Abstract
Prematuren krijgen te maken met een abrupte bevalling voor ze volledig volgroeid zijn tijdens het derde trimester van de zwangerschap. Opiniepeilingen voorspellen een toename van het aantal vroeggeborenen voor 2025, vooral in midden- en lage-inkomenslanden. Ondanks de overvloed aan intensieve zorgmethoden voor te vroeg geboren baby’s, zoals, maar niet beperkt tot, commerciële, transport-, omhelzing-, stralings- en kangoeroezorgmethoden, zijn deze ofwel duur, ontbreken de meest essentiële vereisten of specificaties, of ontbreekt de band tussen moeder en te vroeg geborene. Dit dreef ons tot dit originele onderzoek en innovatieve idee om een nieuw 3D-geprint prototype van een Handy premature couveuse te ontwikkelen. Ons doel is om de meest onmisbare intensieve zorg te bieden tegen de laagste kosten, om lage-inkomenslanden te voorzien van de zorg van de Handy couveuse, de band tussen moeder en prematuriteit te behouden, en het sterftecijfer te verlagen. Er werd gebruik gemaakt van biomedische kenmerken, elektronica en biocompatibele materialen. Het ontwerp werd gesimuleerd, het prototype werd 3D-geprint, en de resultaten werden getest en geëvalueerd. Simulatieresultaten toonden de beste pasvorm voor de componenten van de Handy couveuse. Experimentele resultaten toonden het 3D-geprinte prototype en de tijd die nodig was om het te verkrijgen. Evaluatieresultaten toonden aan dat de algemene prestaties van Kangaroo Mother Care en de omhelzingswarmer respectievelijk 75 ± 1,4% en 66,7 ± 1,5% bedroegen, terwijl de algemene prestaties van onze Handy couveuse 91,7 ± 1,6% bedroegen, waarmee onze kosteneffectieve Handy couveuse de bestaande intensieve verzorgingsmethoden overtrof. De toekomstige stap is het verbinden van de Handy couveuse met meer specificaties en verbeteringen.
1. Inleiding
Preterm delivery is het abrupt optreden van geboorte bij minder dan 37e week van de zwangerschap. Tijdens het derde trimester, dat wil zeggen 27-40 weken zwangerschap, wanneer de belangrijkste fase van de foetale ontwikkeling plaatsvindt, ondergaat de zuigeling een dramatische transfusie in zijn ademhalingsstelsel waardoor hij voor het eerst kan ademen. Na het derde trimester wordt de foetus gewoonlijk ter wereld gebracht. Volgens de epidemiologie van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) wordt 1 op de 10 pasgeborenen beschouwd als een prematuur kind . In 2010 werden vijftien miljoen premature kinderen geboren. Van al die 15 miljoen stierf 1 miljoen zuigeling als gevolg van vroeggeboorte. Vroeggeboorte is de eerste oorzaak van sterfte onder vroeggeborenen, tijdens de eerste maand van de geboorte en na de geboorte. Het is ook wereldwijd gerangschikt als de tweede doodsoorzaak voor kinderen die hun 5 jaar niet hebben voltooid .
Later bleek uit een studie dat de vroeggeboortecijfers van 2007 tot 2014 daalden als gevolg van het verminderde aantal geboorten door tieners en jonge moeders . Ze meldden ook een lichte stijging van het nationale vroeggeboortecijfer tussen 2014 en 2015 . In bijna alle landen met betrouwbare gegevens nemen de vroeggeboortecijfers voortdurend toe. De systematische analyse van Blencowe et al. toonde een voortdurende stijging van het percentage overlevende vroeggeborenen in de meeste landen. Het gemiddelde jaarlijkse veranderingspercentage van 2005 tot 2010 bleef gelijk aan , maar nog steeds gelijk aan vroeggeboorte.
In hoge-inkomenslanden overleven bijna al deze gerapporteerde vroeggeborenen. In lage-inkomenslanden sterft de helft van de baby’s die met 32 weken of minder zijn geboren, als gevolg van een gebrek aan haalbare, kosteneffectieve zorg, zoals gebrek aan warmte, ondersteuning bij borstvoeding en infectiebestrijding, evenals het bestaan van ademhalingsmoeilijkheden.
Ongeacht de redenen van prematuriteit hebben veel studies zich gericht op het bewaken van de omstandigheden van moeder en foetus om de symptomen te verminderen en te voorspellen en zo vroeggeboorten te voorkomen, terwijl andere zich richten op de behandeling van het resultaat, namelijk prematuriteit, waardoor het sterftecijfer direct wordt verminderd.
Voor de behandeling van het resultaat bestaan intensieve-zorgmethoden, zoals therapeutische methoden en apparaten die in de handel verkrijgbaar zijn en apparaten waarnaar onderzoek wordt gedaan. Zij variëren naar gelang van hun ontwerp, specificaties en prestaties. Zij omvatten, maar zijn niet beperkt tot, in de handel verkrijgbare couveuses, verplaatsbare couveuses, omhelzingsverwarmer, stralingsverwarmer, en Kangoeroe Moederzorg (KMC) methoden. Er zijn echter veel nadelen verbonden aan de bestaande intensive care technieken.
