Abstract
Les enfants prématurés rencontrent un accouchement brutal avant leur maturité complète au cours du troisième trimestre de la grossesse. Les sondages prévoient une augmentation des taux de prématurés pour 2025, notamment dans les pays à revenu moyen et faible. Malgré l’abondance de méthodes de soins intensifs pour les prématurés, telles que, mais sans s’y limiter, les méthodes commerciales, de transport, de réchauffement de l’étreinte, de réchauffement radiant et de soins maternels kangourous, elles sont soit coûteuses, soit dépourvues des exigences ou spécifications les plus essentielles, soit dépourvues du lien entre la mère et le prématuré. C’est ce qui nous a poussés à mener cette recherche originale et à avoir l’idée innovante de développer un nouveau prototype imprimé en 3D d’une couveuse Handy pour prématurés. Notre objectif est de fournir les soins intensifs les plus indispensables au moindre coût, de doter les pays à faible revenu de l’incubateur Handy, de préserver le lien entre la mère et le prématuré et de diminuer le taux de mortalité. Les caractéristiques biomédicales, l’électronique et les matériaux biocompatibles ont été utilisés. La conception a été simulée, le prototype a été imprimé en 3D, et les résultats ont été testés et évalués. Les résultats de la simulation ont montré que les composants de l’incubateur Handy étaient les mieux adaptés. Les résultats expérimentaux ont montré le prototype imprimé en 3D et le temps écoulé pour l’obtenir. Les résultats de l’évaluation ont révélé que les performances globales des soins de la mère kangourou et du réchauffeur d’étreinte étaient respectivement de 75 ± 1,4 % et de 66,7 ± 1,5 %, tandis que les performances globales de notre couveuse Handy étaient de 91,7 ± 1,6 %, notre couveuse Handy rentable surpassant ainsi les méthodes de soins intensifs existantes. L’étape future est d’associer l’incubateur Handy avec plus de spécifications et d’avancées.
1. Introduction
L’accouchement prématuré est la survenue brutale d’une naissance à moins de la 37e semaine de grossesse. Au cours du troisième trimestre, c’est-à-dire de la 27e à la 40e semaine de grossesse, lorsque se produit la principale étape du développement du fœtus, le nourrisson subit une transfusion spectaculaire de son système respiratoire qui lui permet de respirer pour la première fois. Après le troisième trimestre, le fœtus est généralement prêt à naître . Selon l’épidémiologie de l’Organisation mondiale de la santé (OMS), sur 10 nouveau-nés, 1 enfant est considéré comme un prématuré. Quinze millions de prématurés sont nés en 2010. Sur ces 15 millions, 1 million de nourrissons sont décédés à cause de la prématurité. Les accouchements prématurés ont alors été classés comme la première cause de mortalité des enfants prématurés, au cours du premier mois de naissance et après la naissance. Elle est également classée au niveau mondial comme la deuxième cause de décès des enfants qui n’ont pas terminé leurs 5 ans .
Plus tard, une étude a révélé que les taux de naissances prématurées ont diminué de 2007 à 2014 en raison de la diminution du nombre de naissances chez les adolescents et les jeunes mères . Ils ont également signalé une légère augmentation du taux national de naissances prématurées entre 2014 et 2015 . Dans presque tous les pays disposant de données fiables, les taux de naissances prématurées sont en constante augmentation. L’analyse systématique de Blencowe et al. a montré une augmentation continue du taux de prématurés survivants dans la plupart des pays. Le taux annuel moyen de changement entre 2005 et 2010 a été maintenu à , mais reste équivalent à un décès prématuré.
Dans les pays à revenu élevé, presque tous ces prématurés signalés survivent. Dans les milieux à faible revenu, la moitié des bébés nés à 32 semaines ou moins meurent en raison d’un manque de soins réalisables et rentables, tels que le manque de chaleur, de soutien à l’allaitement et de contrôle des infections, ainsi que l’existence de difficultés respiratoires.
Quelles que soient les raisons de la prématurité, de nombreuses études se sont concentrées sur la surveillance des conditions maternelles et fœtales pour réduire et prédire les symptômes, évitant ainsi les accouchements prématurés , tandis que d’autres se concentrent sur le traitement du résultat, c’est-à-dire la prématurité, réduisant directement la mortalité .
Pour traiter le résultat, des méthodes de soins intensifs ont existé, telles que des méthodes et des dispositifs thérapeutiques disponibles sur le marché et des dispositifs en cours de recherche. Ils varient en fonction de leur conception, de leurs spécifications et de leurs performances. Ils comprennent, entre autres, les incubateurs commerciaux, les incubateurs transportables, les réchauffeurs d’étreinte, les réchauffeurs radiants et les méthodes de soins maternels Kangourou (KMC). Cependant, de nombreux inconvénients ont été associés aux techniques de soins intensifs existantes.
