Abstract
A koraszülöttek a terhesség harmadik trimeszterében a teljes érettség előtt hirtelen szüléssel találkoznak. A felmérések 2025-re a koraszülöttek arányának növekedését várják, különösen a közepes és alacsony jövedelmű országokban. A koraszülöttek intenzív ápolási módszereinek bősége ellenére, mint például, de nem kizárólagosan, a kereskedelmi, szállítási, ölelő melegítő, sugárzó melegítő és kenguru anyai ápolási módszerek, ezek vagy drágák, vagy hiányoznak a leglényegesebb követelmények vagy előírások, vagy hiányzik belőlük az anya és a koraszülött közötti kapcsolat. Ez késztetett bennünket arra, hogy ezt az eredeti kutatást és innovatív ötletet egy új, 3D nyomtatott prototípus kifejlesztésére, a Handy koraszülött inkubátorra vigyük. Célunk, hogy a legalacsonyabb költséggel a legszükségesebb intenzív ellátást nyújtsuk, hogy az alacsony jövedelmű országoknak megajándékozzuk a Handy inkubátor ellátásával, megőrizzük az anya – koraszülött kötődést, és csökkentsük a halálozási arányt. Biomedikai funkciókat, elektronikát és biokompatibilis anyagokat használtunk. A tervezést szimulálták, a prototípust 3D-ben nyomtatták, az eredményeket pedig tesztelték és értékelték. A szimulációs eredmények azt mutatták, hogy a Handy inkubátor alkatrészei a legjobban illeszkednek. A kísérleti eredmények megmutatták a 3D-nyomtatott prototípust és az annak előállításához szükséges időt. Az értékelési eredmények azt mutatták, hogy a kenguru anyai ellátás és az ölelő melegítő általános teljesítménye 75 ± 1,4% és 66,7 ± 1,5% volt, míg a Handy inkubátorunk általános teljesítménye 91,7 ± 1,6% volt, ezáltal a költséghatékony Handy inkubátorunk felülmúlta a meglévő intenzív ellátási módszereket. A jövőbeli lépés a Handy inkubátor további specifikációkkal és fejlesztésekkel való társítása.
1. Bevezetés
A koraszülés a terhesség 37. heténél rövidebb idő alatt bekövetkező hirtelen szülés. A harmadik trimeszterben, azaz a terhesség 27-40. hetében, amikor a magzati fejlődés fő szakasza következik be, a csecsemő drámai átváltozáson megy keresztül a légzőrendszerében, amely lehetővé teszi számára, hogy először lélegezzen. A harmadik trimeszter után a magzat általában a születésre rendezkedik be . Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) járványtani adatai szerint minden 10 újszülöttből 1 csecsemő koraszülöttnek számít . Tizenötmillió koraszülött csecsemő született 2010-ben. A 15 millióból 1 millió csecsemő halt meg koraszülöttség miatt. A koraszülések ezután a koraszülöttek halálozásának első számú okaként a születés első hónapjában és a születés után következtek be. Világviszonylatban is ez a második halálozási ok a gyermekeknél, akik nem töltötték be az 5 éves kort .
Később egy tanulmány kimutatta, hogy a koraszülések aránya 2007 és 2014 között csökkent a tizenévesek és a fiatal anyák születéseinek csökkenő száma miatt . Arról is beszámoltak, hogy a koraszülések országos aránya 2014 és 2015 között enyhén emelkedett . Szinte minden megbízható adatokkal rendelkező országban folyamatosan nő a koraszülések aránya. Blencowe et al. szisztematikus elemzése a túlélő koraszülöttek arányának folyamatos növekedését mutatta ki a legtöbb országban. A változás átlagos éves mértéke 2005 és 2010 között megmaradt , de még mindig a koraszülötthalálozással egyenértékű.
A magas jövedelmű országokban a bejelentett koraszülöttek szinte mindegyike túléli. Az alacsony jövedelmű országokban a 32 héten vagy annál rövidebb idő alatt született csecsemők fele meghal a megvalósítható, költséghatékony ellátás hiánya, például a meleg, a szoptatás támogatásának és a fertőzések elleni védekezésnek a hiánya, valamint a légzési nehézségek megléte miatt.
A koraszülés okaitól függetlenül számos tanulmány az anyai és magzati állapotok monitorozására összpontosított a tünetek csökkentése és előrejelzése érdekében, ezáltal a koraszülések elkerülése érdekében , míg mások az eredmény, azaz a koraszülés kezelésére összpontosítanak, közvetlenül csökkentve a halálozást .
Az eredmény kezelése érdekében intenzív ellátási módszerek léteztek, például a piacon elérhető terápiás módszerek és eszközök, valamint a kutatás alatt álló eszközök. Ezek kialakításuk, specifikációik és teljesítményük szerint különböznek egymástól. Ide tartoznak többek között a kereskedelmi inkubátorok, a hordozható inkubátor, az ölelő melegítő, a sugárzó melegítő és a kenguru anyai gondozási (KMC) módszerek . A meglévő intenzív ápolási technikákhoz azonban számos hátrány társult.
