ja ennenaikaisen lapsen välisen siteen vaihtelu ja liikkuvuutta koskevien eritelmien tai järjestelmän liikkuvuuden vaihtelu suhteessa tehohoitomenetelmiin ilmoitetaan. Hoitotuen, järjestelmän ympäristötyypin ja suunnittelumallin vaihtelua arvioitiin ja sitä verrattiin tehohoitomenetelmiin kuvassa 7(b).
Kuvassa 7(a) arvioidut seurattavat ominaisuudet ovat elintärkeitä ominaisuuksia, joita kukin menetelmä voi mitata. Maksimiarvo 100 % liittyi louhittujen piirteiden enimmäismäärään, ja nolla-arvo 0 % liittyi siihen, ettei järjestelmä mitannut yhtään piirrettä. Suurin määrä (100 %) poimittuja ominaisuuksia, mukaan lukien SpO2, kosteus, sydämen syke ja lämpötila, seurattiin sekä kaupallisilla että kuljetusinkubaattoreilla. Lisäksi 75 % uutetuista piirteistä, mukaan lukien SpO2, HR ja lämpötila, uutettiin Handy-inkubaattorilla ja muuten nolla.
Kuviossa 7(a) arvioitu äidin ja ennenaikaisen vauvan välinen side on ennenaikaisen vauvan yhteys äitiin. Maksimiarvo 100 % (pienellä keskihajonnalla) liittyi suurimpaan äidin ja ennenaikaisen vauvan väliseen kontaktiin, jonka järjestelmä varmisti. Nolla-arvo 0 % liittyi siihen, että lapsen ja äidin välillä ei ole minkäänlaista kontaktia, eli kun lapsi on sijoitettu täysin suljettuun inkubaattoriin vastasyntyneiden teho-osastolla. Äidin ja ennenaikaisen imeväisen välinen yhteys on täysin (100 %) olemassa KMC:ssä, sylinterilämmittimessä ja Handy-inkubaattorissamme. Se puuttuu kokonaan kaupallisista ja kuljetusinkubaattoreista.
Järjestelmän liikkuvuus, jota arvioidaan myös kuvassa 7(a), on kyky mobilisoida tehohoitojärjestelmä. Maksimiarvo 100 % liittyi suurimpaan mahdolliseen liikkuvuuteen, ja nolla-arvo 0 % liittyi kiinteään menetelmään. Järjestelmän liikkuvuuden maksimisuorituskyky liittyi KMC:hen, sylilämmittimeen ja Handy-inkubaattoriin.
Kuviossa 7(b) arvioitu terapeuttinen tuki on ennenaikaisen lapsen kontakti äitiin. Maksimiarvo 100 % liittyi järjestelmän takaamaan maksimaaliseen terapeuttiseen tukeen ja hoitoon. Nolla-arvo 0 % liittyi pienimpään terapeuttiseen tukeen. Terapeuttisen tuen maksimaalinen suorituskyky (100 %) liittyi kaupallisiin ja Handy-inkubaattoreihin.
Ympäristö, jota arvioitiin kuvassa 7(b), on menetelmän ja ympäristön rajapinnan luonne. Suljettu ympäristö on ennenaikaisen lapsen täydellinen eristäminen, kun taas avoin ympäristö on eristys, joka sallii ennenaikaisen lapsen imemisen ympäröivästä ulkoilmasta. Huomattavaa on, että eristys, joka sallii sisäänhengityksen, saavutti parhaan tuloksen (100 %). Ympäristötyypin suorituskyky oli suurin säteilylämmittimessä, KMC:ssä, sylinterilämmittimessä ja Handy-inkubaattorissa.
Suunnittelumalli, jota arvioitiin myös kuvassa 7(b), on tehohoitojärjestelmän mobilisointikyky. Suunnittelumallin maksimaalinen suorituskyky (100 %) liittyi KMC:hen, ja sen jälkeen 75 % liittyi Handy-inkubaattoriin.
Handy-inkubaattorin kustannukset (1000 $) esitettiin ja niitä verrattiin kaupallisen inkubaattorin, kuljetusinkubaattorin, säteilevän lämmittimen ja sylinterilämmittimen kustannuksiin, ja tulokset on esitetty kuvassa 8. Keskihajonnan vaihteluväli johtuu siitä, että kaupallisissa hautomoissa on erilaisia malleja, joilla on erilaiset ominaisuudet. Kustannukset ovat näiden olemassa olevien hautomoiden keskimääräiset kustannukset. Kuten kuvasta 8 käy ilmi, korkeimmat hautomon kustannukset liittyvät kaupalliseen hautomoon. Ilmoitettu bruttohinta riippuu yrityksestä ja lisävarusteista. KMC on maksuton, ja sekä Handy-inkubaattorin että sylinterilämmittimen kustannukset ovat noin 300 dollaria, kun taas kaupallisen inkubaattorin kustannukset ovat keskimäärin 32 000 dollaria (se vaihtelee 1 000 dollarin ja 55 000 dollarin välillä).
