Abstract
Wcześniaki spotykają się z nagłym porodem przed osiągnięciem pełnej dojrzałości podczas trzeciego trymestru ciąży. Sondaże przewidują wzrost liczby wcześniaków do 2025 roku, szczególnie w krajach o średnim i niskim dochodzie. Pomimo obfitości metod intensywnej opieki nad wcześniakami, takich jak, ale nie tylko, metody komercyjne, transportowe, ogrzewające, promiennikowe i Kangurowanie, są one albo drogie, brakuje im najistotniejszych wymagań lub specyfikacji, albo brakuje im więzi między matką a wcześniakiem. To skłoniło nas do przeprowadzenia tych oryginalnych badań i opracowania innowacyjnego pomysłu na stworzenie prototypu inkubatora dla wcześniaków Handy, wydrukowanego w 3D. Naszym celem jest zapewnienie najbardziej niezbędnej intensywnej opieki przy najniższych kosztach, aby obdarzyć kraje o niskich dochodach opieką inkubatora Handy, zachować więź między matką a wcześniakiem i zmniejszyć wskaźnik śmiertelności. Wykorzystano cechy biomedyczne, elektronikę i materiały biokompatybilne. Projekt został poddany symulacji, prototyp został wydrukowany w 3D, a wyniki zostały przetestowane i ocenione. Wyniki symulacji wykazały najlepsze dopasowanie komponentów inkubatora Handy. Wyniki eksperymentalne pokazały prototyp wydrukowany w 3D i czas, jaki upłynął do jego uzyskania. Wyniki oceny ujawniły, że ogólna wydajność Kangurowej Opieki Matczynej i ogrzewacza uściskowego wynosiła odpowiednio 75 ± 1,4% i 66,7 ± 1,5%, podczas gdy ogólna wydajność naszego inkubatora Handy wynosiła 91,7 ± 1,6%, tym samym nasz ekonomiczny inkubator Handy przewyższył istniejące metody intensywnej opieki. Przyszłym krokiem jest powiązanie inkubatora Handy z większą liczbą specyfikacji i postępów.
1. Wprowadzenie
Przedwczesny poród to nagłe wystąpienie porodu w czasie krótszym niż 37 tydzień ciąży. W trzecim trymestrze ciąży, czyli w 27-40 tygodniu ciąży, kiedy następuje główny etap rozwoju płodu, u noworodka dochodzi do dramatycznej przebudowy układu oddechowego, co umożliwia mu oddychanie po raz pierwszy. Po trzecim trymestrze, płód jest zwykle ustawiony do urodzenia . Zgodnie z danymi epidemiologicznymi Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) na każde 10 noworodków, 1 wcześniak jest uważany za wcześniaka. Piętnaście milionów wcześniaków urodziło się w 2010 roku. Z tych 15 milionów, 1 milion dzieci zmarło z powodu wcześniactwa. Przedwczesne porody stały się pierwszą przyczyną śmiertelności wcześniaków w pierwszym miesiącu życia oraz po urodzeniu. Jest również globalnie w rankingu jako druga przyczyna śmierci dla dzieci, które nie ukończyły 5 lat .
Później, badanie wykazało, że wskaźniki przedwczesnych porodów spadły od 2007 do 2014 roku ze względu na zmniejszoną liczbę urodzeń przez nastolatków i młodych matek . Zgłosili również niewielki wzrost krajowego wskaźnika urodzeń przedwczesnych między 2014 a 2015 rokiem . W prawie wszystkich krajach z wiarygodnymi danymi, wskaźniki przedwczesnych porodów stale rosną. Systematyczna analiza Blencowe et al. wykazała ciągły wzrost wskaźnika przeżywających wcześniaków w większości krajów. Średnie roczne tempo zmian od 2005 do 2010 roku utrzymywało się na poziomie , ale nadal było równoważne ze śmiercią wcześniaka.
W krajach o wysokim dochodzie, prawie wszystkie z tych zgłoszonych wcześniaków przeżywają. W krajach o niskich dochodach, połowa dzieci urodzonych w 32 tygodniu lub mniej umiera z powodu braku realnej, opłacalnej opieki, takiej jak brak ciepła, wsparcia w karmieniu piersią i kontroli infekcji, a także z powodu trudności w oddychaniu.