Az intenzív ápolási módszerek jelenléte ellenére egy tanulmány 2025-re a túlélő koraszülöttek arányát . Mivel a koraszülött csecsemők 2025-re várható globális halálozási aránya 91%, ez arra ösztönzött minket, hogy foglalkozzunk ezzel a problémával, és fejlesszünk ki egy új koraszülött inkubátor prototípust az intenzív ellátás alacsony költséggel történő előmozdítása érdekében. Tanulmányunk célja egy új, praktikus, hordozható és költséghatékony folyadékkristályos kijelzőn (LCD) alapuló inkubátor kifejlesztése és 3D nyomtatása az intenzív ellátás biztosítására, különösen a közepes és alacsony jövedelmű országokban. A cél az, hogy a Handy inkubátor megvalósítható és felhasználóbarát legyen, és megfeleljen a koraszülöttek egészségügyi követelményeinek. A projekt a terhesség harmadik trimeszterében hirtelen világra jött koraszülöttekre összpontosít. A főbb életjeleket, köztük a hőmérsékletet, a szívritmust (HR) és az oxigénszintet monitorozták, és a koraszülöttek kezeléséhez gondosan kiválasztották a fejlett biokompatibilis anyagokat.
A dolgozat további része a következőképpen szerveződik. A 2. szakaszban ismertetjük a meglévő intenzív ellátási módszereket. A 3. szakaszban bemutatjuk a Handy koraszülött inkubátor anyagait. A 4. szakaszban ismertetjük a Handy koraszülött inkubátor prototípusát. Az 5. szakaszban bemutatjuk az eredményeket. A 6. szakaszban megvitatjuk az eredményeket, a 7. szakaszban pedig általános következtetést és jövőbeli munkát adunk.
2. Meglévő koraszülött intenzív ellátási módszerek
A PubMed, ScienceDirect és Google scholar keresés után összefoglaltuk a szakirodalmi áttekintés eredményeit, és két kategóriába osztottuk őket: nyitott és zárt ellátás.
2.1. A szakirodalmi áttekintés eredményei: nyitott és zárt ellátás. Zárt ellátási módszerek
Ezek közé a módszerek közé tartoznak az újszülött intenzív osztályon (NICU) rendelkezésre álló csecsemőinkubátorok, egy olyan intenzív ellátó rendszer, amely a csecsemőt a bőr fölötti fűtött levegő keringetésével, egyenletes, stabil módon meleggel látja el. Számos fejlesztés után a csecsemőinkubátor tartalmazott páratartalom-szabályozást, oxigénellátást és egyéb tartozékokat. A csecsemőinkubátor lehet fix, mobil vagy szállítható . Az inkubátorokból azonban hiányzik az anyai-előtti kötődés, és drágák, különösen a közepes és alacsony jövedelmű országokban. Ez más tanulmányokat indított el az otthon használt hordozható, olcsóbb és megvalósítható rendszerek kifejlesztésére .
A NICU-n általánosan használt fix csecsemőinkubátor a különböző tartozékok jelenléte miatt bármilyen eset kezelésére alkalmas. A fix inkubátor tökéletes választásnak tekinthető, mivel a fali tápegységekhez csatlakozik, és megfelelő környezetet biztosít a csecsemő számára. Mindazonáltal a fix inkubátorok rendkívül drágák, és ugyanazzal a koncepcióval rendelkeznek, hogy a meleget a melegített levegő ventilátorokon keresztül történő nyomásával állítják elő. Ez a technika zajjal jár, ami negatívan hat a csecsemőre. Bár az ilyen inkubátor rögzíti a pulzusszámot, olyan elektródákat használ, amelyeket állandóan a koraszülött csecsemőhöz kell csatlakoztatni, ami hatással van a csecsemő érzékeny bőrére. Ezenkívül a szoptatás és a mobilitás hiánya rendkívül megnehezíti a csecsemő számára az egyik osztályról a másikra való átjárást, ami a mobil inkubátorok feltalálásához vezetett .
A mobil inkubátor egy módosított fix inkubátor, amely ugyanolyan funkcióval rendelkezik, mint a fix inkubátor. A mobil inkubátorok további kerekekkel rendelkeznek, pusztán a kórházon belül szállíthatóak, és további eszközöket igényelnek a rendszer áram- és oxigénellátásához . Ezek az inkubátorok ugyanazokkal a hátrányokkal rendelkeznek, mint a fix inkubátorok. Bár a mobil inkubátorok nagyszerű megoldások, ha a csecsemőt a kórházon belül kell szállítani, nem praktikusak, ha a csecsemőt a kórházon kívülre kell szállítani. Erre a célra jelentek meg a szállító inkubátorok .
A szállító inkubátorok kisméretű hordozható inkubátorok, amelyekkel a csecsemő autóval vagy repülővel szállítható. Annak ellenére, hogy a szállító inkubátorok az egyetlen lehetőség a koraszülöttek kültéri szállítására, a szállító inkubátoroknak számos hátránya van, mint például a rendkívül magas költség és a nehézkesség, a termosztát meghibásodása és az áramütés veszélye .
2.2. A szállító inkubátorok a koraszülöttek kórházon kívüli szállítására alkalmasak. Nyílt ápolási módszerek
A KMC megoldást jelent a koraszülött inkubátorok hibáira, amelyek a kórházakban a koraszülöttek magas megbetegedési arányához és halálozásához vezetnek. Melegséget és szoptatást biztosít a csecsemő-anya bőrkontaktus révén. Ez a kötődés/érintkezés biztosítja a koraszülöttek hőmérsékletének stabilitását. Bár a KMC képes volt csökkenteni a csecsemők morbiditását a hagyományos inkubátorokhoz képest , még mindig különböző tényezők korlátozzák. A KMC nem képes a csecsemő hőmérsékletének, szívritmusának, oxigénszintjének és páratartalmának ellenőrzésére, ami a csecsemőt az instabilitás és a károsodás kockázatának teszi ki. A KMC ügyes emberi erőforrásokat igényel, mint például ápolókat, ami bonyolultabbá teszi az intenzív ellátást.