6. Pohdinta
Olemassa oleviin tehohoitomenetelmiin, olipa kyse sitten avohoidosta tai suljetusta hoitomuodosta, liittyy erilaisia etuja. Vaikka kaupalliset imeväisten inkubaattorit ja kiinteät, siirrettävät ja kuljetettavat inkubaattorit säilyttävät imeväiselle sopivan lämpötilan ja seuraavat perusparametreja, ne eroavat toisistaan painon, koon, kustannusten ja yhteensopivien lisävarusteiden osalta . Säteilylämmittimen suurimpana etuna on se, että se tarjoaa ennenaikaisille vauvoille avoimen hoitopaikan, joka tukee toimenpiteitä, kuten endotrakeaalista intubaatiota . Tämä oli sopusoinnussa työssämme havaitun säteilylämmittimen 100-prosenttisen ympäristötyyppisen suorituskyvyn kanssa. Kokonaissuorituskyky oli kuitenkin 37,5 ± 0,9 %, kuten taulukossa 1 esitetään.
|
||||||||||||||||||||
KMC on avohoitotekniikka, ja tuoreessa katsauksessa raportoitiin 40 %:n vähennyksestä kotiutumisen jälkeisen kuolleisuuden riskissä . Muita hyötyjä olivat lisääntynyt imetys, äidin ja lapsen välinen yhteys ja kehitystulokset . Tämä näkyi KMC:n 100 %:n suorituskyvyssä, kun tutkittiin äidin ja lapsen välisen siteen olemassaoloa tai puuttumista. Edellä mainitut havainnot ja WHO:n hyväksyntä KMC:lle tukevat tuloksissamme havaittua KMC:n hyvää kokonaistulosta (75 ± 1,4 %). Jäljelle jäävien 25 %:n puuttuminen voi johtua siitä, että alhaisempi paino on rajoitettu 800 grammaan, kuten Lawn ym. ovat ehdottaneet.
Inkubaattoreita käytetään melko laajalti, ja useimmissa yksiköissä on kaksi toimintatapaa: ilman lämpötilan manuaalinen säätö ja ihon lämpötilan automaattinen säätö . Useimmat yksiköt antavat käyttäjälle mahdollisuuden mitata suhteellista kosteutta ja antaa imeväiselle tarvittaessa happea . Nämä seikat olivat sopusoinnussa havaintojemme kanssa, joissa kaupalliseen inkubaattoriin liittyi 100-prosenttinen suorituskyky ominaisuuksien louhinnassa ja terapeuttisessa tuessa, lähes mitättömän pienellä standardipoikkeamalla.
Käytännöllisen inkubaattorin prototyyppitiedoista Fallon liittyi kardiopulmonaalisen koneen käyttämiseen tietojen tarkkailuun ja näyttämiseen nestekidenäytöllä . Jos imeväisen sydämen sykkeestä tulee liian hidas tai liian nopea, se antaa hälytyksen . Analogisesti Fallonin työn kanssa ohjelmoimme Handy-inkubaattorimme antamaan hälytyksen, kun uutetut ominaisuudet laskevat.
Viime aikoina Baby Centerin tutkijat julkaisivat verenpainemittarin liittämällä miniatyrisoidun verenpainemansetin imeväisen jalan tai käsivarren ympärille verenpaineen seuraamiseksi . Analogisesti heidän työnsä kanssa käytimme oksimetriaa ja liitimme miniatyrisoidun verenpainemansetin imeväisen jalkaan.
Meidän Handy-inkubaattorimme on helposti äidin kannettavana ja kohtuuhintainen keskituloisissa ja pienituloisissa maissa. Toisin kuin James et al. toimittamassa mOm-järjestelmässä, josta puuttuu äidin ja lapsen välinen side ja imetys , meidän järjestelmässämme imeväisikäinen voi hyötyä KMC:n tarjoamasta imetyksen fysiologisesta edusta toiselta puolelta ja varmistaa lämpimän ja antibakteerisen ympäristön toiselta puolelta.
Meidän Handy-järjestelmämme tarjoaa myös ennenaikaisen sydämen sykkeen (HR), lämpötilan ja SpO2-tason biolääketieteellisen ominaisuuden louhinnan ja näyttää ne nestekidenäytössä, ja tämä näkyi kuvassa 7 b esitetyssä suorituskyvyssä, joka oli 75 ± 1,5 %. Noin jäljelle jäävän 25 %:n puuttuminen johtuu kosteuden mittaamisen puutteesta.
Erikoislapsille annettavan hapen liiallinen tai liian vähäinen käyttö voi vahingoittaa heitä, minkä vuoksi SpO2-arvoa seurattiin Handy-inkubaattorissamme, ja se pidettiin 90 ja 93 %:n välillä sairauksien välttämiseksi. Pulssioksimetria on edullinen hapenoton seurantamenetelmä, koska se on jatkuva ja ei-invasiivinen .
Hätätilanteessa ohjelmoimme järjestelmän tarjoamaan väliaikaista hapensaantia. Varmistimme myös, että Handy-inkubaattori on kustannustehokas verrattuna muihin tehohoitomenetelmiin .