Ondanks de aanwezigheid van intensive care methoden, voorspelde een studie dat het percentage overlevende premature zuigelingen voor 2025 . Aangezien het globale verwachte sterftecijfer van premature zuigelingen voor 2025 91% bedraagt, dreef dit ons ertoe dit probleem aan te pakken en een nieuw prototype van een couveuse voor premature kinderen te ontwikkelen om de intensieve verzorging tegen lage kosten te bevorderen. Het doel van onze studie is het ontwikkelen en 3D-printen van een nieuwe handzame, draagbare en kosteneffectieve op liquid crystal display (LCD) gebaseerde couveuse voor het verlenen van intensieve zorg, vooral in midden- en lage-inkomenslanden. Het doel is om de Handy couveuse haalbaar en gebruiksvriendelijk te maken en te laten voldoen aan de gezondheidseisen voor premature zuigelingen. Het project richt zich op premature kinderen die abrupt zijn geboren in het derde trimester van de zwangerschap. De belangrijkste vitale functies, waaronder de temperatuur, hartslag (HRs), en het niveau van zuurstof werden gecontroleerd, en geavanceerde biocompatibele materialen werden zorgvuldig gekozen voor de behandeling van de premature infant.
De rest van dit document is als volgt georganiseerd. In hoofdstuk 2 geven wij een overzicht van de bestaande methoden voor intensieve zorg. In Sectie 3 introduceren wij de materialen van de Handy couveuse voor premature kinderen. In hoofdstuk 4 beschrijven we het prototype van de Handy couveuse. In hoofdstuk 5 presenteren we de resultaten. In hoofdstuk 6 bespreken we de resultaten, en in hoofdstuk 7 geven we een algemene conclusie en toekomstig werk.
2. Bestaande Preterm Infant Intensive Care Methoden
Na het doorzoeken van PubMed, ScienceDirect, en Google scholar, hebben we de resultaten van het literatuuronderzoek samengevat en hebben we ze onderverdeeld in twee categorieën: open zorg en gesloten zorg.
2.1. Closed care Methods
Deze methoden omvatten de couveuses voor zuigelingen die beschikbaar zijn op de Neonate Intensive Care Unit (NICU), een systeem voor intensieve zorg dat de zuigeling op een stabiele manier van warmte voorziet door middel van een verwarmde luchtcirculatie over de huid. Na verscheidene verbeteringen omvatte de couveuse voor zuigelingen een regeling van de vochtigheid, zuurstoftoevoer en andere accessoires. De couveuse kan vast, mobiel of transporteerbaar zijn. Couveuses missen echter de band tussen moeder en prematuriteit en zijn duur, vooral in midden- en lage-inkomenslanden. Dit heeft andere studies aangezet tot het ontwikkelen van draagbare, goedkopere en haalbare systemen die thuis worden gebruikt.
De vaste couveuse die gewoonlijk in de NICU wordt gebruikt, is door de aanwezigheid van een verscheidenheid aan accessoires in staat om elk geval te behandelen. De vaste couveuse wordt beschouwd als een perfecte keuze, omdat hij op de muur wordt aangesloten en een geschikte omgeving voor de zuigeling biedt. Vaste couveuses zijn echter zeer duur en hebben hetzelfde concept: warmte produceren door verwarmde lucht door ventilatoren te persen. Deze techniek produceert lawaai, dat een negatieve invloed heeft op de zuigeling. Hoewel een dergelijke couveuse de hartslag registreert, gebruikt hij elektroden die voortdurend op de premature zuigeling moeten worden aangesloten, waardoor de kwetsbare huid van de zuigeling wordt aangetast. Bovendien maken het gebrek aan borstvoeding en het gebrek aan mobiliteit het uiterst moeilijk voor de zuigeling om van de ene afdeling naar de andere te gaan, een reden die heeft geleid tot de uitvinding van mobiele couveuses .
Een mobiele couveuse is een aangepaste vaste couveuse die dezelfde functie heeft als de vaste couveuse. Mobiele couveuses hebben extra wielen, kunnen binnen het ziekenhuis worden vervoerd, en vereisen extra hulpmiddelen om het systeem van elektriciteit en zuurstof te voorzien . Deze couveuses hebben dezelfde nadelen als vaste couveuses. Hoewel mobiele couveuses een goede oplossing zijn wanneer de zuigeling binnen het ziekenhuis moet worden vervoerd, zijn ze onpraktisch wanneer de zuigeling buiten het ziekenhuis moet worden vervoerd. Daarvoor zijn transportcouveuses in de plaats gekomen.
Transportcouveuses zijn draagbare couveuses van klein formaat die de zuigeling met de auto of het vliegtuig kunnen vervoeren. Ondanks het feit dat transportcouveuses de enige optie zijn voor het vervoer van te vroeg geboren kinderen buitenshuis, hebben transportcouveuses verscheidene nadelen, zoals de extreem hoge kosten en zwaarte, thermostaatstoring en elektrische schokgevaren .
2.2. Open Care Methods
KMC is een oplossing voor de gebreken van premature couveuses, die leiden tot hoge ziektecijfers en sterfte van premature baby’s in ziekenhuizen. Het zorgt voor warmte en borstvoeding door huidcontact tussen zuigeling en moeder. Deze band/contact zorgt voor de stabiliteit van de temperatuur van de te vroeg geborene. Hoewel KMC in staat was de morbiditeit van de zuigelingen te verminderen in vergelijking met conventionele couveuses, is het nog steeds beperkt door verschillende factoren. KMC is niet in staat om de temperatuur, de hartslag, het zuurstofgehalte en de vochtigheid van de zuigeling te controleren, waardoor de zuigeling het risico loopt instabiel en schadelijk te worden. KMC vereist bekwaam personeel zoals verpleegkundigen, wat de intensive care complexer maakt.