Malgré la présence de méthodes de soins intensifs, une étude a prévu que le taux de prématurés survivants pour 2025 serait de . Comme le taux mondial prévu de mortalité des prématurés pour 2025 est de 91%, cela nous a poussé à nous attaquer à ce problème et à développer un nouveau prototype d’incubateur pour prématurés afin de promouvoir les soins intensifs à faible coût. Le but de notre étude est de développer et d’imprimer en 3D un nouvel incubateur pratique, portable et rentable basé sur un écran à cristaux liquides (LCD) pour fournir des soins intensifs, en particulier dans les pays à revenus moyens et faibles. L’objectif est de rendre l’incubateur Handy réalisable et convivial et de répondre aux exigences sanitaires des prématurés. Le projet se concentre sur les enfants prématurés nés brusquement au cours du troisième trimestre de la grossesse. Les principaux signes vitaux, notamment la température, les fréquences cardiaques (FC) et le niveau d’oxygène, ont été surveillés, et des matériaux biocompatibles avancés ont été soigneusement choisis pour traiter le prématuré.
Le reste de cet article est organisé comme suit. Dans la section 2, nous présentons les méthodes de soins intensifs existantes. Dans la section 3, nous présentons les matériaux de l’incubateur pour prématurés Handy. Dans la section 4, nous présentons le prototype de l’incubateur pour prématurés Handy. Dans la section 5, nous présentons les résultats. Dans la section 6, nous discutons des résultats, et dans la section 7, nous fournissons une conclusion générale et des travaux futurs.
2. Méthodes existantes de soins intensifs pour les prématurés
Après avoir effectué des recherches dans PubMed, ScienceDirect et Google scholar, nous avons résumé les résultats de l’analyse documentaire et nous les avons divisés en deux catégories : les soins ouverts et les soins fermés.
2.1. Méthodes de soins fermés
Ces méthodes comprennent les incubateurs pour nourrissons disponibles dans l’unité de soins intensifs pour nouveau-nés (NICU), un système de soins intensifs qui fournit au nourrisson de la chaleur, de manière stable et régulière, par une circulation d’air chauffé sur la peau. Après plusieurs améliorations, la couveuse pour nourrissons comprend un contrôle de l’humidité, une alimentation en oxygène et d’autres accessoires. La couveuse pour nourrissons peut être fixe, mobile ou transportable. Cependant, les incubateurs ne permettent pas de créer un lien entre la mère et le prématuré et sont coûteux, surtout dans les pays à revenu moyen ou faible. Cela a déclenché d’autres études pour développer des systèmes portables, moins chers et réalisables utilisés à la maison .
L’incubateur fixe pour nourrissons couramment utilisé dans l’USIN, en raison de la présence d’une variété d’accessoires, est capable de traiter tous les cas. La couveuse fixe est considérée comme un choix parfait puisqu’elle est connectée à des alimentations murales et fournit un environnement approprié pour le nourrisson. Néanmoins, les incubateurs fixes sont extrêmement coûteux et ont le même concept de production de chaleur en poussant de l’air chauffé par des ventilateurs. Cette technique produit du bruit, qui affecte négativement le nourrisson. Bien qu’un tel incubateur enregistre les HR, il utilise des électrodes qui doivent être connectées en permanence au prématuré, ce qui affecte la peau fragile du nourrisson. De plus, l’absence d’allaitement et le manque de mobilité rendent extrêmement difficile le passage du nourrisson d’un service à l’autre, une raison qui a conduit à l’invention des incubateurs mobiles .
Un incubateur mobile est un incubateur fixe modifié qui a la même fonction que l’incubateur fixe. Les incubateurs mobiles ont des roues supplémentaires, pourraient être transportés à l’intérieur de l’hôpital, simplement, et nécessitent des outils supplémentaires pour alimenter le système en électricité et en oxygène . Ces incubateurs présentent les mêmes inconvénients que les incubateurs fixes. Bien que les incubateurs mobiles soient d’excellentes solutions lorsque le nourrisson doit être transporté à l’intérieur de l’hôpital, ils ne sont pas pratiques lorsque le nourrisson doit être transporté à l’extérieur de l’hôpital. Dans ce but, les incubateurs de transport ont fait leur apparition .
Les incubateurs de transport sont des incubateurs portables de petite taille qui peuvent transporter le nourrisson en utilisant la voiture ou l’avion. Malgré le fait que les incubateurs de transport soient la seule option pour le transport extérieur des prématurés, les incubateurs de transport présentent plusieurs inconvénients, tels que le coût extrêmement élevé et la lourdeur, la défaillance du thermostat et les risques de chocs électriques .
2.2. Méthodes de soins ouverts
KMC est une solution pour les défauts des incubateurs de prématurés, qui cède à des taux élevés de maladie et de mortalité des prématurés dans les hôpitaux. Elle procure chaleur et allaitement par contact cutané entre le nourrisson et la mère. Ce lien/contact assure la stabilité de la température du prématuré. Bien que la KMC soit capable de réduire la morbidité des nourrissons par rapport aux incubateurs conventionnels, elle est toujours limitée par différents facteurs. La KMC n’est pas capable de surveiller la température, la fréquence cardiaque, le niveau d’oxygène et l’humidité du nourrisson, ce qui l’expose à un risque d’instabilité et de nocivité. La KMC nécessite des ressources humaines compétentes comme les infirmières, ce qui ajoute de la complexité aux soins intensifs.