Niezależnie od przyczyn wcześniactwa, wiele badań koncentruje się na monitorowaniu warunków matczynych i płodowych w celu zmniejszenia i przewidywania objawów, a tym samym uniknięcia przedwczesnych porodów, podczas gdy inne koncentrują się na leczeniu wyniku, czyli wcześniactwa, bezpośrednio zmniejszając śmiertelność .
W celu leczenia wyniku, metody intensywnej opieki istniały, takie jak metody terapeutyczne i urządzenia dostępne na rynku i urządzenia, które są w trakcie badań. Różnią się one w zależności od ich projektu, specyfikacji i wydajności. Obejmują one, ale nie ograniczają się do inkubatorów komercyjnych, inkubatorów przenośnych, ogrzewaczy, ogrzewaczy promiennikowych i metod Kangurowej Opieki Matczynej (KMC). Jednakże, wiele wad było związanych z istniejącymi technikami intensywnej opieki.
Pomimo obecności metod intensywnej opieki, badanie przewidywało, że wskaźnik przeżywających wcześniaków w 2025 roku będzie wynosił . Ponieważ przewidywana śmiertelność wcześniaków w 2025 roku wynosi 91%, postanowiliśmy zająć się tym problemem i opracować prototyp inkubatora dla wcześniaków, aby promować intensywną terapię przy niskich kosztach. Celem naszych badań jest opracowanie i wydrukowanie 3D nowego, poręcznego, przenośnego i taniego inkubatora opartego na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym (LCD), który zapewni intensywną opiekę, szczególnie w krajach o średnich i niskich dochodach. Celem jest sprawienie, aby inkubator Handy był wykonalny i przyjazny dla użytkownika oraz spełniał wymagania zdrowotne wcześniaków. Projekt koncentruje się na wcześniakach urodzonych nagle w trzecim trymestrze ciąży. Główne parametry życiowe, w tym temperatura, częstość akcji serca (HR) oraz poziom tlenu były monitorowane, a zaawansowane materiały biokompatybilne zostały starannie dobrane do leczenia wcześniaków.
Reszta tej pracy jest zorganizowana w następujący sposób. W rozdziale 2, przedstawiamy istniejące metody intensywnej terapii. W rozdziale 3, przedstawiamy materiały inkubatora dla wcześniaków Handy. W rozdziale 4, przedstawiamy prototyp inkubatora Handy dla wcześniaków. W rozdziale 5, przedstawiamy wyniki. W Sekcji 6, omawiamy wyniki, a w Sekcji 7, przedstawiamy ogólne wnioski i przyszłe prace.
2. Istniejące metody intensywnej terapii wcześniaków
Po przeszukaniu PubMed, ScienceDirect i Google scholar, podsumowaliśmy wyniki przeglądu literatury i podzieliliśmy je na dwie kategorie: opieka otwarta i opieka zamknięta.
2.1. Metody opieki zamkniętej
Te metody obejmują inkubatory dla niemowląt dostępne na Oddziale Intensywnej Terapii Noworodków (NICU), system intensywnej opieki, który dostarcza niemowlęciu ciepło, w stabilny sposób, poprzez cyrkulację ogrzanego powietrza nad skórą. Po kilku postępach, inkubator dla niemowląt obejmował kontrolę wilgotności, dostarczanie tlenu i inne akcesoria. Inkubator dla niemowląt może być stały, ruchomy lub przenośny. Jednakże inkubatory nie zapewniają więzi między matką a wcześniakiem i są drogie, szczególnie w krajach o średnich i niskich dochodach. Wywołało to inne badania w celu opracowania przenośnych, tańszych i wykonalnych systemów używanych w domu .
