Abstract
I neonati pretermine incontrano un parto improvviso prima della loro completa maturità durante il terzo trimestre di gravidanza. I sondaggi prevedono un aumento dei tassi di neonati pretermine per il 2025, soprattutto nei paesi a medio e basso reddito. Nonostante l’abbondanza di metodi di cura intensiva per i neonati pretermine, come, ma non limitati a, commerciale, trasporto, scaldino abbraccio, scaldino radiante, e Kangaroo Mother Care metodi, sono o costosi, mancano i requisiti più essenziali o specifiche, o mancano il legame madre-pretermine. Questo ci ha spinto a portare questa ricerca originale e l’idea innovativa di sviluppare un nuovo prototipo stampato in 3D di un’incubatrice per neonati pretermine Handy. Il nostro obiettivo è quello di fornire la cura intensiva più indispensabile con il costo più basso, per donare ai paesi a basso reddito la cura dell’incubatrice Handy, preservare il legame madre-pretermine e diminuire il tasso di mortalità. Sono state utilizzate caratteristiche biomediche, elettronica e materiali biocompatibili. Il design è stato simulato, il prototipo è stato stampato in 3D e i risultati sono stati testati e valutati. I risultati della simulazione hanno mostrato il miglior adattamento dei componenti dell’incubatrice Handy. I risultati sperimentali hanno mostrato il prototipo stampato in 3D e il tempo impiegato per ottenerlo. I risultati della valutazione hanno rivelato che le prestazioni complessive di Kangaroo Mother Care e dello scaldino dell’abbraccio erano 75 ± 1,4% e 66,7 ± 1,5%, rispettivamente, mentre le prestazioni complessive della nostra incubatrice Handy erano 91,7 ± 1,6%, quindi la nostra conveniente incubatrice Handy ha superato i metodi di cura intensiva esistenti. Il passo futuro è associare l’incubatrice Handy con più specifiche e progressi.
1. Introduzione
Il parto pretermine è la nascita improvvisa a meno della 37esima settimana di gravidanza. Durante il terzo trimestre, cioè 27-40 settimane di gravidanza, quando si verifica la fase principale dello sviluppo fetale, il bambino subisce una drammatica trasfusione nel suo sistema respiratorio che gli permette di respirare per la prima volta. Dopo il terzo trimestre, il feto è di solito impostato per la nascita . Secondo l’epidemiologia dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), ogni 10 neonati, 1 neonato è considerato pretermine. Quindici milioni di neonati pretermine sono nati nel 2010. Di tutti i 15 milioni, 1 milione di bambini è morto a causa della prematurità. Le consegne pretermine sono state quindi classificate come la prima causa di mortalità dei neonati pretermine, durante il primo mese di nascita e dopo la nascita. È anche classificato globalmente come la seconda causa di morte per i bambini che non hanno completato i loro 5 anni.
In seguito, uno studio ha rivelato che i tassi di nascita pretermine sono diminuiti dal 2007 al 2014 a causa della diminuzione del numero di nascite da adolescenti e giovani madri. Hanno anche riportato un leggero aumento del tasso di nascita pretermine nazionale tra il 2014 e il 2015 . In quasi tutti i paesi con dati affidabili, i tassi di nascita pretermine sono in continuo aumento. L’analisi sistematica di Blencowe et al. ha mostrato un aumento continuo del tasso di sopravvivenza dei neonati pretermine nella maggior parte dei paesi. Il tasso medio annuo di cambiamento dal 2005 al 2010 è stato mantenuto a , ma ancora equivalente alla morte pretermine.
Nei paesi ad alto reddito, quasi tutti questi neonati pretermine riportati sopravvivono. Nei paesi a basso reddito, la metà dei bambini nati a 32 settimane o meno muore a causa della mancanza di cure fattibili e convenienti, come la mancanza di calore, il sostegno all’allattamento al seno e il controllo delle infezioni, così come l’esistenza di difficoltà respiratorie.
A prescindere dalle ragioni della prematurità, molti studi si sono concentrati sul monitoraggio delle condizioni materne e fetali per ridurre e prevedere i sintomi, evitando così i parti pretermine, mentre altri si concentrano sul trattamento del risultato, cioè la prematurità, riducendo direttamente la mortalità.
Per trattare il risultato, esistono metodi di cura intensiva, come metodi terapeutici e dispositivi disponibili sul mercato e dispositivi che sono sotto ricerca. Essi variano a seconda del loro design, delle specifiche e delle prestazioni. Essi includono, ma non si limitano a, incubatrici commerciali, incubatrice trasportabile, scaldino abbraccio, scaldino radiante, e Kangaroo Mother Care (KMC) metodi. Tuttavia, molti inconvenienti sono stati associati alle tecniche di cura intensiva esistenti.