Een andere open intensive care methode is de stralingswarmer die werkt volgens de wetten van stralingswarmte. Dit apparaat voorziet de prematuren van de nodige stralingsenergie als een alternatief proces voor conventionele convectieverwarming . Stralingsverwarmer bestaat uit een bed, een bovenliggende verwarmingseenheid en een temperatuursensor . Stralende warmers lijden aan een dramatische toename van het warmteverlies als gevolg van de verdamping .
Ombrace warmers bestaat uit drie delen, dat wil zeggen, een baby geschat slaapzak of zuigeling interface, een compartiment van faseverandering materiaal, en een warmer , zijn grote oplossingen voor het reguleren van de lichaamstemperatuur van premature zuigeling. Omarmingstoestellen bieden echter geen controle van de essentiële parameters van het kind en hebben geen alarmsignalen voor noodgevallen. Ook vereisen zij voortdurende faseverandering die schommelingen in de temperatuur van de zuigeling veroorzaakt en elke therapeutische ondersteuning achterwege laat.
Alle bovengenoemde problemen hebben ons ertoe gebracht de nieuwe Handy couveuse voor premature zuigelingen te ontwikkelen.
3. Materialen van de Handy couveuse voor premature kinderen
Voor de nieuwe Handy couveuse waren verschillende materialen en hulpmiddelen nodig, vanwege de diverse bijdragen die erin waren verwerkt.
In het derde trimester is de foetus bijna gevormd en klaar voor de geboorte. Daarbij werden de gemiddelde grootte, het gewicht, de lengte, de hoofdomtrek en de buikomtrek van een premature zuigeling zorgvuldig gekozen. Met name tijdens de laatste drie maanden van de zwangerschap blijven de hersenen van het kind uitzetten, zodat de hoofdomtrek toeneemt van ongeveer 28 cm (11 inch) tot 38 cm (15 inch). Tegelijkertijd neemt de totale lichaamslengte van de foetus ruwweg toe van 38 cm tot 48 cm. Het gemiddelde gewicht van de foetus neemt toe van 1,4 kg tot 3,4 kg. Elektrische en elektronische Componenten
De Handy incubator vereist de ATmega328 microcontroller te starten en op te slaan van de gegevens.
Arduino Micro werd gebruikt om de microcontroller te helpen, als de microcontroller vereist een overweldigende setup circuits en assemblage taal. Arduino Micro helpt de microcontroller met regelaars, met een kader van vrije bibliotheken en anderen. Het kader biedt gemakkelijker programmeren en vermijdt het verliezen van tijd aan programmeertaal op laag niveau en het registreren van adressen.
De Atmega328 werd gebruikt gesoldeerd met een drukknop om te resetten, enkele LED’s om de overgang en ontvangst van gegevens aan te geven, en pinnen die met de overeenkomstige pin zijn gelabeld. Het achterdeel maakt communicatie met USB en regulator Integrated Chip (IC) om stabiele spanning te leveren aan ATmega328.
Ook de oximeter MAX30100 werd gebruikt. Het is een optische sensor die de Maxim’s geïntegreerde pulsoximeter en HR-sensor draagt. Regulator, thermometer, en microBUSinter-geïntegreerde communicatie (I2C) IC werden belemmerd op de achterkant om een 3,3 V voeding, het meten van de temperatuur, en het verstrekken van een seriële communicatie.
UltraFire oplaadbare batterijen (18.650 Li-ion 3,7 V met 9800 mAh capaciteit) werden gebruikt . Met verwijzing naar (1), was de opgeslagen energie 36,26 Wh. Daarbij is een set van 4 batterijen gebruikt om 9800 mAh te bereiken, de spanning te verhogen tot 15 V, en een opgeslagen energie te verkrijgen van 147 Wh.
3.2. Biocompatibele materialen en 3D Printer
Drie belangrijke biocompatibele materialen werden gebruikt in onze Handy incubator: silnylon, mylar bladen, en bamboe weefsel. Silnylon werd gebruikt als buitenlaag wegens zijn ultra-lichtgewicht, winddicht, en vermogen om het systeem en de zuigeling van het buitenmilieu te isoleren. Mylar werd gebruikt omwille van zijn hoge treksterkte, chemische en dimensionale stabiliteit, transparantie, reflectiviteit, gas- en aromabarrière-eigenschappen en elektrische isolatie. Het bamboeweefsel werd gebruikt wegens zijn antibacteriële eigenschap, zachtheid, ademende eigenschap, en grote absorptie van water. De ZONESTAR 3D-printer werd gebruikt om onze Handy incubator vanwege zijn verschillende parameters: (i) Frame structuur materialen, waaronder afdruksnelheid (40-100 mm / s), maximale afdrukbare grootte (220 × 220 × 220 mm), en nozzle grootte (0,4 mm). (ii) Afdrukmateriaal ondersteunt: polymelkzuur (PLA) en anderen, met een diameter met inbegrip van de positionering nauwkeurigheid in X en Y (0,01 mm) en in Z (0,00025 mm). (iii) Warm bed vermogen: 12 V, 140 W. (iv) Printing software: Cura, Repetier-Host Kisslicer, enz.; besturingssysteem compatibel met Windows, Linux en Mac.(v)Smelttemperatuur: 157-170°C; treksterkte: 61-66 MPa; buigsterkte: 48-110 MPa.