Une autre méthode de soins intensifs ouverte est le réchauffeur radiant qui fonctionne selon les lois de la chaleur radiante. Ce dispositif fournit aux prématurés l’énergie radiante nécessaire comme procédé alternatif au chauffage conventionnel par convection . Le réchauffeur radiant comprend un lit, une unité de chauffage suspendue et un capteur de température. Les réchauffeurs radiants souffrent d’une augmentation dramatique de la perte de chaleur due à l’évaporation .
Les réchauffeurs d’étreinte composés de trois parties, c’est-à-dire un bébé estimé sac de couchage ou interface de nourrisson, un compartiment de matériau à changement de phase, et un réchauffeur , sont de grandes solutions pour réguler la température corporelle du nourrisson prématuré. Cependant, les chauffe-bébés ne permettent pas de surveiller les paramètres essentiels du nourrisson et ne disposent pas d’alarmes d’urgence. En outre, ils nécessitent un changement de phase continu, ce qui entraîne une fluctuation de la température du nourrisson et omet tout soutien thérapeutique.
Tous les problèmes susmentionnés nous ont amenés à développer le nouvel incubateur Handy pour prématurés.
3. Matériaux de l’incubateur Handy pour prématurés
Le nouvel incubateur Handy a nécessité plusieurs matériaux et outils en raison des diverses contributions qui y sont intégrées.
Au troisième trimestre, le fœtus est presque formé et prêt à naître . Ainsi, la taille moyenne, le poids, la hauteur, le périmètre crânien et le périmètre abdominal d’un enfant prématuré ont été soigneusement choisis. Notamment, au cours des trois derniers mois de la grossesse, le cerveau du nourrisson continue de se développer, de sorte que le périmètre crânien passe d’environ 28 cm (11 pouces) à 38 cm (15 pouces). Simultanément, la longueur totale du corps du fœtus passe approximativement de 38 cm à 48 cm. Le poids moyen du fœtus passe de 3 lb (1,4 kg) à 7,5 lb (3,4 kg) .
3.1. Composants électriques et électroniques
L’incubateur Handy a nécessité le microcontrôleur ATmega328 pour lancer et stocker les données.
Arduino Micro a été utilisé pour assister le microcontrôleur, car ce dernier nécessitait un nombre écrasant de circuits de configuration et de langage d’assemblage. Arduino Micro assiste le microcontrôleur avec des régulateurs, avec un cadre de bibliothèques libres et autres. Le cadre fournit une programmation plus facile et évite de perdre du temps sur le langage de programmation de bas niveau et l’enregistrement des adresses .
L’Atmega328 utilisé a été soudé avec un bouton poussoir pour réinitialiser, quelques LED pour montrer la transition et la réception des données, et des broches étiquetées avec la broche correspondante. Sa partie arrière permet la communication avec USB et le régulateur Integrated Chip (IC) pour fournir une tension stable à l’ATmega328.
De plus, l’oxymètre MAX30100 a été utilisé. C’est un capteur optique qui porte l’oxymètre de pouls intégré de Maxim et le capteur HR. Un régulateur, un thermomètre et un circuit intégré de communication intégrée (I2C) microBUS ont été entravés à l’arrière pour fournir une alimentation de 3,3 V, mesurer la température et fournir une communication série.
Des batteries rechargeables UltraFire (18 650 Li-ion 3,7 V avec une capacité de 9800 mAh) ont été utilisées . En se référant à (1), l’énergie stockée était de 36,26 Wh. Ainsi, un ensemble de 4 batteries a été utilisé pour atteindre 9800 mAh, augmenter la tension à 15 V, et obtenir une énergie stockée de 147 Wh.
3.2. Matériaux biocompatibles et imprimante 3D
Trois principaux matériaux biocompatibles ont été utilisés dans notre incubateur Handy : le silnylon, les feuilles de mylar et le tissu de bambou. Le silnylon a été utilisé comme couche extérieure en raison de son poids ultra-léger, de sa résistance au vent et de sa capacité à isoler le système et le nourrisson de l’environnement extérieur . La feuille de mylar a été utilisée pour sa grande résistance à la traction, sa stabilité chimique et dimensionnelle, sa transparence, sa réflectivité, ses propriétés de barrière aux gaz et aux arômes et son isolation électrique. Le tissu de bambou a été utilisé en raison de ses propriétés antibactériennes, de sa douceur, de sa respirabilité et de sa grande capacité d’absorption de l’eau. L’imprimante 3D ZONESTAR a été utilisée pour créer notre incubateur Handy en raison de ses nombreux paramètres :(i)Matériaux de la structure du cadre, y compris la vitesse d’impression (40-100 mm/s), la taille maximale imprimable (220 × 220 × 220 mm) et la taille de la buse (0,4 mm).(ii)Supports des matériaux d’impression : acide poly-lactique (PLA) et autres, avec un diamètre comprenant la précision de positionnement en X et Y (0,01 mm) et en Z (0,00025 mm).(iii)Puissance du lit chaud : 12 V, 140 W.(iv)Logiciel d’impression : Cura, Repetier-Host Kisslicer, etc. ; système d’exploitation compatible avec Windows, Linux et Mac.(v)Température de fusion : 157-170°C ; résistance à la traction : 61-66 MPa ; résistance à la flexion : 48-110 MPa.