Nonostante la presenza di metodi di cura intensiva, uno studio ha previsto che il tasso di sopravvivenza dei neonati pretermine per il 2025 sarà . Poiché il tasso globale previsto di mortalità dei neonati pretermine per il 2025 è del 91%, questo ci ha spinto ad affrontare questo problema e a sviluppare un nuovo prototipo di incubatrice pretermine per promuovere la cura intensiva a basso costo. Lo scopo del nostro studio è quello di sviluppare e stampare in 3D una nuova incubatrice a base di display a cristalli liquidi (LCD) maneggevole, portatile ed economica per fornire cure intensive, soprattutto nei paesi a medio e basso reddito. L’obiettivo è quello di rendere l’incubatrice Handy fattibile e facile da usare e soddisfare i requisiti sanitari per i neonati pretermine. Il progetto si concentra sui neonati pretermine partoriti bruscamente nel terzo trimestre di gravidanza. I principali segni vitali tra cui la temperatura, la frequenza cardiaca (HR), e il livello di ossigeno sono stati monitorati, e materiali biocompatibili avanzati sono stati scelti con cura per il trattamento del neonato pretermine.
Il resto di questo articolo è organizzato come segue. Nella Sezione 2, forniamo i metodi di cura intensiva esistenti. Nella Sezione 3, introduciamo i materiali dell’incubatrice pretermine Handy. Nella Sezione 4, esponiamo il prototipo dell’incubatrice pretermine Handy. Nella Sezione 5, presentiamo i risultati. Nella Sezione 6, discutiamo i risultati, e nella Sezione 7, forniamo una conclusione generale e il lavoro futuro.
2. Metodi esistenti di cura intensiva del neonato pretermine
Dopo aver cercato su PubMed, ScienceDirect e Google scholar, abbiamo riassunto i risultati della revisione della letteratura e li abbiamo divisi in due categorie: cura aperta e cura chiusa.
2.1. Metodi di cura chiusi
Questi metodi includono le incubatrici per neonati disponibili nella Neonate Intensive Care Unit (NICU), un sistema di cura intensiva che fornisce al neonato calore, in modo stabile e costante, attraverso una circolazione di aria riscaldata sulla pelle. Dopo diversi progressi, l’incubatrice per neonati comprendeva il controllo dell’umidità, la fornitura di ossigeno e altri accessori. L’incubatrice per neonati potrebbe essere fissa, mobile o trasportabile. Tuttavia, le incubatrici mancano del legame madre-pretermine e sono costose, specialmente nei paesi a medio e basso reddito. Questo ha innescato altri studi per sviluppare sistemi portatili, più economici e fattibili utilizzati a casa.
L’incubatrice fissa per neonati comunemente utilizzata in NICU, grazie alla presenza di una varietà di accessori, è in grado di trattare qualsiasi caso. L’incubatrice fissa è vista come una scelta perfetta in quanto è collegata alle forniture a muro e fornisce un ambiente adatto al neonato. Tuttavia, le incubatrici fisse sono estremamente costose e hanno lo stesso concetto di produrre calore spingendo aria riscaldata attraverso dei ventilatori. Questa tecnica produce rumore, che influisce negativamente sul bambino. Sebbene tale incubatrice registri le HR, utilizza elettrodi che devono essere collegati al neonato pretermine per tutto il tempo, influenzando così la pelle fragile del neonato. Inoltre, la mancanza di allattamento al seno e la mancanza di mobilità rendono estremamente difficile per il neonato passare da un reparto all’altro, un motivo che ha portato all’invenzione delle incubatrici mobili.
Un’incubatrice mobile è un’incubatrice fissa modificata che ha la stessa funzione dell’incubatrice fissa. Le incubatrici mobili hanno ruote aggiuntive, potrebbero essere trasportate all’interno dell’ospedale, semplicemente, e richiedono strumenti extra per alimentare il sistema con elettricità e ossigeno . Queste incubatrici hanno gli stessi svantaggi delle incubatrici fisse. Anche se le incubatrici mobili sono ottime soluzioni quando il bambino deve essere trasportato all’interno dell’ospedale, sono poco pratiche quando il bambino deve essere trasportato fuori dall’ospedale. Per questo scopo, sono apparse le incubatrici da trasporto.
Le incubatrici da trasporto sono incubatrici portatili di piccole dimensioni che possono trasportare il bambino usando l’auto o l’aereo. Nonostante il fatto che le incubatrici da trasporto siano l’unica opzione per il trasporto all’aperto di neonati prematuri, le incubatrici da trasporto hanno diversi svantaggi, come il costo estremamente elevato e la pesantezza, il guasto del termostato e i pericoli di scosse elettriche.
2.2. Metodi di cura aperti
KMC è una soluzione per i difetti delle incubatrici per pretermine, che rende ad alti tassi di malattia e mortalità dei neonati pretermine negli ospedali. Fornisce il calore e l’allattamento al seno attraverso il contatto della pelle del neonato con la madre. Questo legame/contatto assicura la stabilità della temperatura del pretermine. Anche se la KMC è stata in grado di ridurre la morbilità dei neonati rispetto alle incubatrici convenzionali, è ancora limitata da diversi fattori. La KMC non è in grado di monitorare la temperatura del neonato, la frequenza cardiaca, il livello di ossigeno e l’umidità, il che sottopone il neonato a un rischio di instabilità e nocività. La KMC ha bisogno di risorse umane abili come gli infermieri, che aggiungono complessità alla terapia intensiva.