Een ander voordeel van de ZONESTAR 3D-printer is bovendien het feit dat deze is gebaseerd op de Fused Deposition Modeling (FDM) printer, die gebruikelijk en kosteneffectief is, en een aangepaste geometrie en hogere prestaties biedt.
3.3. Heat Transfer Components
Twee belangrijke warmte-overdracht componenten werden ingebed in onze Handy incubator: de cartridge heater riprap en warm / koud packs. De cartridge heater riprap was de eerste bron van warmte-energie, die elektrische energie opgeslagen in de batterijen omzet in thermische energie, die in tern opgeslagen en overgebracht naar de zuigeling. Patroonverwarmers zijn gemaakt van roestvrij staal en worden gevoed met 12 V gelijkstroom met een vermogen van 40 Watt. De verwarmingssonde heeft een cilindrische vorm met een diameter van 6 mm en een lengte van 20 mm. Deze kleine sonde werd gekozen om ervoor te zorgen dat alle thermische energie op het gelzakje wordt overgebracht. De tweede component was het warm/koud pakket dat een chemische was is die thermische energie bewaart en via geleiding aan de patiënt overdraagt.
4. Prototype van Handy Preterm Infant Incubator
De nieuwe stappen voor het verkrijgen van het prototype van de Handy couveuse en de teststappen worden verstrekt.
4.1. Implementatiestappen van het Prototype
De stappen zijn verdeeld in twee grote delen: de echte en gesimuleerde prototypestappen en de teststappen van het echte prototype. Het blokschema in figuur 1 geeft de stappen van het echte prototype van onze incubator weer. Nadat het premature kind in de nieuwe couveuse was geplaatst, werden drie vitale functies en tekenen, HR, temperatuur en SpO2, continu bewaakt (gediagnosticeerd) door de microcontroller. De gecontroleerde parameters werden vervolgens weergegeven op het LCD-scherm van de Handy couveuse. Bovendien volgde de stroombron van het systeem een Battery Management System (BMS).
Bij elke daling buiten het normale bereik van hetzij het zuurstofniveau, hetzij de temperatuur van de couveuse, wordt een zoemer ingeschakeld voor een noodingreep (therapie), zoals het vrijgeven van zuurstof of het inschakelen van de verwarming. Dit systeem wordt ondersteund door een BMS dat zorgt voor de mobiliteit van onze nieuwe couveuse. De simulatiestappen beginnen met het tekenen, via AutoCAD, van alle vereiste onderdelen in het blokschema van figuur 1, in overeenstemming met de eerder genoemde grootte en het gewicht van de premature zuigeling. Het blokschema toont het plan voor de gewenste compacte couveuse die borstvoeding garandeert en met de hand kan worden vastgehouden (Handy).
Na de simulatiestappen kunnen de echte prototype-stappen als volgt worden gereproduceerd:(i)Programmeer de microcontroller om te communiceren met de sensoren en andere onderdelen.(ii)Integreer MAX30100 om de aflezing van het been van de zuigeling te verzekeren.(iii)Monitor de biologische kenmerken HR en SpO2 op niet-invasieve wijze door MAX30100. MAX30100 meet de absorptie van twee verschillende golflengten licht, en meet de absorptie van gepulseerd bloed door het meten van rode en infrarode golven die worden weerkaatst door hemoglobine (HbO2) en deoxy-hemoglobine (Hb). De verschillende intensiteiten zijn het gevolg van hun verschillende absorptiecoëfficiënten.(iv)Meet de temperatuur via MAX30100, aangezien deze een ingebouwde temperatuursensor op zijn chip bevat.(v)Verwerk het signaal door een analoge signaalverwerkingseenheid met lage ruis.(vi)Kies de grootte van het nieuwe prototype om compatibel te zijn met de grootte van een derde trimester zuigeling. De hartslag werd berekend door het aantal slagen per minuut (bpm) te berekenen. Het hart pompt bloed door te pulseren, dit leidt tot een hoge intensiteit van cellen aan de kop van elke puls, en vervolgens wordt de puls gedetecteerd door een hoog aantal cellen te detecteren. De hoge intensiteit aan de kop van een puls leidt tot een hoge reflectie, die afneemt naarmate de intensiteit afneemt, waardoor pulsen worden gevormd.
Deze pulsen kunnen worden opgevangen door een drempelwaarde vast te stellen, en wanneer het infrarode licht (gereflecteerd signaal) deze drempel overschrijdt, wordt de puls geteld. Dit werd in het laboratorium getest op een normale man.
De verwarmers werden getest op water, en de temperatuursensoren werden getest op het verwarmde en afgekoelde water. Tenslotte werd de batterijcapaciteit getest met een voltmeter.
5. Resultaten
5.1. Resultaten van Handy couveuse voor premature kinderen
Na toepassing van alle implementatiestappen in hoofdstuk 3, presenteren we de gesimuleerde en 3D-geprinte (echte) prototyperesultaten van onze Handy couveuse, naast de test- en evaluatieresultaten.