En outre, un autre avantage de l’imprimante 3D ZONESTAR est le fait qu’elle est basée sur l’imprimante Fused Deposition Modeling (FDM), qui est commune et rentable, et fournit une géométrie personnalisée et des performances plus élevées .
3.3. Composants de transfert de chaleur
Deux composants majeurs de transfert de chaleur ont été intégrés dans notre incubateur Handy : l’enrochement de chauffage de cartouche et les packs chauds/froids. L’enrochement de la cartouche chauffante était la première source d’énergie thermique, qui convertit l’énergie électrique stockée dans les batteries en énergie thermique, qui est à son tour stockée et transférée au nourrisson. Les cartouches chauffantes sont fabriquées en acier inoxydable et alimentées en 12 V DC avec une puissance de 40 Watts. La sonde chauffante a une forme cylindrique de 6 mm de diamètre et de 20 mm de longueur. Cette petite sonde a été choisie pour s’assurer que toute l’énergie thermique est transférée au sac de gel. Le deuxième composant était le pack chaud/froid qui est une cire chimique qui conserve l’énergie thermique et la transfère au patient par conductance.
4. Prototype de l’incubateur Handy pour prématurés
Les nouvelles étapes pour obtenir le prototype de l’incubateur Handy et les étapes de test sont fournies.
4.1. Étapes de mise en œuvre du prototype
Les étapes sont divisées en deux grandes parties : les étapes du prototype réel et simulé et les étapes de test du prototype réel. Le schéma fonctionnel illustré à la figure 1 représente les étapes du prototype réel de notre incubateur. Une fois le prématuré placé dans le nouvel incubateur, trois signes et caractéristiques vitaux, à savoir la fréquence cardiaque, la température et la SpO2, sont surveillés (diagnostiqués) en permanence par le microcontrôleur. Les paramètres surveillés sont ensuite affichés sur l’écran LCD de l’incubateur Handy. En outre, la source d’alimentation du système suivait un système de gestion de batterie (BMS).
À toute baisse hors de la plage normale du niveau d’oxygène ou de la température du prématuré, un buzzer est activé pour une intervention d’urgence (thérapie), comme la libération de l’oxygène ou l’allumage des appareils de chauffage. Ce système est soutenu par un BMS qui assure la mobilité de notre nouvel incubateur. Les étapes de la simulation commencent par le dessin, via AutoCAD, de toutes les pièces nécessaires présentes dans le schéma fonctionnel de la figure 1, en fonction de la taille et du poids du prématuré mentionnés plus haut. Le schéma fonctionnel présente le plan de l’incubateur compact souhaité qui assure l’allaitement et peut être tenu à la main (Handy).
Suivant les étapes de la simulation, les étapes du prototype réel peuvent être reproduites comme suit :(i)Programmer le microcontrôleur pour communiquer avec les capteurs et les autres pièces.(ii)Intégrer le MAX30100 pour assurer la lecture de la jambe du nourrisson.(iii)Surveiller la FC et les caractéristiques biologiques de la SpO2 de manière non invasive par le MAX30100. Le MAX30100 mesure l’absorption de deux longueurs d’onde différentes de la lumière, et il mesure l’absorption du sang pulsé en mesurant les ondes rouges et infrarouges réfléchies par l’hémoglobine (HbO2) et la désoxy-hémoglobine (Hb). Les différentes intensités sont dues à leurs différents coefficients d’absorption.(iv)Mesurer la température via le MAX30100, car il contient un capteur de température intégré dans sa puce.(v)Traiter le signal par une unité de traitement du signal analogique à faible bruit.(vi)Choisir la taille du nouveau prototype pour qu’elle soit compatible avec la taille d’un enfant du troisième trimestre. La fréquence cardiaque a été calculée par le nombre de battements par minute (bpm). Le cœur pompe le sang par le biais de pulsations, ce qui entraîne une forte intensité des cellules sur la tête de chaque pulsation, puis la pulsation est détectée en détectant un nombre élevé de cellules. La forte intensité dans la tête d’un pouls entraîne une forte réflexion, qui diminue au fur et à mesure que l’intensité diminue en formant des pulsations.
Ces pulsations peuvent être captées en établissant un seuil, et lorsque la lumière infrarouge (signal réfléchi) dépasse ce seuil, le battement est compté. Ceci a été testé en laboratoire sur un homme normal.
Les chauffages ont été testés sur l’eau, et les capteurs de température ont été testés sur l’eau chauffée et refroidie. Enfin, la capacité de la batterie a été testée à l’aide d’un voltmètre.
5. Résultats
5.1. Résultats de l’incubateur Handy pour prématurés
Après avoir appliqué toutes les étapes de mise en œuvre de la section 3, nous présentons les résultats du prototype simulé et imprimé en 3D (réel) de notre incubateur Handy, en plus des résultats des tests et de l’évaluation.