Un altro metodo di terapia intensiva aperta è lo scaldino radiante che funziona secondo le leggi del calore radiante. Questo dispositivo fornisce al pretermine l’energia radiante necessaria come processo alternativo al riscaldamento convenzionale a convezione. Lo scaldino radiante comprende un letto, un’unità di riscaldamento sopraelevata e un sensore di temperatura. Riscaldatori radianti soffrono di un drammatico aumento della perdita di calore a causa dell’evaporazione .
Scaldatori abbraccio composto da tre parti, che è, un bambino stimato sacco a pelo o interfaccia bambino, un vano di materiale a cambiamento di fase, e un riscaldatore , sono grandi soluzioni per la regolazione della temperatura corporea del bambino prematuro. Nel frattempo, gli scaldini dell’abbraccio non forniscono alcun monitoraggio dei parametri essenziali del bambino e mancano di allarmi di emergenza. Inoltre, richiedono un continuo cambio di fase che causa fluttuazioni nella temperatura del bambino e omette qualsiasi supporto terapeutico.
Tutti i problemi sopra menzionati ci hanno portato a sviluppare la nuova incubatrice per neonati pretermine Handy.
3. Materiali dell’incubatrice per neonati pretermine Handy
La nuova incubatrice Handy ha richiesto diversi materiali e strumenti a causa dei diversi contributi che sono stati incorporati in essa.
Al terzo trimestre, il feto è quasi formato e pronto per la nascita. Pertanto, le dimensioni medie, il peso, l’altezza, le circonferenze della testa e le circonferenze addominali di un neonato prematuro sono state scelte con cura. In particolare, durante gli ultimi tre mesi di gravidanza, il cervello del bambino continua ad espandersi, quindi la circonferenza della testa aumenta da circa 11 pollici (28 cm) a 15 pollici (38 cm). Contemporaneamente, la lunghezza totale del corpo del feto aumenta approssimativamente da 15 pollici (38 cm) a 19 pollici (48 cm). Il peso medio del feto passa da 1,4 kg a 3,4 kg. Componenti elettrici ed elettronici
L’incubatrice Handy ha richiesto il microcontrollore ATmega328 per lanciare e memorizzare i dati.
Arduino Micro è stato usato per assistere il microcontrollore, dato che il microcontrollore ha richiesto un sovraccarico di circuiti di configurazione e linguaggio assembly. Arduino Micro assiste il microcontrollore con i regolatori, con un quadro di librerie libere e altre. Il quadro fornisce una programmazione più facile ed evita di perdere tempo sul linguaggio di programmazione a basso livello e sulla registrazione degli indirizzi.
L’Atmega328 utilizzato è stato saldato con un pulsante per il reset, alcuni LED per mostrare la transizione e la ricezione dei dati, e pin etichettati con il pin corrispondente. La sua parte posteriore permette la comunicazione con USB e il regolatore Integrated Chip (IC) per fornire una tensione stabile all’ATmega328.
Anche l’ossimetro MAX30100 è stato utilizzato. Si tratta di un sensore ottico che porta il pulsossimetro integrato di Maxim e il sensore HR. Il regolatore, il termometro e il circuito integrato di comunicazione microBUS (I2C) sono stati impediti sul retro per fornire un’alimentazione di 3,3 V, misurare la temperatura e fornire una comunicazione seriale.
Sono state usate batterie ricaricabili UltraFire (18.650 Li-ion 3,7 V con 9800 mAh di capacità). Facendo riferimento alla (1), l’energia immagazzinata era di 36,26 Wh. Quindi, è stato utilizzato un set di 4 batterie per raggiungere 9800 mAh, aumentare la tensione a 15 V, e ottenere un’energia immagazzinata di 147 Wh.
3.2. Materiali biocompatibili e stampante 3D
Nella nostra incubatrice Handy sono stati utilizzati tre principali materiali biocompatibili: silnylon, fogli di mylar e tessuto di bambù. Il silnylon è stato utilizzato come strato esterno per il suo peso ultraleggero, antivento e capacità di isolare il sistema e il bambino dall’ambiente esterno. Il foglio di mylar è stato utilizzato per la sua alta resistenza alla trazione, stabilità chimica e dimensionale, trasparenza, riflettività, proprietà di barriera ai gas e agli aromi e isolamento elettrico. Il tessuto di bambù è stato utilizzato per la sua proprietà antibatterica, la morbidezza, la proprietà traspirante e la grande capacità di assorbimento dell’acqua. La stampante ZONESTAR 3D è stata utilizzata per stabilire la nostra incubatrice Handy grazie ai suoi diversi parametri:(i)Materiali della struttura del telaio tra cui la velocità di stampa (40-100 mm/s), la dimensione massima stampabile (220 × 220 × 220 mm), e la dimensione dell’ugello (0,4 mm).(ii)Supporti del materiale di stampa: acido poli-lattico (PLA) e altri, con un diametro tra cui la precisione di posizionamento in X e Y (0.01 mm) e in Z (0.00025 mm).(iii)Potenza del letto caldo: 12 V, 140 W.(iv)Software di stampa: Cura, Repetier-Host Kisslicer, etc.; sistema operativo compatibile con Windows, Linux e Mac.(v)Temperatura di fusione: 157-170°C; resistenza alla trazione: 61-66 MPa; resistenza alla flessione: 48-110 MPa.