Stały inkubator niemowlęcy powszechnie stosowany w NICU, ze względu na obecność różnych akcesoriów, jest w stanie leczyć każdy przypadek. Inkubator stacjonarny jest postrzegany jako doskonały wybór, ponieważ jest podłączony do zasilania ściennego i zapewnia odpowiednie środowisko dla niemowlęcia. Niemniej jednak, inkubatory stacjonarne są niezwykle drogie i mają tę samą koncepcję wytwarzania ciepła poprzez przepychanie ogrzanego powietrza przez wentylatory. Ta technika wytwarza hałas, który negatywnie wpływa na niemowlę. Mimo, że inkubator rejestruje HRs, używa elektrod, które muszą być podłączone do wcześniaka przez cały czas, co wpływa na delikatną skórę dziecka. Co więcej, brak możliwości karmienia piersią i brak możliwości poruszania się sprawiają, że niemowlęciu bardzo trudno jest przejść z jednego oddziału na drugi, co doprowadziło do wynalezienia inkubatorów mobilnych .
Kubator mobilny jest zmodyfikowanym inkubatorem stacjonarnym, który pełni taką samą funkcję jak inkubator stacjonarny. Inkubatory mobilne mają dodatkowe koła, mogą być transportowane wewnątrz szpitala, tylko, i wymagają dodatkowych narzędzi do zasilania systemu z energii elektrycznej i tlenu . Inkubatory te mają takie same wady jak inkubatory stacjonarne. Chociaż inkubatory mobilne są świetnym rozwiązaniem, gdy niemowlę musi być transportowane wewnątrz szpitala, są one niepraktyczne, gdy niemowlę musi być transportowane poza szpital. W tym celu pojawiły się inkubatory transportowe .
Inkubatory transportowe są niewielkich rozmiarów przenośnymi inkubatorami, które mogą transportować niemowlę za pomocą samochodu lub samolotu. Pomimo faktu, że inkubatory transportowe są jedyną opcją transportu wcześniaków na zewnątrz, inkubatory transportowe mają kilka wad, takich jak bardzo wysoki koszt i ciężar, awaria termostatu i ryzyko porażenia prądem elektrycznym .
2.2. Otwarte metody opieki
KMC jest rozwiązaniem dla wad inkubatorów dla wcześniaków, które prowadzą do wysokiego wskaźnika zachorowań i śmiertelności wcześniaków w szpitalach. Zapewnia ciepło i karmienie piersią przez kontakt niemowlę-matka skóra. Ta więź/kontakt zapewnia stabilność temperatury wcześniaka. Mimo, że KMC jest w stanie zmniejszyć zachorowalność wcześniaków w porównaniu z konwencjonalnymi inkubatorami, to nadal jest ograniczone przez różne czynniki. KMC nie jest w stanie monitorować temperatury noworodka, HR, poziomu tlenu i wilgotności, co naraża noworodka na ryzyko niestabilności i szkodliwości. KMC wymaga wykwalifikowanych zasobów ludzkich, takich jak pielęgniarki, które zwiększają złożoność intensywnej terapii.
Inną otwartą metodą intensywnej terapii jest ogrzewacz promiennikowy, który działa zgodnie z prawami promieniowania cieplnego. Urządzenie to zapewnia wcześniakowi niezbędną energię promienistą jako proces alternatywny dla konwencjonalnego ogrzewania konwekcyjnego. Ogrzewacz promiennikowy składa się z łóżka, napowietrznej jednostki grzewczej oraz czujnika temperatury. Ogrzewacze promiennikowe cierpią z powodu drastycznego wzrostu utraty ciepła z powodu parowania.
Ogrzewacze uściskowe składają się z trzech części, tj. szacowanego śpiwora dla niemowląt lub interfejsu niemowlęcego, przedziału z materiału zmiennofazowego oraz ogrzewacza, są doskonałym rozwiązaniem do regulacji temperatury ciała wcześniaka. Tymczasem ogrzewacze obejmujące nie zapewniają żadnego monitorowania podstawowych parametrów niemowlęcia i nie posiadają alarmów awaryjnych. Wymagają również ciągłej zmiany faz, co powoduje wahania temperatury ciała wcześniaka i pomija jakiekolwiek wsparcie terapeutyczne.
Wszystkie wyżej wymienione problemy skłoniły nas do opracowania nowego inkubatora Handy dla wcześniaków.
3. Materiały inkubatora dla wcześniaków Handy
Nowy inkubator Handy wymagał kilku materiałów i narzędzi ze względu na różnorodny wkład, który był w niego wbudowany.