Egy másik nyitott intenzív ellátási módszer a sugárzó melegítő, amely a sugárzó hő törvényei szerint működik. Ez a készülék a koraszülötteket a hagyományos konvekciós fűtés alternatív eljárásaként biztosítja a szükséges sugárzó energiát . A sugárzó melegítő egy ágyból, egy felső fűtőegységből és egy hőmérséklet-érzékelőből áll . A sugárzó melegítők szenvednek a párolgás miatti hőveszteség drámai növekedésétől .
A három részből, azaz egy baba becsült hálózsákból vagy csecsemő interfészből, egy fázisváltó anyagból készült rekeszből és egy melegítőből álló melegítők , nagyszerű megoldások a koraszülöttek testhőmérsékletének szabályozására. Eközben az ölelésmelegítők nem biztosítják a csecsemő alapvető paramétereinek nyomon követését, és hiányoznak a vészjelzők. Emellett folyamatos fázisváltást igényelnek, ami a csecsemő hőmérsékletének ingadozását okozza, és mellőz minden terápiás támogatást.
A fent említett problémák vezettek minket az új Handy koraszülött inkubátor kifejlesztéséhez.
3. A Handy koraszülött inkubátor anyagai
Az új Handy inkubátorhoz számos anyagra és eszközre volt szükség a benne rejlő sokféle hozzájárulás miatt.
A harmadik trimeszterben a magzat már majdnem kialakult és készen áll a születésre . Ezáltal a koraszülött csecsemő átlagos méretét, súlyát, magasságát, fejkörfogatát és haskörfogatát gondosan megválasztották. Nevezetesen, a terhesség utolsó három hónapja alatt a csecsemő agya továbbra is növekszik, így a fej kerülete körülbelül 11 hüvelykről (28 cm) 15 hüvelykre (38 cm) nő. Ezzel egyidejűleg a magzat teljes testhossza nagyjából 15 hüvelykről (38 cm) 19 hüvelykre (48 cm) nő. A magzat átlagos súlya 3 fontról (1,4 kg) 7,5 fontra (3,4 kg) emelkedik .
3.1. Elektromos és elektronikus alkatrészek
A Handy inkubátornak szüksége volt az ATmega328 mikrokontrollerre az adatok indításához és tárolásához.
A mikrokontroller segítésére az Arduino Micro-t használták, mivel a mikrokontroller túlterhelő beállítási áramköröket és assembly nyelvet igényelt. Az Arduino Micro segíti a mikrokontrollert a szabályozókkal, ingyenes könyvtárak és mások keretrendszerével. A keretrendszer könnyebb programozást biztosít, és nem veszít időt az alacsony szintű programozási nyelvre és a címek regisztrálására .
A felhasznált Atmega328-at egy nyomógombbal forrasztották a visszaállításhoz, néhány LED-et az adatátmenet és a vétel jelzésére, valamint a megfelelő csapokkal felcímkézett csapokat. A hátsó része lehetővé teszi az USB-vel való kommunikációt és a szabályozó integrált chipet (IC), hogy stabil feszültséget biztosítson az ATmega328 számára.
Az MAX30100 oximétert is felhasználták. Ez egy optikai érzékelő, amely a Maxim integrált pulzoximéterét és HR-érzékelőjét hordozza. Szabályozó, hőmérő és microBUSinter-integrált kommunikációs (I2C) IC akadályozták a hátoldalon a 3,3 V-os tápellátás biztosítása, a hőmérséklet mérése és a soros kommunikáció biztosítása érdekében.
UltraFire újratölthető akkumulátorokat (18,650 Li-ion 3,7 V 9800 mAh kapacitással) használtak . Az (1) alapján a tárolt energia 36,26 Wh volt. Ezáltal egy 4 akkumulátorból álló készletet használtak a 9800 mAh eléréséhez, a feszültség 15 V-ra történő növeléséhez és a 147 Wh tárolt energia eléréséhez.
3.2. Biokompatibilis anyagok és 3D nyomtató
Három fő biokompatibilis anyagot használtunk a Handy inkubátorunkban: szilnylon, mylar lapok és bambuszszövet. A silnylont külső rétegként használtuk, mivel ultrakönnyű, szélálló, és képes elszigetelni a rendszert és a csecsemőt a külső környezettől . A mylar lapot nagy szakítószilárdsága, kémiai és méretstabilitása, átlátszósága, fényvisszaverő képessége, gáz- és aromazáró tulajdonságai és elektromos szigetelése miatt használták. A bambuszszövetet antibakteriális tulajdonsága, simasága, légáteresztő tulajdonsága és nagy vízfelvevő képessége miatt használták. A ZONESTAR 3D nyomtatót használtuk a Handy inkubátorunk létrehozásához több paramétere miatt:(i)Vázszerkezeti anyagok, beleértve a nyomtatási sebességet (40-100 mm/s), a maximális nyomtatható méretet (220 × 220 × 220 mm) és a fúvóka méretét (0,4 mm).(ii)Nyomtatási anyagtartók: poli-tejsav (PLA) és mások, átmérővel, beleértve a pozicionálási pontosságot X és Y (0,01 mm) és Z (0,00025 mm).(iii)Forróágy teljesítmény: 12 V, 140 W.(iv)Nyomtatási szoftver: Cura, Repetier-Host Kisslicer stb.; Windows, Linux és Mac operációs rendszerrel kompatibilis operációs rendszer.(v)Olvadási hőmérséklet: 157-170°C; szakítószilárdság: 61-66 MPa; hajlítószilárdság: 48-110 MPa.
A ZONESTAR 3D nyomtató további előnye továbbá, hogy az FDM (Fused Deposition Modeling) nyomtatón alapul, amely elterjedt és költséghatékony, valamint testreszabott geometriát és nagyobb teljesítményt biztosít.