Inoltre, un altro vantaggio della stampante 3D ZONESTAR è il fatto che si basa sulla stampante Fused Deposition Modeling (FDM), che è comune e conveniente, e fornisce una geometria personalizzata e prestazioni più elevate.
3.3. Componenti di trasferimento del calore
Due componenti principali di trasferimento del calore sono stati incorporati nella nostra incubatrice Handy: il riprap del riscaldatore a cartuccia e i pacchetti caldo/freddo. Il riprap del riscaldatore a cartuccia era la prima fonte di energia termica, che converte l’energia elettrica immagazzinata nelle batterie in energia termica, che è in terna immagazzinata e trasferita al bambino. I riscaldatori a cartuccia sono fatti di acciaio inossidabile e alimentati con 12 V DC con una potenza di 40 Watt. La sonda di riscaldamento ha una forma cilindrica di 6 mm di diametro e 20 mm di lunghezza. Questa piccola sonda è stata scelta per assicurare che tutta l’energia termica sia trasferita al sacco di gel. Il secondo componente era l’impacco caldo/freddo che è una cera chimica che conserva l’energia termica e la trasferisce al paziente tramite la conduttanza.
4. Prototipo dell’incubatrice per neonati pretermine Handy
Sono fornite le fasi innovative per ottenere il prototipo dell’incubatrice Handy e le fasi di test.
4.1. Fasi di implementazione del prototipo
Le fasi sono divise in due parti principali: le fasi del prototipo reale e simulato e le fasi di test del prototipo reale. Il diagramma a blocchi mostrato nella Figura 1 rappresenta le fasi del prototipo reale della nostra incubatrice. Dopo che il neonato pretermine è collocato nella nuova incubatrice, tre segni e caratteristiche vitali, HR, temperatura e SpO2, sono stati continuamente monitorati (diagnosticati) attraverso il microcontrollore. I parametri monitorati sono stati poi visualizzati sul display LCD dell’incubatrice Handy. Inoltre, la fonte di alimentazione del sistema seguiva un Battery Management System (BMS).
Ad ogni caduta fuori dalla gamma normale del livello di ossigeno o della temperatura del pretermine, un cicalino si accende per un’interferenza di emergenza (terapia), come il rilascio di ossigeno o l’accensione dei riscaldatori. Questo sistema è supportato da un BMS che assicura la mobilità della nostra nuova incubatrice. Le fasi della simulazione iniziano disegnando, tramite AutoCAD, tutte le parti necessarie presenti nello schema a blocchi della Figura 1, in accordo con le dimensioni e il peso del neonato pretermine sopra menzionati. Lo schema a blocchi mostra il progetto dell’incubatrice compatta desiderata che assicura l’allattamento al seno e può essere tenuta a mano (Handy).
Seguendo i passi della simulazione, i passi del prototipo reale possono essere riprodotti come segue:(i)Programmare il microcontrollore per comunicare con i sensori e le altre parti.(ii)Integrare MAX30100 per assicurare la lettura dalla gamba del neonato.(iii)Monitorare le caratteristiche biologiche HR e SpO2 non invasivamente da MAX30100. MAX30100 misura l’assorbimento di due diverse lunghezze d’onda della luce, e misura l’assorbimento del sangue pulsato misurando le onde rosse e infrarosse riflesse dall’emoglobina (HbO2) e dalla deossi-emoglobina (Hb). Le diverse intensità sono dovute ai loro diversi coefficienti di assorbimento.(iv)Misurare la temperatura tramite MAX30100, poiché contiene un sensore di temperatura integrato nel suo chip.(v)Elaborare il segnale tramite un’unità di elaborazione del segnale analogico a basso rumore.(vi)Scegliere la dimensione del nuovo prototipo per essere compatibile con la dimensione di un neonato del terzo trimestre. La FC è stata calcolata calcolando il numero di battiti al minuto (bpm). Il cuore pompa il sangue tramite pulsazioni, questo porta ad un’alta intensità di cellule sulla testa di ogni pulsazione, e quindi l’impulso viene rilevato rilevando un alto numero di cellule. L’alta intensità nella testa di un impulso porta ad un’alta riflessione, che diminuisce al diminuire dell’intensità formando impulsi.
Questi impulsi possono essere catturati stabilendo una soglia, e quando la luce infrarossa (segnale riflesso) supera questa soglia, il battito viene contato. Questo è stato testato in laboratorio su un uomo normale.
I riscaldatori sono stati testati sull’acqua, e i sensori di temperatura sono stati testati sull’acqua riscaldata e raffreddata. Infine, la capacità della batteria è stata testata con un voltmetro.
5. Risultati
5.1. Risultati dell’incubatrice per neonati pretermine Handy
Dopo aver applicato tutte le fasi di implementazione nella sezione 3, presentiamo i risultati del prototipo simulato e stampato in 3D (reale) della nostra incubatrice Handy, oltre ai risultati di test e valutazione.