5.1.1. Gesimuleerd Prototype
Het gesimuleerde prototype van de werkelijke afmetingen van de Handy couveuse wordt getoond in Figuur 2(a) van een zijaanzicht en Figuur 2(b) van een bovenaanzicht (in centimeters). Het plastic schild, het gelpakket en de zuigeling zijn respectievelijk groen, rood en geel gekleurd. De totale lengte van de Handy couveuse is 61,23 cm, en de lengte van de kist is 8 cm (inbegrepen in de 61,23 cm). De dikte van het plastic schild is 0,50 cm, en de mylar en bamboe lagen zijn elk 0,55 mm. De dikte van het gelpakket is 2 cm. De blauwe, groene, rode en gele kleuren in figuur 2(b) stellen respectievelijk de buitenste laag, het plastic schild, het gelpakket en de zuigeling voor. De buitenste laag omgeeft het kind; deze bevat een hal met een straal van 10 cm en drie kleine rechthoekjes. Het doel van de hal was de zuigeling de ruimte te geven om zuurstof uit de omgeving in te ademen en borstvoeding te geven. De drie kleine rechthoekige stoffen werden gebruikt om de twee uiteinden van de stof vast te houden.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
De gesloten simulatie van de Handy couveuse is weergegeven in figuur 2(c), waar het zuigelingetje (in geel gekleurd) binnenin is geplaatst en omgeven door de buitenste laag (in blauw gekleurd). De groene rechthoek en de vier cirkels bovenop de doos zijn de LCD-displays en de drukknoppen. Figuur 2 (d) toont de totale grootte van de gesimuleerde Handy couveuse terwijl de moeder het met de handen vasthoudt.
Het gesimuleerde basisdeel van de nieuwe couveuse wordt getoond in figuur 3 (a), en het label van de doos wordt getoond in figuur 3 (b). De rode ruimte vertegenwoordigt de positie waar de PCB is beveiligd. Het blauwe deel vertegenwoordigt het batterijenhandvat; het batterijenhandvat kan tot acht batterijen weerstaan. Bovendien bevat de doos twee grote gaten voor de bevestiging van de zuurstoffles, een gat voor de voeding, een aan/uit-schakelaar en een tandwielhandgreep waarmee het tandwiel met schroeven op zijn plaats wordt gehouden. Figuur 3(b) geeft de simulatie van alle onderdelen die nodig zijn om onze nieuwe incubator te vormen. Het plastic schild vormt het geraamte van onze handige couveuse (de totale lengte is ongeveer 62 cm). Het plastic schild werd ontleed in vier delen die met schroeven en moeren aan elkaar werden verbonden. Figuur 3(c) toont de simulatie van de opwarmunit, het rode object is het pakket dat de gelzakken voorstelt, en het blauwe object is de stof die de prematuren omgeeft. Het gelpakket bestaat uit 5 zakken; elke zak is samengesteld uit een gel, naast een verwarmingselement en een thermometer om de opgewekte warmte te controleren.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Het zuurstofafgiftedeel (te zien in figuur 3(d)) werd gesimuleerd om zich boven het gezicht van de zuigeling te bevinden, door middel van een buisvormige mechanische klep, een stappenmotor met een tandwiel en een zuurstoffles. De zuurstofbron is gekleurd in bruin, en de zuurstoffles werd gesimuleerd in de doos. Met name de zuurstof transmissie buizen zijn ingebed in het plastic schild om een crash van de externe mechanische belasting te voorkomen.
5.1.2. Voorlopig 3D Geprint Prototype
3D printen was de tweede stap naar het verkrijgen van de echte prototype onderdelen. AutoCAD-bestanden werden met behulp van een geheugenkaart in de 3D-printer geïmporteerd om de onderdelen uit te printen. Het model en de duur van het printen zijn te zien in figuur 4. Het gehucht nam 20 uur in beslag. Het label van de doos duurde 17 uur en 40 minuten, het deksel van de doos 20 uur, en de twee schilden 20 uur. De totale duur om alle onderdelen geprint te krijgen was 66 uur 40 minuten.
Het naaien van de stoflagen, de assemblage en de schakelingen worden geïllustreerd in de figuren 5(a) en 5(b).
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Het PCB-proces wordt weergegeven in figuur 5(a), van zowel de onderste als de bovenste lagen die werden geprint, de UV-lichtbron, tot de printplaat nadat deze met water is gewassen. De naaistappen zijn weergegeven in figuur 5(b). Het toont het lijmen van mylar met karton, het resultaat van gelijmd silnylon met mylar en kartonnen doos, hoe de verkregen stof aan de Handy couveuse wordt bevestigd, en de bamboestof die bovenop de gelverpakkingen wordt gehouden waar de zuigeling in de open Handy couveuse ligt. Figuur 5(c) stelt de laboratoriumopstelling voor die gebruikt wordt voor het testen van de onderdelen van het warmtesysteem.
Het algemene echte prototype van de Handy couveuse wordt getoond in Figuur 6 (gesloten vorm). De blauwe kleur van de stof is de kleur van het silnylon dat de buitenlaag vormt. Aan de grenzen van de stof die de zuigeling omgeeft, zijn er plakplaatjes die zorgen voor het gemakkelijk openen en sluiten van het systeem. Ook de bamboestof is met behulp van zelfklevende labels aan de stof rondom het kind bevestigd; de bamboestof kan dus gemakkelijk worden verwijderd, gereinigd en opnieuw worden aangebracht.
5.2. Test Results of Handy Preterm Infant Incubator
Na de presentatie van de beide hardware-onderdelen van de Handy preterm infant incubator, presenteren wij de test- en debugging-processen: (i) de elektrische testresultaten voor de batterijen die het systeem moeten voeden, (ii) de vrijgekomen thermische energie en het opwarmingssysteem, en (iii) de infraroodtests. Ook worden de evaluatie en het beheer van de specificaties en de kosten van de Handy premature couveuse verstrekt en vergeleken met de bestaande intensive care methoden.