3.3. A ZONESTAR 3D nyomtató további előnye, hogy az FDM (Fused Deposition Modeling) nyomtatón alapul. Hőátviteli komponensek
Két fő hőátviteli komponenst építettünk be a Handy inkubátorunkba: a patronos fűtőszalagot és a meleg/hideg csomagokat. A fűtőbetétes fűtőelem volt az első hőenergiaforrás, amely az akkumulátorokban tárolt elektromos energiát hőenergiává alakítja át, amelyet aztán tárol és átad a csecsemőnek. A patronos fűtőelemek rozsdamentes acélból készülnek, és 12 V egyenfeszültséggel, 40 wattos teljesítménnyel működnek. A fűtőszonda hengeres alakú, 6 mm átmérőjű és 20 mm hosszú. Ezt a kis szondát azért választottuk, hogy az összes hőenergia átkerüljön a gélzsákba. A második komponens a meleg/hideg csomag volt, amely egy kémiai viasz, amely megőrzi a hőenergiát, és a vezetőképességen keresztül továbbítja azt a betegnek.
4. A Handy koraszülött inkubátor prototípusa
A Handy inkubátor prototípusának megszerzéséhez szükséges újszerű lépések és a tesztelési lépések szerepelnek.
4.1. Az inkubátor prototípusának elkészítése. A prototípus megvalósításának lépései
A lépések két nagy részre oszlanak: a valós és szimulált prototípus lépései és a valós prototípus tesztelésének lépései. Az 1. ábrán látható blokkdiagram az inkubátorunk valós prototípusának lépéseit mutatja be. Miután a koraszülött csecsemőt az új inkubátorba helyeztük, három életjelet és jellemzőt, a HR-t, a hőmérsékletet és az SpO2-t folyamatosan figyeltük (diagnosztizáltuk) a mikrokontrolleren keresztül. A megfigyelt paramétereket ezután a Handy inkubátor LCD kijelzőjén jelenítették meg. Emellett a rendszer áramforrása egy akkumulátor-kezelő rendszert (BMS) követett.
Az oxigénszint vagy a koraszülött hőmérséklet normális tartományából való bármilyen kiesés esetén egy hangjelzés bekapcsol vészhelyzeti beavatkozásra (terápiára), például az oxigén felszabadítására vagy a fűtőtestek bekapcsolására. Ezt a rendszert egy BMS támogatja, amely biztosítja az újszerű inkubátorunk mobilitását. A szimulációs lépések azzal kezdődnek, hogy AutoCAD segítségével megrajzoljuk az 1. ábrán látható blokkdiagramon szereplő összes szükséges alkatrészt, a fent említett méretnek és a koraszülött súlyának megfelelően. A blokkdiagram a kívánt kompakt inkubátor tervét mutatja be, amely biztosítja a szoptatást és kézben tartható (Handy).
A szimulációs lépéseket követve a valós prototípus lépései a következőképpen reprodukálhatók: (i)Programozzuk a mikrokontrollert az érzékelőkkel és más alkatrészekkel való kommunikációra.(ii)Integráljuk a MAX30100-at a csecsemő lábáról történő leolvasás biztosítására.(iii)Monitorozzuk a HR és SpO2 biológiai jellemzőit noninvazív módon a MAX30100 segítségével. Az MAX30100 két különböző hullámhosszúságú fény elnyelését méri, és a pulzáló vér elnyelőképességét a hemoglobinról (HbO2) és a dezoxi-hemoglobinról (Hb) visszavert vörös és infravörös hullámok mérésével méri. A különböző intenzitások a különböző abszorpciós együtthatóknak köszönhetőek. iv)A hőmérséklet mérése a MAX30100-on keresztül, mivel a chipjén beépített hőmérséklet-érzékelőt tartalmaz. v)A jel feldolgozása egy alacsony zajszintű analóg jelfeldolgozó egységgel. vi)Az új prototípus méretének kiválasztása úgy, hogy kompatibilis legyen egy harmadik trimeszteri csecsemő méretével. A HR kiszámítása a percenkénti ütések számának (bpm) kiszámításával történt. A szív pulzálással pumpálja a vért, ez az egyes impulzusok fejében lévő sejtek magas intenzitását eredményezi, majd az impulzust a sejtek magas számának érzékelésével érzékelik. A magas intenzitás az impulzus fejében magas visszaverődést eredményez, amely az intenzitás csökkenésével csökken, impulzusokat képezve.
Ezeket az impulzusokat egy küszöbérték megállapításával lehet elkapni, és amikor az infravörös fény (visszavert jel) meghaladja ezt a küszöbértéket, az ütemet megszámolják. Ezt a laboratóriumban egy normális emberen tesztelték.
A fűtőberendezéseket vízzel, a hőmérsékletérzékelőket pedig a felmelegített és lehűtött vízzel tesztelték. Végül az akkumulátor kapacitását feszültségmérővel tesztelték.
5. Eredmények
5.1. A Handy koraszülött inkubátor eredményei
A 3. szakaszban leírt összes megvalósítási lépés alkalmazása után a tesztelési és kiértékelési eredmények mellett bemutatjuk a Handy inkubátorunk szimulált és 3D nyomtatott (valós) prototípusának eredményeit is.