5.1.1. Prototype simulé
Le prototype simulé des dimensions réelles de l’incubateur Handy est présenté à la figure 2(a) d’une vue latérale et à la figure 2(b) d’une vue de dessus (en centimètres). Le bouclier en plastique, le pack de gel et le nourrisson sont colorés en vert, rouge et jaune, respectivement. La longueur totale de l’incubateur Handy est de 61,23 cm, et la longueur de la boîte est de 8 cm (comprise dans les 61,23 cm). L’épaisseur de la protection en plastique est de 0,50 cm, et les couches de mylar et de bambou sont de 0,55 mm chacune. L’épaisseur du pack de gel est de 2 cm. Les couleurs bleu, vert, rouge et jaune de la figure 2(b) représentent respectivement la couche extérieure, le bouclier en plastique, le pack de gel et le nourrisson. La couche extérieure entoure le nourrisson ; elle contient donc un hall de 10 cm de rayon et trois petits rectangles. Le but de la salle était de donner au nourrisson l’espace nécessaire pour inhaler l’oxygène de l’environnement et assurer l’allaitement. Les trois petits tissus rectangulaires ont été utilisés pour maintenir les deux extrémités du tissu.
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La simulation fermée de l’incubateur Handy est représentée sur la figure 2(c), où le nourrisson (coloré en jaune) est placé à l’intérieur et entouré par la couche extérieure (colorée en bleu). Le rectangle vert et les quatre cercles au sommet de la boîte représentent les écrans LCD et les boutons poussoirs. La figure 2(d) montre la taille globale de l’incubateur Handy simulé alors que la mère le tient par les mains.
La partie de base simulée du nouvel incubateur est représentée sur la figure 3(a), et l’étiquette de la boîte est représentée sur la figure 3(b). L’espace rouge représente la position où le circuit imprimé est fixé. La partie bleue représente la poignée des piles ; la poignée des piles peut supporter jusqu’à huit piles. De plus, la boîte contient deux grands trous pour la fixation de la bouteille d’oxygène, un trou pour le déluge de la source d’alimentation, et un interrupteur ON/OFF ainsi qu’une poignée d’engrenage qui fixe l’engrenage à sa place à l’aide de vis. La figure 3(b) présente la simulation de toutes les pièces nécessaires pour former notre nouvel incubateur. Le bouclier en plastique constitue le squelette de notre couveuse pratique (sa longueur totale est d’environ 62 cm). Le bouclier en plastique a été décomposé en quatre parties reliées par des vis et des écrous. La figure 3(c) montre la simulation de l’unité de réchauffement, l’objet rouge est le paquet qui représente les sacs de gel, et l’objet bleu est le tissu qui entoure le prématuré. Le paquet de gel comprend 5 sacs, chaque sac est composé d’un gel, en plus d’un appareil de chauffage et d’un thermomètre pour contrôler la chaleur générée.
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(d)
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La partie de libération de l’oxygène (représentée sur la figure 3(d)) a été simulée pour être au-dessus du visage du nourrisson, au moyen d’une valve mécanique en forme de tube, d’un moteur pas à pas avec un engrenage et d’une bouteille d’oxygène. La source d’oxygène est colorée en brun, et la bouteille d’oxygène a été simulée à l’intérieur de la boîte. Notamment, les tubes de transmission d’oxygène sont encastrés à l’intérieur du bouclier en plastique pour éviter tout crash dû à la charge mécanique externe.
5.1.2. Prototype préliminaire imprimé en 3D
L’impression 3D a été la deuxième étape pour obtenir les pièces réelles du prototype. Les fichiers AutoCAD ont été importés dans l’imprimante 3D au moyen d’une carte mémoire pour imprimer les pièces. Le modèle et la durée d’impression sont reportés dans la figure 4. Le hameau a pris 20 heures. L’étiquette de la boîte a pris 17 heures 40 minutes, le couvercle de la boîte 20 heures, et les deux boucliers 20 heures. La durée totale pour faire imprimer toutes les pièces a été de 66 heures 40 minutes.
La couture des couches de tissu, l’assemblage et les circuits sont illustrés dans les figures 5(a) et 5(b).
(a)
(b)
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(b)
(c)
Le processus de PCB est représenté dans la Figure 5(a), à partir des couches inférieures et supérieures qui ont été imprimées, de la source de lumière UV, jusqu’à la carte PCB après l’avoir lavée à l’eau. Les étapes de la couture sont représentées dans la figure 5(b). Elle représente le collage du mylar avec le carton, le résultat du collage du silnylon avec le mylar et la boîte en carton, la façon dont le tissu obtenu est fixé à la couveuse Handy, et le tissu de bambou qui est maintenu sur le dessus des packs de gel où le nourrisson est allongé dans la couveuse Handy ouverte. La figure 5(c) représente la configuration de laboratoire utilisée pour tester les composants du système de réchauffement.
Le prototype réel global de l’incubateur Handy est illustré à la figure 6 (forme fermée). La couleur bleue du tissu est la couleur du silnylon qui constitue la couche extérieure. Aux limites du tissu entourant le nourrisson, il y a des étiquettes autocollantes qui permettent d’ouvrir et de fermer facilement le système. De même, le tissu de bambou est fixé au tissu entourant le nourrisson à l’aide d’étiquettes autocollantes ; ainsi, le tissu de bambou peut être facilement retiré, nettoyé et réinstallé.