Elektrisch testen van de capaciteit van de batterijen werd verkregen door de batterij volledig op te laden (totdat de batterijspanning 4.2 V), het produceren van een eenvoudig circuit dat specifieke stroom nodig heeft (bekend als de teststroom), en het meten van de tijd die nodig is om volledig te ontladen (totdat de accuspanning 2,5 V bereikt), dat was de capaciteit.
De test werd herhaald op UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V met de teststromen , en de verkregen resultaten waren respectievelijk 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955, en 0,626, en de capaciteit was niet voldoende. Daarom gebruikten wij twee parallel geschakelde series batterijen in plaats van één enkele set, om een energie van 23,855 kJ te verkrijgen. Deze energie was in staat om het systeem een keer te verwarmen en kan de warmte gedurende ongeveer 16 uur handhaven.
De resultaten van zowel het verwarmingssysteem ingebouwd in de Handy couveuse en de thermische energie testen werden verstrekt in onze vorige publicatie .
Met betrekking tot de isolatie zorgden de stof en de biocompatibele materialen van de couveuse voor een goede isolatie.
Infrarood testen omvatten MAX30100, en de resultaten werden vergeleken met die van oximetriesensoren gebruikt in mobiele telefoons, een specialist in medische apparatuur voor het monitoren van SpO2, en HR’s met behulp van oximetriesensoren. De resultaten van MAX30100 waren betrouwbaar en stonden dichter bij die van de medische apparatuur dan bij die van de mobiele sensor.
5.3. Handy Preterm Infant Incubator Evaluation versus Preterm Infant Intensive Care Methods
Evaluatie van onze Handy incubator omvatte een vergelijking met collega-intensieve zorg methoden. Drie staafdiagrammen van verschillende cruciale factoren met de standaardafwijkingen die aan de staafdiagrammen zijn opgelegd, zijn te zien in de figuren 7 en 8. Deze specificaties zijn de prijs, de omgeving, de metingen, de moederband, het prototype, de mobiliteit, en andere factoren. Aan elke specificatie werd in elk staafdiagram een kleur toegekend, van lichtgroen tot donkergroen.
(a)
(b)
(a)
(b)
Onze Handy couveuse werd vergeleken met de commerciële couveuse, transport couveuse, stralingsverwarmer, KMC, en de omhelzingsverwarmer, en de resultaten zijn te zien in figuur 7. De variatie van het type bewaakte kenmerken of geregistreerde metingen, bijvoorbeeld, wordt weergegeven door een staafdiagram in figuur 7(a) ten opzichte van de intensive care methoden. De variatie van de band tussen moeder en peuter en de variatie van de mobiliteitsspecificaties of systeemmobiliteit ten opzichte van de intensive care-methoden wordt eveneens gerapporteerd. De variatie van de therapeutische ondersteuning, het omgevingstype van het systeem en het ontwerpmodel werd geëvalueerd en vergeleken met de intensive care-methoden in figuur 7(b).
De bewaakte kenmerken, geëvalueerd in figuur 7(a), zijn het vitale teken dat elke methode kan meten. Een maximumwaarde van 100% werd geassocieerd met het maximum aantal geëxtraheerde kenmerken, en een nulwaarde van 0% werd geassocieerd met de afwezigheid van een gemeten kenmerk door het systeem. Het hoogste aantal (100%) geëxtraheerde kenmerken, waaronder SpO2, vochtigheid, hartslag en temperatuur, werd zowel met de commerciële als met de transportincubators gemeten. Bovendien werden 75% van de geëxtraheerde kenmerken, met inbegrip van SpO2, HR, en temperatuur, geëxtraheerd door de Handy couveuse, en null anders.
De maternale-prematurenbinding, geëvalueerd in figuur 7 (a), is het contact van de prematuren met de moeder. Een maximumwaarde van 100% (met een kleine standaardafwijking) werd geassocieerd met het maximale contact tussen moeder en vroeggeborene dat door het systeem werd gewaarborgd. Een nulwaarde van 0% werd geassocieerd met de afwezigheid van enig contact tussen de zuigeling en de moeder, d.w.z. wanneer de zuigeling in een volledig gesloten couveuse op de NICU wordt geplaatst. De band tussen moeder en pasgeborene bestaat volledig (100%) in KMC, de omhelswarmer en onze Handy couveuse. De mobiliteit van het systeem, die ook in figuur 7(a) wordt geëvalueerd, is het vermogen om het intensive care-systeem te mobiliseren. Een maximumwaarde van 100% werd geassocieerd met de maximaal haalbare mobiliteit, en een nulwaarde van 0% werd geassocieerd met een vaste methode. De maximale prestatie van de systeemmobiliteit werd geassocieerd met KMC, de embrace warmer, en de Handy couveuse.
De therapeutische ondersteuning, geëvalueerd in figuur 7(b), is het contact van de premature zuigeling met de moeder. Een maximumwaarde van 100% werd geassocieerd met de maximale therapeutische steun en behandeling die door het systeem werd gewaarborgd. Een nulwaarde van 0% werd geassocieerd met de minimale therapeutische ondersteuning. De maximale prestatie (100%) van de therapeutische ondersteuning werd geassocieerd met de commerciële en Handy couveuses.