5.1.1. A tesztelés és értékelés eredményei. Szimulált prototípus
A Handy inkubátor valós méreteinek szimulált prototípusa a 2. a) ábrán oldalnézetből és a 2. b) ábrán felülnézetből látható (centiméterben). A műanyag pajzs, a gélcsomag és a csecsemő zöld, piros, illetve sárga színű. A Handy inkubátor teljes hossza 61,23 cm, a doboz hossza pedig 8 cm (a 61,23 cm-en belül). A műanyag pajzs vastagsága 0,50 cm, a mylar és a bambusz rétegek vastagsága pedig egyenként 0,55 mm. A gélcsomag vastagsága 2 cm. A 2(b) ábrán a kék, zöld, piros és sárga színek a külső réteget, a műanyag pajzsot, a gélcsomagot, illetve a csecsemőt jelölik. A külső réteg körülveszi a csecsemőt; így egy 10 cm sugarú csarnokot és három kis téglalapot tartalmaz. A csarnok célja az volt, hogy a csecsemőnek helyet biztosítson a környezetből származó oxigén belélegzéséhez és a szoptatás biztosításához. A három kis téglalap alakú szövetet arra használták, hogy a szövet két végét megtartsák.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
A Handy inkubátor zárt szimulációját a 2. ábra (c) ábrázolja, ahol a csecsemő (sárga színnel színezve) a külső réteggel (kék színnel színezve) körülvéve helyezkedik el. A zöld téglalap és a négy kör a doboz tetején az LCD kijelzőket és a nyomógombokat jelöli. A 2(d) ábra a szimulált Handy inkubátor teljes méretét mutatja, miközben az anya a kezével tartja.
Az újszerű inkubátor szimulált alaprészét a 3(a) ábra, a doboz címkéjét pedig a 3(b) ábra mutatja. A piros tér azt a pozíciót jelöli, ahol a NYÁK rögzítve van. A kék rész az elemek fogantyúját jelképezi; az elemek fogantyúja akár nyolc elemet is elbír. Ezenkívül a doboz tartalmaz két nagy lyukat az oxigénpalack rögzítéséhez, egy lyukat az áramforrás elárasztásához és a ON/OFF kapcsolóhoz, valamint egy fogantyút, amely a fogaskereket csavarok segítségével rögzíti a helyén. A 3. b) ábra az újszerű inkubátorunk kialakításához szükséges összes alkatrész szimulációját mutatja be. A műanyag pajzs alkotja a praktikus inkubátorunk vázát (teljes hossza körülbelül 62 cm). A műanyag pajzsot négy, csavarokkal és anyákkal összekötött részre bontottuk. A 3. (c) ábra a melegítőegység szimulációját mutatja, a piros objektum a gélzsákokat reprezentáló csomag, a kék objektum pedig a koraszülöttet körülvevő szövet. A gélcsomag 5 zsákból áll; minden zsák egy-egy gélből, valamint egy fűtőberendezésből és egy hőmérőből áll, amely a termelt hőt szabályozza.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Az oxigénkioldó részt (a 3. ábra (d) részén látható) a csecsemő arca fölött szimuláltuk, egy csőszerű mechanikus szelep, egy fogaskerékkel ellátott léptetőmotor és egy oxigénpalack segítségével. Az oxigénforrás barna színű, az oxigénpalackot pedig a doboz belsejében szimuláltuk. Figyelemre méltó, hogy az oxigénátviteli csövek a műanyag pajzs belsejébe vannak ágyazva, hogy elkerüljék a külső mechanikai terhelés okozta ütközéseket.
5.1.2. Az oxigénszállító csövek a műanyag pajzsba vannak ágyazva. Előzetes 3D nyomtatott prototípus
A 3D nyomtatás volt a második lépés a valódi prototípus alkatrészek előállításához. Az AutoCAD fájlokat egy memóriakártya segítségével importáltuk a 3D nyomtatóba az alkatrészek kinyomtatásához. A modell és a nyomtatás időtartama a 4. ábrán látható. A falucska 20 órát vett igénybe. A doboz címkéje 17 óra 40 percet, a doboz fedele 20 órát, a két pajzs 20 órát vett igénybe. Az összes alkatrész kinyomtatásának teljes időtartama 66 óra 40 perc volt.
A szövetrétegek varrását, összeszerelését és az áramköröket az 5(a) és 5(b) ábra szemlélteti.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
A PCB folyamatot az 5. a) ábra mutatja be, mind az alsó, mind a felső nyomtatott rétegtől, az UV fényforrástól a vízzel történő mosás utáni PCB lapig. A varrás lépései az 5(b) ábrán láthatók. Ez ábrázolja a mylar ragasztását kartonnal, a ragasztott silnylon eredményét mylarral és kartondobozzal, azt, hogy a kapott szövetet hogyan rögzítik a Handy inkubátorhoz, és a bambuszszövetet, amelyet a gélcsomagok tetején tartanak, ahol a csecsemő a nyitott Handy inkubátorban fekszik. Az 5. (c) ábra a melegítő rendszer összetevőinek teszteléséhez használt laboratóriumi berendezést ábrázolja.
A Handy inkubátor teljes valós prototípusa a 6. ábrán látható (zárt formában). A kék színű szövet a külső réteget alkotó szilnylon színe. A csecsemőt körülvevő szövet határainál pálcikás címkék vannak, amelyek a rendszer könnyű nyitását és zárását biztosítják. A bambuszszövetet is pálcikákkal rögzítik a csecsemőt körülvevő szövethez; így a bambuszszövet könnyen eltávolítható, tisztítható és visszahelyezhető.
5.2. Az újszerű Handy koraszülött inkubátor zárt állapotban. A Handy koraszülött inkubátor tesztelési eredményei
A Handy koraszülött inkubátor mindkét hardveres részének bemutatása után bemutatjuk a tesztelési és hibakeresési folyamatokat: (i) a rendszer ellátására szolgáló akkumulátorok elektromos tesztelési eredményeit, (ii) a felszabaduló hőenergiát és a melegítő rendszert, valamint (iii) az infravörös tesztelést. Emellett megadjuk a Handy koraszülött inkubátor specifikációinak és költségeinek értékelését és kezelését, és összehasonlítjuk a meglévő intenzív ellátási módszerekkel.