5.2. Résultats des tests de l’incubateur pour prématurés Handy
Après avoir présenté les deux parties matérielles de l’incubateur pour prématurés Handy, nous présentons les processus de test et de débogage : (i) les résultats des tests électriques pour les batteries destinées à alimenter le système, (ii) l’énergie thermique dégagée et le système de réchauffement, et (iii) les tests infrarouges. En outre, l’évaluation et la gestion des spécifications et du coût de l’incubateur pour prématurés Handy sont fournies et comparées aux méthodes de soins intensifs existantes.
Les tests électriques de la capacité des batteries ont été obtenus en chargeant complètement la batterie (jusqu’à ce que la tension de la batterie atteigne 4.2 V), en produisant un circuit simple qui a besoin d’un courant spécifique (connu sous le nom de courant de test), et en mesurant le temps nécessaire pour décharger complètement (jusqu’à ce que la tension de la batterie atteigne 2,5 V), ce qui était la capacité.
Le test a été répété sur UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V avec les courants de test , et les résultats obtenus étaient 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955 et 0,626, respectivement, et la capacité n’était pas suffisante. Pour cela, nous avons utilisé deux jeux de batteries en série connectées en parallèle au lieu d’un seul jeu, pour obtenir une énergie de 23,855 kJ. Cette énergie était capable de chauffer le système une fois et peut maintenir la chaleur pendant environ 16 heures.
Les résultats à la fois du système de réchauffement intégré dans l’incubateur Handy et des tests d’énergie thermique ont été fournis dans notre publication précédente .
Pour ce qui est de l’isolation, le tissu de l’incubateur et les matériaux biocompatibles ont fourni une bonne isolation.
Les tests infrarouges comprenaient MAX30100, et les résultats ont été comparés à ceux des capteurs d’oxymétrie utilisés dans les téléphones portables, un spécialiste des équipements médicaux pour surveiller la SpO2, et les RH utilisant des capteurs d’oxymétrie. Les résultats du MAX30100 étaient fiables et plus proches de l’équipement médical que du capteur mobile.
5.3. Évaluation de l’incubateur Handy pour prématurés par rapport aux méthodes de soins intensifs pour prématurés
L’évaluation de notre incubateur Handy comprenait la comparaison avec les méthodes de soins intensifs des pairs. Trois graphiques à barres de plusieurs facteurs cruciaux avec les écarts types imposés aux graphiques à barres sont présentés dans les figures 7 et 8. Ces spécifications sont le prix, l’environnement, les mesures, le lien avec la mère, le prototype, la mobilité et d’autres facteurs. Chaque spécification a été associée à une couleur dans chaque graphique à barres, du vert clair au vert foncé.
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Notre incubateur Handy a été comparé à l’incubateur commercial, l’incubateur de transport, le réchauffeur radiant, le KMC et le réchauffeur d’étreinte, et les résultats sont fournis dans la figure 7. La variation du type de caractéristiques surveillées ou de mesures enregistrées, par exemple, est représentée par un graphique à barres sur la figure 7(a) par rapport aux méthodes de soins intensifs. La variation du lien entre la mère et l’enfant prématuré et la variation des spécifications de mobilité ou de la mobilité du système par rapport aux méthodes de soins intensifs sont également indiquées. La variation du soutien thérapeutique, du type d’environnement du système et du modèle de conception a été évaluée et comparée aux méthodes de soins intensifs dans la figure 7(b).
Les caractéristiques surveillées, évaluées dans la figure 7(a), sont le signe vital que chaque méthode peut mesurer. Une valeur maximale de 100% a été associée au nombre maximal de caractéristiques extraites, et une valeur nulle de 0% a été associée à l’absence de toute caractéristique mesurée par le système. Le plus grand nombre (100 %) de caractéristiques extraites, notamment la SpO2, l’humidité, la fréquence cardiaque et la température, a été mesuré à l’aide des incubateurs commerciaux et de transport. De plus, 75 % des caractéristiques extraites, notamment la SpO2, la FC et la température, l’ont été par l’incubateur Handy, et nulles dans le cas contraire.
Le lien mère-enfant prématuré, évalué dans la figure 7(a), correspond au contact de l’enfant prématuré avec sa mère. Une valeur maximale de 100% (avec un faible écart-type) a été associée au contact maximal entre la mère et le prématuré assuré par le système. Une valeur nulle de 0 % a été associée à l’absence de tout contact entre le nourrisson et sa mère, c’est-à-dire lorsque le nourrisson est placé dans une couveuse entièrement fermée à l’USIN. Le lien entre la mère et le prématuré existe pleinement (100 %) dans le KMC, le réchauffeur d’étreinte et notre incubateur Handy. Elle est totalement absente dans les incubateurs commerciaux et de transport.
La mobilité du système, évaluée également dans la figure 7(a), est la capacité de mobiliser le système de soins intensifs. Une valeur maximale de 100% était associée à la mobilité maximale réalisable, et une valeur nulle de 0% était associée à une méthode fixe. La performance maximale de la mobilité du système a été associée à la KMC, à l’embrace warmer et à l’incubateur Handy.