W trzecim trymestrze, płód jest prawie uformowany i gotowy do narodzin. W związku z tym, średnia wielkość, waga, wzrost, obwody głowy i brzucha wcześniaka zostały starannie dobrane. W szczególności, podczas ostatnich trzech miesięcy ciąży, mózg niemowlęcia nadal się rozszerza, więc obwód głowy zwiększa się z około 11 cali (28 cm) do 15 cali (38 cm). Równocześnie całkowita długość ciała płodu wzrasta mniej więcej z 15 cali (38 cm) do 19 cali (48 cm). Średnia waga płodu wzrasta z 3 lb (1,4 kg) do 7,5 lb (3,4 kg) .
3.1. Komponenty elektryczne i elektroniczne
Inkubator Handy wymagał mikrokontrolera ATmega328 do uruchamiania i przechowywania danych.
Arduino Micro został użyty do wspomagania mikrokontrolera, ponieważ mikrokontroler wymagał przytłaczającej ilości obwodów konfiguracyjnych i języka montażowego. Arduino Micro wspomaga mikrokontroler za pomocą regulatorów, z ramą darmowych bibliotek i innych. Ramy zapewniają łatwiejsze programowanie i pozwalają uniknąć straty czasu na niskopoziomowy język programowania i rejestrowanie adresów .
Użyty Atmega328 został przylutowany z przyciskiem do resetowania, kilkoma diodami LED do pokazywania przejścia i odbioru danych oraz pinami oznaczonymi odpowiednimi pinami. Jego tylna część pozwala na komunikację z USB i regulatorem Integrated Chip (IC), aby zapewnić stabilne napięcie dla ATmega328.
Użyto również oksymetr MAX30100. Jest to czujnik optyczny, który przenosi zintegrowany pulsoksymetr i czujnik HR firmy Maxim. Regulator, termometr i microBUSinter-integrated communication (I2C) IC zostały zaimplementowane z tyłu, aby zapewnić zasilanie 3,3 V, mierzyć temperaturę i zapewnić komunikację szeregową.
Użyto baterii wielokrotnego ładowania UltraFire (18,650 Li-ion 3.7 V o pojemności 9800 mAh). Odnosząc się do (1), zmagazynowana energia wynosiła 36,26 Wh. W ten sposób, zestaw 4 baterii został użyty do osiągnięcia 9800 mAh, zwiększenia napięcia do 15 V i uzyskania zmagazynowanej energii 147 Wh.
3.2. Biokompatybilne materiały i drukarka 3D
Trzy główne biokompatybilne materiały zostały wykorzystane w naszym inkubatorze Handy: silnylon, arkusze mylarowe i tkanina bambusowa. Silnylon został użyty jako warstwa zewnętrzna ze względu na jego ultralekką wagę, wiatroszczelność i zdolność do izolowania systemu i niemowlęcia od środowiska zewnętrznego. Arkusz mylarowy został użyty ze względu na jego wysoką wytrzymałość na rozciąganie, stabilność chemiczną i wymiarową, przezroczystość, odblaskowość, właściwości barierowe dla gazów i zapachów oraz izolację elektryczną. Tkanina bambusowa została użyta ze względu na jej właściwości antybakteryjne, gładkość, właściwości oddychające i dużą absorpcję wody. Drukarka 3D ZONESTAR została użyta do stworzenia naszego inkubatora Handy ze względu na jej kilka parametrów:(i)Materiały konstrukcyjne ramy, w tym prędkość drukowania (40-100 mm/s), maksymalny rozmiar wydruku (220 × 220 × 220 mm) i rozmiar dyszy (0,4 mm).(ii)Nośniki materiałów do drukowania: kwas polimlekowy (PLA) i inne, o średnicy obejmującej dokładność pozycjonowania w X i Y (0,01 mm) oraz w Z (0,00025 mm).(iii)Moc gorącego łoża: 12 V, 140 W.(iv)Oprogramowanie do drukowania: Cura, Repetier-Host Kisslicer, etc.; system operacyjny kompatybilny z Windows, Linux i Mac.(v)Temperatura topnienia: 157-170°C; wytrzymałość na rozciąganie: 61-66 MPa; wytrzymałość na zginanie: 48-110 MPa.