5.1.1. Prototipo simulato
Il prototipo simulato delle dimensioni reali dell’incubatrice Handy è mostrato in Figura 2(a) da una vista laterale e Figura 2(b) da una vista dall’alto (in centimetri). Uno scudo di plastica, un pacchetto di gel e il neonato sono colorati rispettivamente in verde, rosso e giallo. La lunghezza totale dell’incubatrice Handy è di 61,23 cm, e la lunghezza della scatola è di 8 cm (inclusa nei 61,23 cm). Lo spessore dello schermo di plastica è di 0,50 cm, e gli strati di mylar e bambù sono di 0,55 mm ciascuno. Lo spessore del pacchetto di gel è di 2 cm. I colori blu, verde, rosso e giallo nella Figura 2(b) rappresentano rispettivamente lo strato esterno, lo scudo di plastica, il gel pack e il neonato. Lo strato esterno circonda il neonato; quindi, contiene una sala di raggio 10 cm e tre piccoli rettangoli. Lo scopo della sala era di dare al neonato lo spazio per inalare l’ossigeno dall’ambiente e garantire l’allattamento al seno. I tre piccoli rettangoli sono stati utilizzati per contenere le due estremità del tessuto.
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La simulazione chiusa dell’incubatrice Handy è rappresentata nella figura 2(c), dove il bambino (colorato in giallo) è posto all’interno e circondato dallo strato esterno (colorato in blu). Il rettangolo verde e i quattro cerchi in cima alla scatola sono i display LCD e i pulsanti. La Figura 2(d) mostra le dimensioni complessive dell’incubatrice Handy simulata mentre la madre la tiene con le mani.
La parte di base simulata della nuova incubatrice è mostrata nella Figura 3(a), e l’etichetta della scatola è mostrata nella Figura 3(b). Lo spazio rosso rappresenta la posizione in cui il PCB è fissato. La parte blu rappresenta la maniglia delle batterie; la maniglia delle batterie può sopportare fino a otto batterie. Inoltre, la scatola contiene due grandi fori per il fissaggio della bombola di ossigeno, un foro per il diluvio della fonte di alimentazione e l’interruttore ON/OFF, nonché una maniglia che fissa l’ingranaggio al suo posto mediante viti. La figura 3(b) fornisce la simulazione di tutte le parti necessarie per formare la nostra nuova incubatrice. Lo scudo di plastica forma lo scheletro della nostra pratica incubatrice (la sua lunghezza totale è di circa 62 cm). Lo scudo di plastica è stato scomposto in quattro parti collegate con viti e dadi. La figura 3(c) mostra la simulazione dell’unità di riscaldamento, l’oggetto rosso è il pacchetto che rappresenta i sacchi di gel, e l’oggetto blu è il tessuto che circonda il pretermine. Il pacchetto di gel comprende 5 sacchi; ogni sacco è composto da un gel, oltre a un riscaldatore e un termometro per controllare il calore generato.
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La parte di rilascio dell’ossigeno (mostrata nella Figura 3(d)) è stata simulata per essere sopra il viso del bambino, per mezzo di una valvola meccanica simile a un tubo, un motore passo-passo con un ingranaggio e una bottiglia di ossigeno. La fonte di ossigeno è colorata in marrone, e la bombola di ossigeno è stata simulata all’interno della scatola. In particolare, i tubi di trasmissione dell’ossigeno sono incorporati all’interno dello scudo di plastica per evitare qualsiasi incidente dal carico meccanico esterno.
5.1.2. Prototipo preliminare stampato in 3D
La stampa 3D è stato il secondo passo per ottenere le parti del prototipo reale. I file AutoCAD sono stati importati nella stampante 3D per mezzo di una scheda di memoria per stampare le parti. Il modello e la durata della stampa sono riportati nella figura 4. Il borgo ha richiesto 20 ore. L’etichetta della scatola ha richiesto 17 ore e 40 minuti, il coperchio della scatola 20 ore, e i due scudi 20 ore. La durata totale per ottenere tutte le parti stampate è stata di 66 ore e 40 minuti.
La cucitura degli strati di tessuto, l’assemblaggio e i circuiti sono illustrati nelle figure 5(a) e 5(b).
(a)
(b)
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Il processo del PCB è rappresentato nella Figura 5(a), dagli strati inferiori e superiori che sono stati stampati, alla sorgente di luce UV, alla scheda PCB dopo il lavaggio con acqua. Le fasi di cucitura sono mostrate nella Figura 5(b). Rappresenta l’incollaggio del mylar con il cartone, il risultato del silnylon incollato con il mylar e la scatola di cartone, come il tessuto ottenuto è attaccato all’incubatrice Handy, e il tessuto di bambù che è tenuto in cima ai pacchetti di gel dove il bambino giace nell’incubatrice Handy aperta. La figura 5(c) rappresenta la configurazione di laboratorio utilizzata per testare i componenti del sistema di riscaldamento.
Il prototipo reale complessivo dell’incubatrice Handy è mostrato nella figura 6 (forma chiusa). Il colore blu del tessuto è il colore del silnylon che è lo strato esterno. Ai confini del tessuto che circonda il neonato, ci sono etichette a bastoncino che forniscono una facile apertura e chiusura del sistema. Anche il tessuto di bambù è attaccato al tessuto che circonda il neonato usando etichette adesive; così, il tessuto di bambù può essere facilmente rimosso, pulito e reinstallato.