Az akkumulátorok kapacitásának elektromos tesztelése az akkumulátor teljes feltöltésével történt (amíg az akkumulátor feszültsége el nem érte a 4.2 V), egy egyszerű áramkör előállítása, amely meghatározott áramot igényel (az úgynevezett vizsgálati áram), és a teljes kisütéshez szükséges idő mérése (amíg az akkumulátor feszültsége eléri a 2,5 V-ot), ami a kapacitás volt.
A vizsgálatot megismételtük UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V-on a vizsgálati áramokkal , és a kapott eredmények 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955 és 0,626, illetve a kapacitás nem volt elegendő. Ehhez egy szett helyett két soros, párhuzamosan kapcsolt akkumulátor-készletet használtunk, hogy 23,855 kJ energiát érjünk el. Ez az energia alkalmas volt a rendszer egyszeri felfűtésére, és körülbelül 16 órán keresztül képes fenntartani a meleget.
A Handy inkubátorba ágyazott melegítő rendszer és a hőenergia vizsgálatának eredményeit egyaránt közöltük korábbi publikációnkban .
A szigetelést illetően az inkubátor szövete és biokompatibilis anyagai jó szigetelést biztosítottak.
Az infravörös vizsgálatba bevont MAX30100, és az eredményeket összehasonlítottuk a mobiltelefonokban használt oximetriás érzékelőkkel, a SpO2 monitorozására szolgáló orvosi berendezések specialistája és az oximetriás érzékelőket használó HR-ek eredményeivel. A MAX30100 eredményei megbízhatóak voltak, és közelebb álltak az orvosi berendezések eredményeihez, mint a mobil érzékelőkéihez.
5.3. A Handy koraszülött inkubátor értékelése a koraszülött intenzív ellátási módszerekkel szemben
A Handy inkubátorunk értékelése magában foglalta annak összehasonlítását a kortárs intenzív ellátási módszerekkel. A 7. és 8. ábrán több döntő tényező három oszlopdiagramja látható az oszlopdiagramokra rótt standard eltérésekkel. Ezek a specifikációk az ár, a környezet, a mérések, az anyakötés, a prototípus, a mobilitás és egyéb tényezők. Minden egyes specifikációhoz színt társítottunk az egyes oszlopdiagramokon, a világoszöldtől a sötétzöld színig.
(a)
(b)
(a)
(b)
A Handy inkubátorunkat összehasonlítottuk a kereskedelmi inkubátorral, a szállító inkubátorral, a sugárzó melegítővel, a KMC-vel és az ölelő melegítővel, és az eredményeket a 7. ábra mutatja. A 7. a) ábrán például a megfigyelt jellemzők vagy rögzített mérések típusának változását az intenzív ápolási módszerekhez viszonyított oszlopdiagram mutatja be. Az anya és a koraszülött közötti kötődés, valamint a mobilitási előírások vagy a rendszer mobilitásának változása az intenzív ellátási módszerekhez képest szintén szerepel. A 7(b) ábrán a terápiás támogatás, a rendszer környezetének típusa és a tervezési modell variációját értékeltük és hasonlítottuk össze az intenzív ellátási módszerekkel.
A 7(a) ábrán értékelt monitorozott jellemzők azok a létfontosságú jellemzők, amelyeket az egyes módszerek mérni tudnak. A 100%-os maximális érték a maximálisan kivont jellemzőkhöz kapcsolódott, a 0%-os nulla érték pedig ahhoz, hogy a rendszer nem mért semmilyen jellemzőt. A legmagasabb számú (100%) extrahált jellemzőt, beleértve az SpO2-t, a páratartalmat, a HR-t és a hőmérsékletet, mind a kereskedelmi, mind a szállító inkubátorok segítségével monitorozták. Ezenkívül a kivont jellemzők 75%-át, beleértve az SpO2-t, a HR-t és a hőmérsékletet, a Handy inkubátorral extrahálták, egyébként pedig nullát.
A 7. a) ábrán értékelt anya-előtti csecsemő kapcsolat a koraszülött csecsemő és az anya kapcsolata. A rendszer által biztosított maximális anya-előtti csecsemő kapcsolathoz 100%-os maximális érték (kis szórással) társult. A 0%-os nulla érték a csecsemő és az anya közötti kapcsolat hiányához kapcsolódott, vagyis amikor a csecsemőt teljesen zárt inkubátorban helyezik el az újszülött intenzív osztályon. Az anya és a koraszülött csecsemő közötti kapcsolat teljes mértékben (100%) létezik a KMC, az ölelésmelegítő és a Handy inkubátorunkban. Ez teljesen hiányzik a kereskedelmi és szállítási inkubátorokból.
A 7. a) ábrán is értékelt rendszer mobilitása az intenzív ellátórendszer mobilizálhatósága. A 100%-os maximális érték a maximálisan megvalósítható mobilitáshoz, a 0%-os nulla érték pedig a rögzített módszerhez társult. A rendszer mobilitásának maximális teljesítménye a KMC-hez, az ölelésmelegítőhöz és a Handy inkubátorhoz társult.
A 7(b) ábrán értékelt terápiás támogatás a koraszülött csecsemő kapcsolata az anyával. A 100%-os maximális érték a rendszer által biztosított maximális terápiás támogatáshoz és kezeléshez kapcsolódott. A 0%-os nulla érték a minimális terápiás támogatáshoz kapcsolódott. A terápiás támogatás maximális teljesítménye (100%) a kereskedelmi és a Handy inkubátorokhoz kapcsolódott.