Co więcej, kolejną zaletą drukarki 3D ZONESTAR jest fakt, że jest ona oparta na drukarce Fused Deposition Modeling (FDM), która jest powszechna i opłacalna, a także zapewnia niestandardową geometrię i wyższą wydajność .
3.3. Komponenty wymiany ciepła
Dwa główne komponenty wymiany ciepła zostały wbudowane w nasz inkubator Handy: grzałka nabojowa i gorące/zimne pakiety. Grzałka kasetowa była pierwszym źródłem energii cieplnej, która przekształca energię elektryczną przechowywaną w bateriach w energię cieplną, która jest następnie przechowywana i przekazywana niemowlęciu. Grzałki patronowe wykonane są ze stali nierdzewnej i zasilane napięciem 12 V DC o mocy 40 W. Sonda grzewcza ma kształt cylindryczny o średnicy 6 mm i długości 20 mm. Tak mała sonda została wybrana, aby zapewnić, że cała energia cieplna jest przekazywana do worka żelowego. Drugim komponentem było gorące/zimne opakowanie, które jest chemicznym woskiem, który zachowuje energię cieplną i przekazuje ją do pacjenta poprzez przewodnictwo.
4. Prototyp inkubatora wcześniaków Handy
Podano nowatorskie kroki w celu uzyskania prototypu inkubatora Handy oraz kroki testowania.
4.1. Kroki implementacji prototypu
Kroki podzielone są na dwie główne części: kroki rzeczywistego i symulowanego prototypu oraz kroki testowania rzeczywistego prototypu. Schemat blokowy pokazany na Rysunku 1 przedstawia kroki rzeczywistego prototypu naszego inkubatora. Po umieszczeniu wcześniaka w nowatorskim inkubatorze, trzy parametry życiowe, HR, temperatura i SpO2, były stale monitorowane (diagnozowane) przez mikrokontroler. Monitorowane parametry były następnie wyświetlane na wyświetlaczu LCD inkubatora Handy. Dodatkowo, źródłem zasilania systemu był system BMS (Battery Management System).
Przy każdym spadku poza normalny zakres albo poziomu tlenu albo temperatury wcześniaka, włącza się brzęczyk w celu interwencji awaryjnej (terapii), takiej jak uwolnienie tlenu lub włączenie grzałek. System ten jest wspierany przez BMS, który zapewnia mobilność naszego nowatorskiego inkubatora. Etapy symulacji rozpoczynają się od narysowania, za pomocą programu AutoCAD, wszystkich wymaganych części obecnych na schemacie blokowym na rysunku 1, zgodnie z wyżej wymienionymi rozmiarami i wagą wcześniaka. Schemat blokowy przedstawia plan dla pożądanego kompaktowego inkubatora, który zapewnia karmienie piersią i może być trzymany w ręku (Handy).
Podążając za krokami symulacji, rzeczywiste kroki prototypu mogą być odtworzone w następujący sposób:(i)Zaprogramuj mikrokontroler do komunikacji z czujnikami i innymi częściami.(ii)Zintegruj MAX30100, aby zapewnić odczyt z nogi wcześniaka.(iii)Monitoruj HR i SpO2 cechy biologiczne nieinwazyjnie przez MAX30100. MAX30100 mierzy absorpcję dwóch różnych długości fal światła i mierzy absorbcję pulsującej krwi poprzez pomiar czerwonych i podczerwonych fal odbitych od hemoglobiny (HbO2) i deoksyhemoglobiny (Hb). Różne intensywności wynikają z ich różnych współczynników absorpcji.(iv)Mierz temperaturę za pomocą MAX30100, ponieważ zawiera on wbudowany czujnik temperatury na swoim chipie.(v)Przetwarzaj sygnał przez niskoszumowy analogowy procesor sygnału.(vi)Wybierz rozmiar nowego prototypu, aby był zgodny z rozmiarem niemowlęcia w trzecim trymestrze ciąży. HR zostało obliczone poprzez obliczenie liczby uderzeń na minutę (bpm). Serce pompuje krew poprzez pulsowanie, co prowadzi do wysokiej intensywności komórek na czole każdego impulsu, a następnie impuls jest wykrywany przez wykrycie wysokiej liczby komórek. Wysoka intensywność w głowie impulsu prowadzi do wysokiego odbicia, które zmniejsza się wraz ze spadkiem intensywności tworząc impulsy.