De omgeving, geëvalueerd in figuur 7(b), is de aard van het raakvlak van de methode met de omgeving. Een gesloten omgeving is de totale isolatie van de premature zuigeling, terwijl de open omgeving de isolatie is die de aspiratie van de premature zuigeling uit de omringende omgevingslucht mogelijk maakt. Met name de isolatie die de inademing mogelijk maakt, leverde de hoogste prestaties (100%). De prestatie van het omgevingstype was maximaal bij de stralingsverwarmer, KMC, de omhelzingsverwarmer en de Handy couveuse.
Het ontwerpmodel, dat ook in figuur 7(b) wordt geëvalueerd, is het vermogen om het intensive care systeem te mobiliseren. De maximale prestatie (100%) van het ontwerpmodel werd geassocieerd met KMC, en vervolgens 75% werd geassocieerd met de Handy couveuse.
De kosten (in 1000$) van de Handy couveuse werden weergegeven en vergeleken met de kosten van de commerciële couveuse, transport couveuse, stralingsverwarmer, en omhelzingsverwarmer, en de resultaten zijn weergegeven in figuur 8. Het bereik van de standaardafwijking is te wijten aan de aanwezigheid van verschillende commerciële couveuseontwerpen met verschillende specificaties. De kosten zijn de gemiddelde kosten van deze bestaande couveuses. Zoals uit figuur 8 blijkt, zijn de hoogste kosten van de incubatoren verbonden met de commerciële incubator. Met name de gerapporteerde brutoprijs is afhankelijk van het bedrijf en de accessoires. KMC is kostenloos, en de kosten van zowel de Handy couveuse als de embracewarmer bedragen ongeveer 300$, terwijl de kosten van de commerciële couveuse gemiddeld 32K$ bedragen (het varieert tussen 1K$ en 55K$).
6. Discussie
Er zijn verschillende voordelen verbonden aan de bestaande intensieve zorgmethoden, of het nu gaat om open zorg of gesloten zorg. Hoewel de in de handel verkrijgbare couveuses en vaste, mobiele en transporteerbare couveuses een geschikte temperatuur voor de zuigeling handhaven en de basisparameters bewaken, verschillen zij in gewicht, grootte, kosten en compatibele accessoires . Het grote voordeel van een stralingsverwarmer is de open toegang zorg die het biedt aan premature zuigelingen, die procedures zoals endotracheale intubatie ondersteunt . Dit was in overeenstemming met de 100% omgevingstype prestatie van de stralingsverwarmer die in ons werk werd waargenomen. De totale prestatie was echter 37,5 ± 0,9%, zoals gerapporteerd in tabel 1.
|
|||||||||||||||||||||
KMC is een open zorgtechniek, en een recent overzicht meldde een vermindering van 40% van het risico van sterfte na ontslag . Andere voordelen waren meer borstvoeding, hechting tussen moeder en kind, en ontwikkelingsresultaten . Dit werd weerspiegeld in de 100% prestatie van KMC, bij het bestuderen van de aanwezigheid/afwezigheid van de moeder-baby band. De bovengenoemde bevindingen en de goedkeuring van de WHO voor KMC ondersteunen de goede algemene prestaties van KMC die in onze resultaten zijn waargenomen (75 ± 1,4%). De afwezigheid van de resterende 25% zou te wijten kunnen zijn aan de beperking van het ondergewicht tot 800 g, zoals voorgesteld door Lawn et al.
Incubators worden vrij algemeen gebruikt, de meeste apparaten bestaan uit twee werkingsmodi: de handmatige regeling van de luchttemperatuur, en de automatische regeling van de huidtemperatuur . De meeste apparaten stellen de gebruiker in staat de relatieve vochtigheid te meten en de zuigeling zo nodig van zuurstof te voorzien. Deze feiten waren in overeenstemming met onze bevindingen, waar de commerciële couveuse werd geassocieerd een 100% prestatie in functie-extractie en therapeutische ondersteuning, met een bijna te verwaarlozen standaardafwijking.
Met betrekking tot de handige incubator prototype informatie, Fallon betrokken het gebruik van de cardiopulmonale machine te bewaken en gegevens weer te geven op een LCD-scherm . Als de HR van de zuigeling te traag of te snel wordt, geeft het een alarm . Analoog aan het werk van Fallon, hebben wij onze Handy couveuse geprogrammeerd om een alarm te geven als er een daling is in de functies die worden onttrokken.
Recentelijk hebben wetenschappers in Baby Center een bloeddrukmeter gepubliceerd door een geminiaturiseerde bloeddrukmanchet om het been of de arm van de zuigeling aan te sluiten om de bloeddruk te controleren . Analoog aan hun werk, gebruikten wij een oximetrie en verbonden de geminiaturiseerde bloeddrukmanchet aan het been van de zuigeling.
Onze Handy couveuse kan gemakkelijk door de moeder worden gedragen en is betaalbaar in midden-inkomens- en lage-inkomenslanden. In tegenstelling tot de mOm systeem dat door James et al. die de moeder- zuigeling band en borstvoeding ontbreekt, in ons systeem, kan de zuigeling profiteren van de fysiologische voordeel van borstvoeding van de ene kant, zoals voorzien door KMC en zorgt voor een warme en antibacteriële omgeving van de andere kant.