A 7. b) ábrán értékelt környezet a módszer és a környezet közötti kapcsolódási pont jellege. A zárt környezet a koraszülött teljes izolációját jelenti, míg a nyitott környezet a koraszülött aspirációját a környező környezeti levegőtől lehetővé tevő szigetelés. Figyelemre méltó, hogy az inhalációt lehetővé tevő szigeteléshez társult a legmagasabb teljesítmény (100%). A környezet típusának teljesítménye a sugárzó melegítő, a KMC, az ölelő melegítő és a Handy inkubátor esetében volt maximális.
A 7(b) ábrán is értékelt tervezési modell az intenzív ellátórendszer mobilizálhatósága. A tervezési modell maximális teljesítménye (100%) a KMC-hez, majd 75%-a a Handy inkubátorhoz társult.
A Handy inkubátor költségét (1000$-ban) ábrázoltuk és összehasonlítottuk a kereskedelmi inkubátor, a szállító inkubátor, a sugárzó melegítő és az ölelő melegítő költségeivel, és az eredményeket a 8. ábra mutatja. A standard eltérés tartománya a különböző specifikációkkal rendelkező különböző kereskedelmi inkubátorok jelenlétéből adódik. A költség ezeknek a meglévő inkubátoroknak az átlagos költsége. Amint a 8. ábrán látható, a legmagasabb inkubátor költsége a kereskedelmi inkubátorhoz kapcsolódik. Figyelemre méltó, hogy a bejelentett bruttó ár a vállalattól és a tartozékoktól függ. A KMC költségmentes, és mind a Handy inkubátor, mind az ölelő melegítő költsége körülbelül 300$, míg a kereskedelmi inkubátor költsége átlagosan 32K$ (1K$ és 55K$ között mozog).
6. Megbeszélés
A meglévő intenzív ellátási módszerekhez különböző előnyök társulnak, legyen az nyitott vagy zárt ellátás. Bár a kereskedelmi forgalomban kapható csecsemőinkubátorok és a fix, mobil és szállítható inkubátorok megfelelő hőmérsékletet tartanak fenn a csecsemő számára és monitorozzák az alapvető paramétereket, súlyuk, méretük, költségük és kompatibilis tartozékaik tekintetében különböznek . A sugárzó melegítő fő előnye a koraszülöttek számára biztosított nyílt hozzáférésű ellátás, amely támogatja az olyan eljárásokat, mint az endotracheális intubáció . Ez összhangban volt a munkánk során megfigyelt sugárzó melegítő 100%-os környezettípusú teljesítményével. A teljes teljesítmény azonban 37,5 ± 0,9% volt, amint arról az 1. táblázatban beszámoltunk.
|
||||||||||||||||||||
A KMC egy nyitott ápolási technika, és egy nemrégiben készült áttekintés 40%-os csökkenésről számolt be az elbocsátás utáni halálozás kockázatában . Egyéb előnyök közé tartozott a fokozott szoptatás, az anya-csecsemő kötődés és a fejlődési eredmények . Ez tükröződött a KMC 100%-os teljesítményében, amikor az anya-gyermek kötődés jelenlétét/hiányát vizsgálták. A fent említett megállapítások és a WHO által a KMC-nek adott jóváhagyás alátámasztja a KMC eredményeinkben megfigyelt jó általános teljesítményét (75 ± 1,4%). A fennmaradó 25% hiánya a Lawn et al. által javasolt alsó súly 800 g-ra való korlátozásának tudható be .
Az inkubátorokat meglehetősen széles körben használják, a legtöbb készülék két működési módból áll: a levegő-hőmérséklet kézi szabályozása, és a bőr-hőmérséklet automatikus szabályozása . A legtöbb egység lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy mérje a relatív páratartalmat és szükség esetén oxigéntámogatást nyújtson a csecsemőnek . Ezek a tények összhangban voltak a mi eredményeinkkel, ahol a kereskedelmi inkubátorhoz 100% -os teljesítmény társult a funkciók kinyerésében és a terápiás támogatásban, szinte elhanyagolható standard eltéréssel.
A kézi inkubátor prototípusával kapcsolatos információkkal kapcsolatban Fallon a kardiopulmonális gépet használta az adatok monitorozására és megjelenítésére egy LCD képernyőn . Ha a csecsemő HR-je túl lassú vagy túl gyors lesz, riasztást ad . Fallon munkájával analóg módon programoztuk a Handy inkubátorunkat, hogy riasztást adjon, ha a kivont jellemzők csökkenése következik be.
A közelmúltban a Baby Center tudósai egy vérnyomásmérőt tettek közzé, amely a csecsemő lába vagy karja köré egy miniatürizált vérnyomásmérő mandzsettát csatlakoztat a vérnyomás ellenőrzése érdekében . Az ő munkájukkal analóg módon mi egy oximetriát használtunk, és a miniatürizált vérnyomásmérő mandzsettát a csecsemő lábához csatlakoztattuk.
A mi Handy inkubátorunk könnyen hordozható az anya által, és megfizethető a közepes és alacsony jövedelmű országokban. A James és munkatársai által biztosított mOm rendszerrel ellentétben, amelyből hiányzik az anya-csecsemő kapcsolat és a szoptatás , a mi rendszerünkben a csecsemő egyik oldalról élvezheti a szoptatás fiziológiai előnyeit, ahogy azt a KMC biztosítja, a másik oldalról pedig meleg és antibakteriális környezetet biztosít.