Te impulsy mogą być złapane przez ustanowienie progu, a gdy światło podczerwone (sygnał odbity) przekracza ten próg, bicie jest liczone. Zostało to przetestowane w laboratorium na normalnym człowieku.
Grzejniki zostały przetestowane na wodzie, a czujniki temperatury zostały przetestowane na podgrzanej i schłodzonej wodzie. Na koniec sprawdzono pojemność baterii za pomocą woltomierza.
5. Wyniki
5.1. Results of Handy Preterm Infant Incubator
Po zastosowaniu wszystkich kroków implementacji w sekcji 3, przedstawiamy symulowane i wydrukowane w 3D (rzeczywiste) wyniki prototypu naszego inkubatora Handy, oprócz wyników testów i oceny.
5.1.1. Symulowany prototyp
Symulowany prototyp rzeczywistych wymiarów inkubatora Handy jest pokazany na Rysunku 2(a) z widoku z boku i Rysunku 2(b) z widoku z góry (w centymetrach). Plastikowa osłona, opakowanie z żelem i niemowlę są oznaczone odpowiednio kolorem zielonym, czerwonym i żółtym. Całkowita długość inkubatora Handy wynosi 61,23 cm, a długość pudełka 8 cm (wliczając 61,23 cm). Grubość plastikowej osłony wynosi 0,50 cm, a warstwy mylarowa i bambusowa mają po 0,55 mm. Grubość opakowania żelowego wynosi 2 cm. Kolory niebieski, zielony, czerwony i żółty na rysunku 2(b) reprezentują odpowiednio warstwę zewnętrzną, plastikową osłonę, opakowanie żelowe i niemowlę. Warstwa zewnętrzna otacza niemowlę; tym samym zawiera ona halę o promieniu 10 cm i trzy małe prostokąty. Celem holu było zapewnienie niemowlęciu przestrzeni do wdychania tlenu z otoczenia i zapewnienia karmienia piersią. Trzy małe prostokątne tkaniny zostały użyte do przytrzymania dwóch końców tkaniny.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Zamknięta symulacja inkubatora Handy jest przedstawiona na rysunku 2(c), gdzie niemowlę (pokolorowane na żółto) jest umieszczone wewnątrz i otoczone zewnętrzną warstwą (pokolorowaną na niebiesko). Zielony prostokąt i cztery okręgi na górze pudełka to wyświetlacze LCD i przyciski. Rysunek 2(d) pokazuje ogólny rozmiar symulowanego inkubatora Handy, podczas gdy matka trzyma go w rękach.
Nowa symulowana część bazowa inkubatora jest pokazana na rysunku 3(a), a etykieta pudełka jest pokazana na rysunku 3(b). Czerwona przestrzeń reprezentuje miejsce, w którym jest zamocowana płytka PCB. Niebieska część reprezentuje uchwyt na baterie; uchwyt na baterie może wytrzymać do ośmiu baterii. Ponadto, pudełko zawiera dwa duże otwory do zamocowania butli z tlenem, otwór do zalania źródła zasilania oraz przełącznik ON/OFF, jak również uchwyt przekładni, który mocuje przekładnię na swoim miejscu za pomocą śrub. Rysunek 3(b) przedstawia symulację wszystkich części wymaganych do utworzenia naszego nowatorskiego inkubatora. Plastikowa osłona tworzy szkielet naszego podręcznego inkubatora (jej całkowita długość wynosi około 62 cm). Plastikowa osłona została rozłożona na cztery części połączone za pomocą śrub i nakrętek. Rysunek 3(c) przedstawia symulację urządzenia grzewczego, czerwony obiekt to opakowanie reprezentujące worki z żelem, a niebieski obiekt to tkanina otaczająca wcześniaka. Pakiet żelowy składa się z 5 worków; każdy worek składa się z żelu, oprócz grzejnika i termometru do kontrolowania wytwarzanego ciepła.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Część uwalniająca tlen (pokazana na rysunku 3(d)) została zasymulowana tak, aby znajdowała się nad twarzą niemowlęcia, za pomocą zaworu mechanicznego przypominającego rurkę, silnika krokowego z przekładnią i butli z tlenem. Źródło tlenu jest pokolorowane na brązowo, a butla z tlenem została zasymulowana wewnątrz pudełka. Warto zauważyć, że rurki do przesyłania tlenu są osadzone wewnątrz plastikowej osłony, aby uniknąć zderzenia z zewnętrznym obciążeniem mechanicznym.