Le soutien thérapeutique, évalué dans la figure 7(b), est le contact du prématuré avec sa mère. Une valeur maximale de 100% a été associée au soutien thérapeutique maximal et au traitement assuré par le système. Une valeur nulle de 0% a été associée au support thérapeutique minimum. La performance maximale (100%) du soutien thérapeutique était associée aux incubateurs commerciaux et Handy.
L’environnement, évalué dans la figure 7(b), est la nature de l’interface de la méthode avec l’environnement. Un environnement fermé est l’isolement total du prématuré, tandis que l’environnement ouvert est l’isolation permettant l’aspiration du prématuré de l’air ambiant environnant. Notamment, l’isolation permettant l’inhalation a été associée à la meilleure performance (100%). La performance du type d’environnement était maximale dans le réchauffeur radiant, le KMC, le réchauffeur d’étreinte et l’incubateur Handy.
Le modèle de conception, évalué également dans la figure 7(b), est la capacité de mobiliser le système de soins intensifs. La performance maximale (100%) du modèle de conception a été associée au KMC, puis 75% à l’incubateur Handy.
Le coût (en 1000$) de l’incubateur Handy a été représenté et comparé au coût de l’incubateur commercial, de l’incubateur de transport, du réchauffeur radiant et du réchauffeur d’étreinte, et les résultats sont présentés dans la figure 8. La fourchette de l’écart-type est due à la présence de différents modèles de couveuses commerciales avec des spécifications différentes. Le coût est le coût moyen de ces incubateurs existants. Comme le montre la figure 8, le coût le plus élevé est associé à l’incubateur commercial. Notamment, le prix brut indiqué dépend de l’entreprise et des accessoires. KMC est sans coût, et le coût de l’incubateur Handy et du réchauffeur d’étreinte est d’environ 300$, tandis que le coût de l’incubateur commercial est en moyenne de 32K$ (il varie entre 1K$ et 55K$).
6. Discussion
Divers avantages sont associés aux méthodes de soins intensifs existantes, qu’il s’agisse de soins ouverts ou de soins fermés. Bien que les incubateurs commerciaux pour nourrissons et les incubateurs fixes, mobiles et transportables conservent une température appropriée pour le nourrisson et surveillent les paramètres de base, ils diffèrent par leur poids, leur taille, leur coût et les accessoires compatibles . Le principal avantage d’un réchauffeur radiant est l’accès ouvert aux soins qu’il offre aux prématurés, ce qui favorise des procédures comme l’intubation endotrachéale . Ceci est conforme à la performance de type environnement de 100 % de la chaufferette radiante observée dans notre travail. Cependant, le rendement global était de 37,5 ± 0,9 %, comme indiqué dans le tableau 1.
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La KMC est une technique de soins ouverte, et une revue récente a rapporté une réduction de 40% du risque de mortalité après la sortie de l’hôpital . Parmi les autres avantages, citons l’augmentation de l’allaitement, des liens entre la mère et le nourrisson et des résultats en matière de développement . Cela s’est traduit par une performance de 100 % de la KMC, lors de l’étude de la présence/absence du lien mère-enfant. Les résultats susmentionnés et l’approbation de l’OMS pour la CMK soutiennent la bonne performance globale de la CMK observée dans nos résultats (75 ± 1,4 %). L’absence des 25% restants pourrait être due à la limitation du poids inférieur à 800 g comme suggéré par Lawn et al. .
Les incubateurs sont assez largement utilisés, la plupart des unités consistent en deux modes de fonctionnement : le contrôle manuel de la température de l’air, et le contrôle automatique de la température de la peau . La plupart des unités permettent à l’utilisateur de mesurer l’humidité relative et de fournir de l’oxygène au nourrisson si nécessaire. Ces faits étaient en accord avec nos résultats, où l’incubateur commercial était associé à une performance de 100% dans l’extraction des caractéristiques et le soutien thérapeutique, avec un écart type presque négligeable.
En ce qui concerne les informations pratiques du prototype d’incubateur, Fallon a impliqué l’utilisation de la machine cardiopulmonaire pour surveiller et afficher les données sur un écran LCD . Si la FC du nourrisson devient trop lente ou trop rapide, elle donne une alarme . Analogiquement au travail de Fallon, nous avons programmé notre incubateur Handy pour donner une alarme lorsqu’il y a une baisse des caractéristiques extraites.
Récemment, les scientifiques du Baby Center ont publié un moniteur de pression artérielle en connectant un brassard miniaturisé autour de la jambe ou du bras du nourrisson afin de surveiller la pression artérielle . Analogiquement à leur travail, nous avons utilisé un oxymètre et connecté le brassard de pression artérielle miniaturisé à la jambe du nourrisson.
Notre couveuse Handy peut être facilement transportée par la mère et être abordable dans les pays à revenu moyen et faible. Contrairement au système mOm fourni par James et al. qui manque le lien mère-nourrisson et l’allaitement, dans notre système, le nourrisson peut bénéficier de l’avantage physiologique de l’allaitement d’un côté comme fourni par KMC et assure un environnement chaud et antibactérien de l’autre côté.