A mi Handy rendszerünk biztosítja a koraszülött HR, hőmérséklet és SpO2 szint biomedikai jellemzőinek kinyerését is, és megjeleníti őket egy LCD-n, és ezt a 7(b) ábrán látható 75 ± 1,5%-os teljesítmény tükrözi. A körülbelül fennmaradó 25% hiánya a páratartalom mérésének hiányából adódik.
A koraszülöttek oxigénellátásának túlhasználata/alulhasználata károsíthatja őket, ezért a mi Handy inkubátorunkban a SpO2-t monitoroztuk, és a betegségek elkerülése érdekében 90 és 93% között tartottuk. A pulzoximetria előnyös módszer az oxigénellátás monitorozására, mivel folyamatos és nem invazív .
Vészhelyzet esetén a rendszert úgy programoztuk, hogy ideiglenes oxigénellátást biztosítson. Azt is biztosítottuk, hogy a Handy inkubátor költséghatékony legyen más intenzív ellátási módszerekhez képest .
Az inkubátorunk tesztelése szükséges volt az inkubátor elektromos, termikus és grafikai kialakításának minőségének ellenőrzéséhez.
A Handy inkubátor jó terápiás kezelést biztosít, például oxigénellátást és meleget. Ez megnyitja az utat az orvos számára, hogy a koraszülött csecsemő állapotát az LCD kijelzőn megjelenő három életjel diagnosztizálásával és a memóriában való elmentésével ellenőrizze.
A szép forma mellett a rendszer a ventilátorok hiánya és a gyártás során felhasznált anyagok megválasztása miatt nem okoz zajt bekapcsolás vagy mozgás közben.
A KMC általános teljesítménye (75 ± 1,4%) jobb volt, mint az általunk feltárt specifikációkban szereplő ölelő melegítőé (66,7 ± 1,5%). A Handy inkubátorunk azonban felülmúlta az összes intenzív ápolási módszert, 91,7 ± 1,6%-os összteljesítményével (1. táblázat). A Handy inkubátor felhasználóbarát technika. Annak ellenére, hogy a mi inkubátorunk 3D nyomtatása időbe telt, a költsége ésszerű volt a drága kereskedelmi inkubátorokhoz képest. Ezáltal a Handy inkubátorok ígéretesek, különösen a közepes és alacsony jövedelmű országokban.
7. Következtetés és perspektívák
Eredeti kutatásunk hardveres és szoftveres hozzájárulásokból áll. A szoftveres megvalósítás a processzorplatform Arduino segítségével történő programozását foglalta magában. A hardveres kivitelezés a Handy inkubátor és áramkörének 3D nyomtatását és az Arduinóhoz való csatlakoztatását foglalta magában. A Handy inkubátorunkat úgy terveztük, hogy hordozható, nem nehéz és költséghatékony legyen.
A Handy koraszülött inkubátor újszerű 3D nyomtatott prototípusának fejlődésével sok életet lehet megmenteni. Mivel nincsenek költséghatékony intenzív ellátási módszerek az összes életjel monitorozására és az adatok mentésére, valamint hiányzik egy kézben tartható rendszer, vállaltuk a kihívást a kézreálló és költséghatékony csecsemőinkubátorunk megtervezésében. Tervezetünk figyeli az életjeleket (hőmérséklet, HR és SpO2) és kijelzi azokat. A Handy inkubátor biztosítja a szoptatást és költséghatékony. Az értékelt százalékos teljesítmény azt mutatja, hogy felülmúlja a meglévő intenzív ellátási módszereket.
Rendszerünk sok kihívást megoldott, de még mindig van lehetőség további fejlesztésekre.
A jövőbeni lépések a következők lehetnek: (i)További adatok gyűjtése a MAX30100 infravörös érzékelőről, amelyet a rendszerünkbe rendeltünk, hogy javítsuk az oximetriás leolvasást.(ii)A két LED-ből és egy mikroprocesszorral ellátott fotoreceptorból álló érzékelő gyártója által biztosított kód renderelése és frissítése annak érdekében, hogy az orvosi kritériumoknak megfelelő specifikus impulzusszélességet és fényintenzitást biztosítsunk.(iii)Peltier-cella (félvezető alapú elektronikus alkatrész, amely a “Peltier-effektus” szerint kis hőszivattyúként működik) használata a fűtőtest helyett.(iv)Az elektronikus kártya módosítása a töltésszabályozás (maximális teljesítménypont-követés) hozzáadásával a maximális teljesítménypont keresésére és a terhelés ellenállásának rezonancia keresésével a tápegység ellenállásával, amely a töltés maximális hatékonyságával rendelkezik.(v)Végül a szoftver javítása és egy webszerver biztosítása a távgyógyászati teljesítmény és kutatási célokra.
Adatok hozzáférhetősége
Mivel új találmányt és eredeti kutatást nyújtottunk, amelyet ezen az új találmányon alkalmaztunk, és a készülékünk is hosszabb hosszabbítás alatt áll a fejlesztés érdekében, továbbá együttműködést létesítünk egy biomedikai mérnöki céggel a készülékünk fejlesztésére, ezért az adatokat bizalmasan hagytuk, amíg ezt a találmányt a nevünkön nem regisztráljuk.
Érdekütközések
A szerzők nem jelentenek be összeférhetetlenséget.
Köszönet
A szerzők köszönetet mondanak Dr. Mohammad Arnaout-nak, Dr. Lara Hamawy-nak és Alaa Zaylaa kisasszonynak a támogató információkért. Ezt a projektet a Libanoni Egyetem és a University of Texas MD Anderson Cancer Center (Houston, TX, USA) támogatta.