5.1.2. Wstępny prototyp wydrukowany w 3D
Drukowanie 3D było drugim krokiem w kierunku uzyskania rzeczywistych części prototypu. Pliki AutoCAD zostały zaimportowane do drukarki 3D za pomocą karty pamięci w celu wydrukowania części. Model i czas trwania drukowania przedstawiono na rysunku 4. Wioska zajęła 20 godzin. Etykieta pudełka zajęła 17 godzin 40 minut, pokrywa pudełka 20 godzin, a dwie tarcze 20 godzin. Całkowity czas potrzebny na wydrukowanie wszystkich części wyniósł 66 godzin 40 minut.
Szycie warstw tkaniny, montaż i obwody są zilustrowane na rysunkach 5(a) i 5(b).
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Proces PCB jest przedstawiony na rysunku 5(a), od dolnej i górnej warstwy, które zostały wydrukowane, źródła światła UV, do płytki PCB po umyciu jej wodą. Etapy szycia są pokazane na Rysunku 5(b). Przedstawia on klejenie mylaru z tekturą, wynik klejenia silnylonu z mylarem i kartonem, sposób mocowania uzyskanej tkaniny do inkubatora Handy, oraz tkaninę bambusową, która jest utrzymywana na wierzchu opakowań żelowych, gdzie niemowlę leży w otwartym inkubatorze Handy. Rysunek 5(c) przedstawia konfigurację laboratoryjną wykorzystywaną do testowania komponentów systemu ogrzewania.
Ogólny rzeczywisty prototyp inkubatora Handy jest przedstawiony na Rysunku 6 (forma zamknięta). Niebieski kolor tkaniny jest kolorem silnylonu, który stanowi warstwę zewnętrzną. Na granicach tkaniny otaczającej niemowlę znajdują się przywieszki, które zapewniają łatwe otwieranie i zamykanie systemu. Również tkanina bambusowa jest przymocowana do tkaniny otaczającej niemowlę za pomocą przywieszek; dzięki temu tkanina bambusowa może być łatwo zdjęta, wyczyszczona i ponownie zainstalowana.
5.2. Wyniki testów inkubatora wcześniaków Handy
Po przedstawieniu obu części sprzętowych podręcznego inkubatora wcześniaków, przedstawiamy procesy testowania i debugowania: (i) wyniki testów elektrycznych dla baterii, które są przeznaczone do zasilania systemu, (ii) uwolnioną energię cieplną i system ogrzewania, oraz (iii) testy w podczerwieni. Również, ocena i zarządzanie specyfikacją i kosztem inkubatora wcześniaków Handy są dostarczone i porównane z istniejącymi metodami intensywnej opieki.
Elektryczne testowanie pojemności baterii było uzyskane przez pełne naładowanie baterii (aż napięcie baterii osiągnęło 4.2 V), wytwarzając prosty obwód, który wymaga określonego prądu (zwanego prądem testowym) i mierząc czas potrzebny do całkowitego rozładowania (aż napięcie akumulatora osiągnie 2,5 V), co stanowiło pojemność.
Test został powtórzony na UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V z prądami testowymi , a uzyskane wyniki wynosiły odpowiednio 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955 i 0,626, a pojemność nie była wystarczająca. W tym celu użyliśmy dwóch zestawów baterii szeregowych połączonych równolegle zamiast jednego zestawu, aby uzyskać energię 23,855 kJ. Energia ta była zdolna do jednorazowego ogrzania systemu i może utrzymać ciepło przez około 16 godzin.