5.2. Risultati dei test dell’incubatrice per neonati pretermine Handy
Dopo aver presentato entrambe le parti hardware dell’incubatrice per neonati pretermine Handy, presentiamo i processi di test e debug: (i) i risultati dei test elettrici per le batterie destinate ad alimentare il sistema, (ii) l’energia termica rilasciata e il sistema di riscaldamento, e (iii) i test a infrarossi. Inoltre, la valutazione e la gestione delle specifiche e dei costi dell’incubatrice pretermine Handy sono fornite e confrontate con i metodi di cura intensiva esistenti.
Il test elettrico della capacità delle batterie è stato ottenuto caricando completamente la batteria (fino a quando la tensione della batteria ha raggiunto 4.2 V), producendo un semplice circuito che ha bisogno di una corrente specifica (conosciuta come la corrente di prova), e misurando il tempo necessario per scaricare completamente (fino a quando la tensione della batteria ha raggiunto 2,5 V), che era la capacità.
Il test è stato ripetuto su UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V con le correnti di prova , e i risultati ottenuti erano 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955, e 0,626, rispettivamente, e la capacità non era sufficiente. Per questo, abbiamo usato due serie di batterie in serie collegate in parallelo invece di una singola serie, per ottenere un’energia di 23.855 kJ. Questa energia era in grado di riscaldare il sistema una volta e può mantenere il calore per circa 16 ore.
I risultati sia del sistema di riscaldamento incorporato nell’incubatrice Handy e il test di energia termica sono stati forniti nella nostra pubblicazione precedente.
Per quanto riguarda l’isolamento, il tessuto dell’incubatrice e i materiali biocompatibili hanno fornito un buon isolamento.
I test all’infrarosso hanno incluso MAX30100, e i risultati sono stati confrontati con quelli dei sensori di ossimetria utilizzati nei telefoni cellulari, uno specialista di apparecchiature mediche per il monitoraggio di SpO2, e HR utilizzando sensori di ossimetria. I risultati del MAX30100 erano affidabili e più vicini all’apparecchiatura medica che al sensore mobile.
5.3. Valutazione dell’incubatrice Handy per neonati prematuri rispetto ai metodi di cura intensiva per neonati prematuri
La valutazione della nostra incubatrice Handy comprendeva il confronto con i metodi di cura intensiva dei colleghi. Tre grafici a barre di diversi fattori cruciali con le deviazioni standard imposte sui grafici a barre sono mostrati nelle figure 7 e 8. Queste specifiche sono il prezzo, l’ambiente, le misure, il legame con la madre, il prototipo, la mobilità e altri fattori. Ad ogni specifica è stato associato un colore in ogni grafico a barre, dal verde chiaro al verde scuro.
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La nostra incubatrice Handy è stata confrontata con l’incubatrice commerciale, l’incubatrice da trasporto, lo scaldino radiante, il KMC e lo scaldino ad abbraccio, e i risultati sono forniti nella Figura 7. La variazione del tipo di caratteristiche monitorate o misure registrate, ad esempio, è rappresentata da un grafico a barre nella Figura 7(a) rispetto ai metodi di cura intensiva. Viene anche riportata la variazione del legame madre-neonato pretermine e la variazione delle specifiche di mobilità o mobilità del sistema rispetto ai metodi di cura intensiva. La variazione del supporto terapeutico, del tipo di ambiente del sistema e del modello di progettazione è stata valutata e confrontata con i metodi di cura intensiva nella Figura 7(b).
Le caratteristiche monitorate, valutate nella Figura 7(a), sono il segno vitale che ogni metodo può misurare. Un valore massimo del 100% è stato associato al numero massimo di caratteristiche estratte, e un valore nullo dello 0% è stato associato all’assenza di qualsiasi caratteristica misurata dal sistema. Il maggior numero (100%) di caratteristiche estratte, tra cui SpO2, umidità, HR e temperatura, sono state monitorate utilizzando sia l’incubatrice commerciale che quella da trasporto. Inoltre, il 75% delle caratteristiche estratte, tra cui SpO2, HR e temperatura, sono state estratte dall’incubatrice Handy, e nulle altrimenti.
Il legame madre-neonato pretermine, valutato nella Figura 7(a), è il contatto del neonato pretermine con la madre. Un valore massimo del 100% (con una piccola deviazione standard) è stato associato al massimo contatto madre-neonato pretermine assicurato dal sistema. Un valore nullo di 0% è stato associato all’assenza di qualsiasi contatto tra il neonato e la madre, cioè quando il neonato è posto in un’incubatrice completamente chiusa in UTIN. Il legame madre-neonato pretermine esiste pienamente (100%) in KMC, nello scaldino dell’abbraccio e nella nostra incubatrice Handy. È totalmente assente nelle incubatrici commerciali e di trasporto.
La mobilità del sistema, valutata anche nella Figura 7(a), è la capacità di mobilitare il sistema di cura intensiva. Un valore massimo del 100% è stato associato alla massima mobilità fattibile, mentre un valore nullo dello 0% è stato associato a un metodo fisso. La prestazione massima della mobilità del sistema è stata associata a KMC, lo scaldino dell’abbraccio e l’incubatrice Handy.
Il supporto terapeutico, valutato nella Figura 7(b), è il contatto del neonato pretermine con la madre. Un valore massimo del 100% è stato associato al massimo supporto terapeutico e trattamento assicurato dal sistema. Un valore nullo di 0% è stato associato al supporto terapeutico minimo. La prestazione massima (100%) del supporto terapeutico è stata associata alle incubatrici commerciali e Handy.