Our Handy systeem biedt ook de biomedische functie-extractie van de premature HR, temperatuur en SpO2 niveau en geeft ze weer op een LCD, en dit werd weerspiegeld door de 75 ± 1,5% prestaties in figuur 7 (b). De afwezigheid van de ongeveer resterende 25% is te wijten aan het ontbreken van het meten van de vochtigheid.
Notably, overmatig gebruik / onderbenutting van zuurstoftoevoer naar premature zuigelingen kan hen schaden, dus, SpO2 werd gecontroleerd in onze Handy couveuse en werd gehandhaafd tussen 90 en 93% om ziekten te voorkomen. Pulsoximetrie is een voordelige methode om de oxygenatie te controleren, omdat het continu en niet-invasief is.
In geval van nood hebben wij het systeem geprogrammeerd om tijdelijk zuurstof toe te dienen. Wij hebben ook gezorgd voor een kosteneffectieve Handy couveuse in vergelijking met andere intensive care methoden.
Het testen van onze couveuse was noodzakelijk om de kwaliteit van de elektrische, thermische en grafische ontwerp van de couveuse te controleren.
De Handy couveuse zorgt voor een goede therapeutische behandeling, zoals zuurstoftoevoer en warmte. Dit effent de weg voor de arts om de toestand van de premature zuigeling te bewaken door middel van de diagnose van de drie vitale functies die op het LCD-scherm worden weergegeven en in het geheugen worden opgeslagen.
Naast de mooie vorm produceert het systeem geen lawaai tijdens het aanzetten of bewegen, dankzij de afwezigheid van ventilatoren en dankzij de keuze van de bij de fabricage gebruikte materialen.
De algemene prestaties van de KMC (75 ± 1,4%) waren beter dan de omhelzingswarmer (66,7 ± 1,5%) in onze onderzochte specificaties. Onze Handy couveuse overtrof echter alle intensive care methoden, met een totale prestatie van 91,7 ± 1,6% (tabel 1). De Handy couveuse is een gebruikersvriendelijke techniek. Ondanks dat het 3D-printen van onze couveuse tijd kostte, waren de kosten redelijk in vergelijking met dure commerciële couveuses. De Handy couveuses zijn veelbelovend, vooral in midden-inkomenslanden en landen met een laag inkomen.
7. Conclusie en perspectieven
Ons oorspronkelijk onderzoek bestaat uit zowel hardware- als softwarebijdragen. De software uitvoering betrof het programmeren van het processor platform via Arduino. De hardware-uitvoering betrof het 3D-printen van de Handy couveuse en zijn circuit en het aansluiten ervan op Arduino. Onze Handy couveuse is ontworpen om draagbaar, niet zwaar en kosteneffectief te zijn.
Met de vooruitgang van ons nieuwe 3D-geprinte prototype van de Handy couveuse voor premature baby’s, zouden veel levens kunnen worden gered. Door het ontbreken van kosteneffectieve intensive care methoden voor het monitoren van alle vitale functies en het opslaan van gegevens en het ontbreken van een systeem dat door de handen kan worden vastgehouden, zijn wij de uitdaging aangegaan om onze handige en kosteneffectieve couveuse voor premature baby’s te ontwerpen. Ons ontwerp bewaakt de vitale signalen (temperatuur, hartslag, en SpO2) en geeft ze weer. De Handy couveuse zorgt voor borstvoeding en is kosteneffectief. Het geëvalueerde percentage van de prestaties toont aan dat het de bestaande intensive care methoden overtreft.
Ons systeem loste veel van de uitdagingen op, maar toch is er nog een marge voor meer verbetering.
Toekomstige stappen kunnen het volgende omvatten:(i)Het verzamelen van meer gegevens over de infraroodsensor MAX30100 die wij in ons systeem hebben toegewezen om de oximetrie lezing te verbeteren.(ii)Het renderen en bijwerken van de code geleverd door de fabrikant van de sensor die bestaat uit twee LED’s en een fotoreceptor met een microprocessor, met het oog op specifieke pulsbreedte en lichtintensiteit om te voldoen aan de medische criteria. (iii)Het gebruik van Peltier cel (halfgeleider-gebaseerde elektronische component die werkt als een kleine warmtepomp volgens het “Peltier effect”) in plaats van het verwarmingselement.(iv)Wijziging van de elektronische kaart door toevoeging van laadcontrole (maximum power point tracking) om te zoeken naar maximum power point en door te zoeken naar de belastingsweerstand resonantie met de weerstand van de voeding die de maximale efficiëntie van het laden heeft. (v)Ten slotte, verbetering van de software en het verstrekken van een web-server voor telehealth prestatie en onderzoeksdoeleinden.
Gegevensbeschikbaarheid
Omdat wij een nieuwe uitvinding en een origineel toegepast onderzoek op deze nieuwe uitvinding hebben verstrekt, en ons apparaat ook onder een verlengde uitbreiding voor verbetering is, ook vestigen wij een samenwerking met een Biomedical Engineering bedrijf voor de ontwikkeling van ons apparaat, zodat wij de gegevens vertrouwelijk hebben gelaten tot wij deze uitvinding in onze namen registreren.
Conflicts of Interest
Alle auteurs verklaren geen belangenconflicten.
Acknowledgments
De auteurs willen graag Dr. Mohammad Arnaout, Dr. Lara Hamawy, en Miss Alaa Zaylaa bedanken voor hun ondersteunende informatie. Dit project werd gefinancierd door de Libanese Universiteit en het University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, USA.