Inkubaattorimme testaaminen oli välttämätöntä, jotta voitiin valvoa inkubaattorin sähkö-, lämpö- ja graafisen suunnittelun laatua.
Handy-inkubaattori tarjoaa hyvää terapeuttista hoitoa, kuten hapen saantia ja lämpöä. Tämä tasoittaa lääkärin tietä seurata ennenaikaisen lapsen tilaa diagnosoimalla nestekidenäytössä näkyvät kolme elintoimintoa ja tallentamalla ne muistiin.
Kivan muodon lisäksi järjestelmä ei aiheuta melua päälle kytkeytyessä tai liikuttaessa, koska siinä ei ole tuulettimia ja koska valmistuksessa käytetyt materiaalit on valittu.
KMC:n kokonaissuorituskyky (75 ± 1,4 %) oli tutkittujen spesifikaatioidemme mukaan sylilämmittäjää (66,7 ± 1,5 %) parempi. Handy-inkubaattorimme ylitti kuitenkin kaikki tehohoitomenetelmät, ja sen kokonaistulos oli 91,7 ± 1,6 % (taulukko 1). Handy-inkubaattori on käyttäjäystävällinen tekniikka. Vaikka inkubaattorimme 3D-tulostaminen vei aikaa, sen kustannukset olivat kohtuulliset verrattuna kalliisiin kaupallisiin inkubaattoreihin. Näin ollen Handy-inkubaattorit ovat lupaavia erityisesti keskituloisissa ja matalan tulotason maissa.
7. Johtopäätökset ja tulevaisuudennäkymät
Alkuperäinen tutkimuksemme koostuu sekä laitteisto- että ohjelmisto-osuuksista. Ohjelmistototeutus sisälsi prosessorialustan ohjelmoinnin Arduinon avulla. Laitteistototeutus käsitti Handy-hautomon ja sen piirin 3D-tulostamisen ja niiden liittämisen Arduinoon. Handy-inkubaattorimme on suunniteltu siten, että se on kannettava, ei raskas ja kustannustehokas.
Uudenlaisen 3D-tulostetun Handy-inkubaattorin prototyypin edistymisen myötä voitaisiin pelastaa monia ihmishenkiä. Koska ei ole olemassa kustannustehokkaita tehohoitomenetelmiä kaikkien elintoimintojen seurantaan ja tietojen tallentamiseen ja koska ei ole olemassa järjestelmää, jota voi pitää käsissä, otimme haasteen vastaan ja suunnittelimme kätevän ja kustannustehokkaan imeväisten inkubaattorimme. Suunnitelmamme valvoo elintoimintoja (lämpötila, sydämen syke ja SpO2) ja näyttää ne. Handy-inkubaattori varmistaa imetyksen ja on kustannustehokas. Arvioitu suorituskykyprosentti osoittaa, että se ylittää nykyiset tehohoitomenetelmät.
Järjestelmämme ratkaisi monet haasteet, mutta silti siinä on vielä parantamisen varaa.
Tulevaisuuden vaiheisiin voivat kuulua seuraavat vaiheet: (i)Keräämme lisää tietoa järjestelmäämme osoittamastamme infrapuna-anturista MAX30100, jotta voimme parantaa oksimetrialukemia.(ii)Kahden LED:n ja mikroprosessorilla varustetun valoreseptorin käsittävän anturin valmistajan toimittaman koodin renderöinti ja päivittäminen, jotta saadaan aikaan erityinen pulssin leveys ja valon voimakkuus lääketieteellisten kriteerien täyttämiseksi.(iii)Peltier-kennon (puolijohdepohjainen elektroninen komponentti, joka toimii pienenä lämpöpumppuna ”Peltier-efektin” mukaisesti) käyttäminen lämmittimen sijasta.(iv) Elektronisen piirilevyn muokkaaminen lisäämällä latauksen ohjaus (maksimitehopisteen seuranta) maksimitehopisteen etsimiseen ja etsimällä kuorman resistanssin resonanssi syötön resistanssin kanssa, jolla on suurin lataustehokkuus (v) Lopuksi ohjelmiston parantaminen ja web-palvelimen tarjoaminen etälääketieteen saavuttamista ja tutkimustarkoituksia varten.
Tietojen saatavuus
Koska olemme toimittaneet uuden keksinnön ja alkuperäisen tutkimuksen, jota on sovellettu tähän uuteen keksintöön, ja laitteemme on myös pitkäaikaisen laajennuksen alla parantamista varten, myös perustamme yhteistyötä biolääketieteellisen tekniikan yrityksen kanssa laitteemme kehittämiseksi, joten jätimme tiedot luottamuksellisiksi, kunnes rekisteröimme tämän keksinnön nimissämme.
Kiinnostusristiriidat
Kaikki kirjoittajat ilmoittavat, että heillä ei ole eturistiriitoja.
Kiitokset
Tekijät haluaisivat kiittää tohtori Mohammad Arnaoutia, tohtori Lara Hamawya ja neiti Alaa Zaylaa heidän tukevista tiedoistaan. Tätä hanketta rahoittivat Libanonin yliopisto ja University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, USA.