L’ambiente, valutato nella figura 7(b), è la natura dell’interfaccia del metodo con l’ambiente circostante. Un ambiente chiuso è l’isolamento totale del neonato pretermine, mentre l’ambiente aperto è l’isolamento che permette l’aspirazione del neonato pretermine dall’aria ambiente circostante. In particolare, l’isolamento che permette l’inalazione è stato associato al rendimento più alto (100%). Il rendimento del tipo di ambiente era massimo nello scaldino radiante, KMC, lo scaldino dell’abbraccio e l’incubatrice Handy.
Il modello di progettazione, valutato anche nella Figura 7(b), è la capacità di mobilitare il sistema di cura intensiva. La prestazione massima (100%) del modello di progettazione è stata associata a KMC, e poi il 75% è stato associato all’incubatrice Handy.
Il costo (in 1000$) dell’incubatrice Handy è stato rappresentato e confrontato con il costo dell’incubatrice commerciale, dell’incubatrice di trasporto, dello scaldino radiante e dello scaldino dell’abbraccio, e i risultati sono mostrati nella Figura 8. L’intervallo della deviazione standard è dovuto alla presenza di diversi design di incubatrici commerciali con diverse specifiche. Il costo è il costo medio di queste incubatrici esistenti. Come mostrato nella Figura 8, il costo più alto dell’incubatrice è associato all’incubatrice commerciale. In particolare, il prezzo lordo riportato dipende dalla società e dagli accessori. KMC non ha costi, e il costo sia dell’incubatrice Handy che dello scaldabagno è di circa 300$, mentre il costo dell’incubatrice commerciale è in media 32K$ (varia tra 1K$ e 55K$).
6. Discussione
Vari vantaggi sono associati ai metodi di cura intensiva esistenti, sia a cura aperta che a cura chiusa. Anche se le incubatrici commerciali per neonati e le incubatrici fisse, mobili e trasportabili conservano una temperatura adeguata per il neonato e monitorano i parametri di base, differiscono per il peso, le dimensioni, il costo e gli accessori compatibili. Il vantaggio principale di un riscaldatore radiante è la cura di accesso aperto che fornisce ai neonati pretermine, che supporta procedure come l’intubazione endotracheale. Questo era in accordo con il 100% di prestazioni di tipo ambientale dello scaldino radiante osservato nel nostro lavoro. Tuttavia, il rendimento complessivo è stato del 37,5 ± 0,9% come riportato nella tabella 1.
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KMC è una tecnica di cura aperta, e una recente revisione ha riportato una riduzione del 40% del rischio di mortalità post-dimissione. Altri benefici includono l’aumento dell’allattamento al seno, il legame madre-neonato e gli esiti dello sviluppo. Ciò si è riflesso nelle prestazioni del 100% di KMC, quando si studia la presenza/assenza del legame madre-neonato. I risultati di cui sopra e l’approvazione dell’OMS alla KMC supportano la buona performance complessiva della KMC osservata nei nostri risultati (75 ± 1,4%). L’assenza del restante 25% potrebbe essere dovuta alla limitazione del peso inferiore a 800 g come suggerito da Lawn et al. .
Gli incubatori sono piuttosto diffusi, la maggior parte delle unità consiste di due modalità di funzionamento: il controllo manuale della temperatura dell’aria, e il controllo automatico della temperatura della pelle. La maggior parte delle unità permette all’utente di misurare l’umidità relativa e fornire supporto di ossigeno al neonato quando necessario. Questi fatti erano in accordo con i nostri risultati, dove l’incubatrice commerciale è stato associato un 100% di prestazioni in estrazione delle caratteristiche e supporto terapeutico, con una deviazione standard quasi trascurabile.
Per quanto riguarda le informazioni pratico prototipo incubatrice, Fallon coinvolto l’uso della macchina cardiopolmonare per monitorare e visualizzare i dati su uno schermo LCD . Se la frequenza cardiaca del neonato diventa troppo lenta o troppo veloce, dà un allarme. Analogamente al lavoro di Fallon, abbiamo programmato la nostra incubatrice Handy per dare un allarme quando c’è un calo delle caratteristiche estratte.
Di recente, gli scienziati del Baby Center hanno pubblicato un monitor della pressione sanguigna collegando un bracciale miniaturizzato per la pressione sanguigna intorno alla gamba o al braccio del bambino al fine di monitorare la pressione sanguigna . Analogamente al loro lavoro, abbiamo usato un’ossimetria e collegato il bracciale miniaturizzato della pressione sanguigna alla gamba del bambino.
La nostra incubatrice Handy può essere facilmente trasportata dalla madre e accessibile nei paesi a medio reddito e a basso reddito. A differenza del sistema mOm fornito da James et al. che manca il legame madre-infante e l’allattamento al seno, nel nostro sistema, il bambino può beneficiare del vantaggio fisiologico di allattamento al seno da un lato come fornito da KMC e assicura un ambiente caldo e antibatterico dall’altro lato.