Notre système Handy fournit également l’extraction des caractéristiques biomédicales de la FC prématurée, de la température et du niveau de SpO2 et les affiche sur un LCD, et cela a été reflété par la performance de 75 ± 1,5% dans la figure 7(b). L’absence des 25 % restants environ est due à l’absence de mesure de l’humidité.
Notamment, la surutilisation ou la sous-utilisation de l’alimentation en oxygène des prématurés peut leur nuire ; ainsi, la SpO2 a été surveillée dans notre incubateur Handy et a été maintenue entre 90 et 93 % pour éviter les maladies. L’oxymétrie de pouls est une méthode avantageuse de surveillance de l’oxygénation, car elle est continue et non invasive .
En cas d’urgence, nous avons programmé le système pour fournir un approvisionnement temporaire en oxygène. Nous nous sommes également assurés d’avoir un incubateur Handy rentable par rapport aux autres méthodes de soins intensifs .
Tester notre incubateur était nécessaire pour contrôler la qualité de la conception électrique, thermique et graphique de l’incubateur.
L’incubateur Handy fournit un bon traitement thérapeutique tel que l’approvisionnement en oxygène et la chaleur. Cela ouvre la voie au médecin pour surveiller l’état de l’enfant prématuré à travers le diagnostic des trois signes vitaux affichés sur l’écran LCD et l’enregistrement dans la mémoire.
En plus de la forme agréable, le système ne produit aucun bruit lors de la mise en marche ou du déplacement, en raison de l’absence de ventilateurs et du choix des matériaux utilisés dans la fabrication.
La performance globale du KMC (75 ± 1,4%) était meilleure que le réchauffeur d’étreinte (66,7 ± 1,5%) dans nos spécifications explorées. Cependant, notre incubateur Handy a surpassé toutes les méthodes de soins intensifs, avec une performance globale de 91,7 ± 1,6 % (tableau 1). L’incubateur Handy est une technique conviviale. Bien que l’impression 3D de notre incubateur ait pris du temps, son coût est raisonnable par rapport aux incubateurs commerciaux coûteux. Par conséquent, les incubateurs Handy sont prometteurs, en particulier dans les pays à revenu intermédiaire et à faible revenu.
7. Conclusion et perspectives
Notre recherche originale est composée de contributions matérielles et logicielles. L’exécution logicielle a impliqué la programmation de la plateforme du processeur via Arduino. L’exécution matérielle a consisté à imprimer en 3D l’incubateur Handy et son circuit et à les connecter à Arduino. Notre incubateur Handy est conçu pour être portable, peu lourd et rentable.
Avec les progrès de notre nouveau prototype imprimé en 3D de l’incubateur Handy pour prématurés, de nombreuses vies pourraient être sauvées. En raison de l’absence de méthodes de soins intensifs rentables permettant de surveiller tous les signes vitaux et de sauvegarder les données et de l’absence d’un système pouvant être tenu par les mains, nous avons relevé le défi de concevoir notre incubateur pour nourrissons pratique et rentable. Notre conception permet de surveiller les signaux vitaux (température, FC et SpO2) et de les afficher. L’incubateur Handy garantit l’allaitement et est rentable. Le pourcentage de performance évalué montre qu’il surpasse les méthodes de soins intensifs existantes.
Notre système a résolu beaucoup de défis, mais il y a encore une marge pour plus d’amélioration.
Les étapes futures peuvent inclure les suivantes :(i)Collecter plus de données sur le capteur infrarouge MAX30100 que nous avons assigné dans notre système pour améliorer la lecture de l’oxymétrie.(ii)Rendre et mettre à jour le code fourni par le fabricant du capteur qui comprend deux LED et un photorécepteur avec un microprocesseur, afin de fournir une largeur d’impulsion et une intensité lumineuse spécifiques pour répondre aux critères médicaux.(iii)Utiliser une cellule Peltier (composant électronique à base de semi-conducteurs qui fonctionne comme une petite pompe à chaleur selon « l’effet Peltier ») à la place du chauffage.(iv)Modifier la carte électronique en ajoutant un contrôle de la charge (suivi du point de puissance maximale) pour rechercher le point de puissance maximale et en recherchant la résistance de la charge en résonance avec la résistance de l’alimentation qui a l’efficacité maximale de la charge.(v)Enfin, améliorer le logiciel et fournir un serveur web pour la réalisation de la télésanté et à des fins de recherche.
Data Availability
Comme nous avons fourni une nouvelle invention et une recherche originale appliquée sur cette nouvelle invention, et notre dispositif est également sous une extension prolongée pour l’amélioration, aussi nous établissons une collaboration avec une société d’ingénierie biomédicale pour développer notre dispositif, donc nous avons laissé les données confidentielles jusqu’à ce que nous enregistrons cette invention en nos noms.
Conflits d’intérêts
Tous les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier le Dr Mohammad Arnaout, le Dr Lara Hamawy et Mlle Alaa Zaylaa pour leurs informations de soutien. Ce projet a été financé par l’Université libanaise et le MD Anderson Cancer Center de l’Université du Texas, Houston, TX, USA.