Il nostro sistema Handy fornisce anche l’estrazione caratteristica biomedica del pretermine HR, temperatura e livello SpO2 e li visualizza su un LCD, e questo è stato riflesso dal 75 ± 1,5% prestazioni in Figura 7(b). L’assenza del 25% circa rimanente è dovuta alla mancanza di misurazione dell’umidità.
In particolare, l’uso eccessivo/sottoutilizzo della fornitura di ossigeno ai neonati pretermine può danneggiarli; quindi, SpO2 è stato monitorato nella nostra incubatrice Handy ed è stato mantenuto tra 90 e 93% per evitare malattie. La pulsossimetria è un metodo vantaggioso di monitoraggio dell’ossigenazione, poiché è continua e non invasiva.
In caso di emergenza, abbiamo programmato il sistema per fornire una fornitura temporanea di ossigeno. Ci siamo anche assicurati di avere un’incubatrice Handy conveniente rispetto ad altri metodi di cura intensiva.
Testare la nostra incubatrice era necessario per controllare la qualità del design elettrico, termico e grafico dell’incubatrice.
L’incubatrice Handy fornisce un buon trattamento terapeutico come la fornitura di ossigeno e calore. Questo apre la strada per il medico di monitorare lo stato del neonato prematuro attraverso la diagnosi dei tre segni vitali visualizzati sul LCD e il salvataggio nella memoria.
Oltre alla bella forma, il sistema non produce alcun rumore durante l’accensione o il movimento, a causa dell’assenza di ventilatori, e grazie alla scelta dei materiali utilizzati nella fabbricazione.
La performance complessiva del KMC (75 ± 1,4%) è stata migliore dello scaldino dell’abbraccio (66,7 ± 1,5%) nelle nostre specifiche esplorate. Tuttavia, la nostra incubatrice Handy ha superato tutti i metodi di cura intensiva, con una performance complessiva del 91,7 ± 1,6% (Tabella 1). L’incubatrice Handy è una tecnica facile da usare. Nonostante la nostra incubatrice abbia richiesto del tempo per essere stampata in 3D, il suo costo è stato ragionevole rispetto alle costose incubatrici commerciali. Pertanto, le incubatrici Handy sono promettenti, soprattutto nei paesi a medio reddito e a basso reddito.
7. Conclusione e prospettive
La nostra ricerca originale è composta da contributi sia hardware che software. L’implementazione del software ha coinvolto la programmazione della piattaforma del processore tramite Arduino. L’esecuzione dell’hardware ha coinvolto la stampa 3D dell’incubatrice Handy e del suo circuito e il loro collegamento ad Arduino. La nostra incubatrice Handy è progettata per essere portatile, non pesante e conveniente.
Con il progresso del nostro nuovo prototipo stampato in 3D dell’incubatrice per neonati pretermine Handy, molte vite potrebbero essere salvate. A causa della mancanza di metodi di cura intensiva economici per monitorare tutti i segni vitali e salvare i dati e la mancanza di un sistema che può essere tenuto con le mani, abbiamo accettato la sfida di progettare la nostra incubatrice per neonati maneggevole ed economica. Il nostro design monitora i segnali vitali (temperatura, HR e SpO2) e li visualizza. L’incubatrice Handy assicura l’allattamento al seno ed è conveniente. La percentuale di performance valutata mostra che supera i metodi di cura intensiva esistenti.
Il nostro sistema ha risolto molte delle sfide, ma c’è ancora un margine per ulteriori miglioramenti.
I passi futuri possono includere i seguenti: (i)Raccolta di più dati sul sensore infrarosso MAX30100 che abbiamo assegnato nel nostro sistema per migliorare la lettura ossimetrica.(ii)Rendering e aggiornamento del codice fornito dal produttore del sensore che comprende due LED e un fotorecettore con un microprocessore, al fine di fornire una larghezza di impulso e un’intensità di luce specifiche per soddisfare i criteri medici. (iii)Utilizzo della cella Peltier (componente elettronico basato su semiconduttori che funziona come una piccola pompa di calore secondo “l’effetto Peltier”) al posto del riscaldatore.(iv)Modifica della scheda elettronica aggiungendo il controllo della carica (inseguimento del punto di massima potenza) per cercare il punto di massima potenza e cercando la risonanza della resistenza del carico con la resistenza dell’alimentazione che ha la massima efficienza di carica. (v)Infine, migliorando il software e fornendo un web-server per la realizzazione di telemedicina e scopi di ricerca.
Data Availability
Come abbiamo fornito una nuova invenzione e una ricerca originale applicata su questa nuova invenzione, e il nostro dispositivo è anche sotto una proroga prolungata per il miglioramento, inoltre stiamo stabilendo una collaborazione con una società di ingegneria biomedica per lo sviluppo del nostro dispositivo, così abbiamo lasciato i dati confidenziali fino a quando registriamo questa invenzione nei nostri nomi.
Conflitti di interesse
Tutti gli autori non dichiarano conflitti di interesse.
Riconoscimenti
Gli autori vorrebbero ringraziare il dottor Mohammad Arnaout, la dottoressa Lara Hamawy, e la signorina Alaa Zaylaa per le loro informazioni di supporto. Questo progetto è stato finanziato dall’Università libanese e dall’Università del Texas MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, USA.