Wyniki zarówno systemu ogrzewania wbudowanego w inkubator Handy, jak i badania energii cieplnej zostały przedstawione w naszej poprzedniej publikacji .
W odniesieniu do izolacji, tkanina inkubatora i biokompatybilne materiały zapewniły dobrą izolację.
Testy w podczerwieni obejmowały MAX30100, a wyniki zostały porównane z wynikami czujników oksymetrycznych stosowanych w telefonach komórkowych, specjalistycznym sprzętem medycznym do monitorowania SpO2 oraz HR przy użyciu czujników oksymetrycznych. Wyniki MAX30100 były wiarygodne i bliższe sprzętowi medycznemu niż czujnikowi mobilnemu.
5.3. Ocena inkubatora Handy w porównaniu z metodami intensywnej terapii wcześniaków
Ocena inkubatora Handy obejmowała porównanie go z innymi metodami intensywnej terapii. Trzy wykresy słupkowe kilku kluczowych czynników z odchyleniami standardowymi nałożonymi na wykresy słupkowe są pokazane na Rysunkach 7 i 8. Te specyfikacje to cena, środowisko, pomiary, więź z matką, prototyp, mobilność i inne czynniki. Każda specyfikacja była związana z kolorem w każdym wykresie słupkowym, od jasnozielonego do ciemnozielonego koloru.
(a)
(b)
(a)
(b)
Nasz inkubator Handy został porównany z inkubatorem komercyjnym, inkubatorem transportowym, ogrzewaczem promiennikowym, KMC i ogrzewaczem obejmującym, a wyniki przedstawiono na Rysunku 7. Zmienność rodzaju monitorowanych cech lub zarejestrowanych pomiarów, na przykład, jest przedstawiona za pomocą wykresu słupkowego na Rysunku 7(a) w odniesieniu do metod intensywnej opieki. Zmienność więzi między matką a wcześniakiem oraz zmienność specyfikacji mobilności lub mobilności systemu w stosunku do metod intensywnej opieki są również przedstawione w raporcie. Zmienność wsparcia terapeutycznego, typu środowiska systemu i modelu projektowego została oceniona i porównana z metodami intensywnej opieki na Rysunku 7(b).
Monitorowane cechy, ocenione na Rysunku 7(a), są znakami życiowymi, które każda metoda może zmierzyć. Maksymalna wartość 100% była związana z maksymalną liczbą wyekstrahowanych cech, a wartość zerowa 0% była związana z brakiem jakiejkolwiek mierzonej cechy przez system. Największa liczba (100%) wyekstrahowanych cech, w tym SpO2, wilgotność, HR i temperatura, była monitorowana zarówno przy użyciu inkubatorów komercyjnych, jak i transportowych. Ponadto, 75% wyekstrahowanych cech, w tym SpO2, HR i temperatura, zostało wyekstrahowanych przez inkubator Handy, a w pozostałych przypadkach wartość zerowa.
Więź między matką a wcześniakiem, oceniana na Rysunku 7(a), to kontakt wcześniaka z matką. Maksymalna wartość 100% (z małym odchyleniem standardowym) była związana z maksymalnym kontaktem matki z wcześniakiem zapewnionym przez system. Wartość zerowa 0% była związana z brakiem jakiegokolwiek kontaktu pomiędzy noworodkiem a matką, czyli kiedy noworodek jest umieszczony w całkowicie zamkniętym inkubatorze na oddziale NICU. Więź między matką a wcześniakiem istnieje w pełni (100%) w inkubatorze KMC, ogrzewaczu uściskowym i inkubatorze Handy. Jest ona całkowicie nieobecna w inkubatorach komercyjnych i transportowych.
Mobilność systemu, oceniana również na rycinie 7(a), jest zdolnością mobilizacji systemu intensywnej terapii. Maksymalna wartość 100% była związana z maksymalną możliwą do wykonania mobilnością, a wartość zerowa 0% była związana z metodą stałą. Maksymalne wyniki mobilności systemu były związane z KMC, ogrzewaczem uszu i inkubatorem Handy.
Wsparcie terapeutyczne, oceniane na rycinie 7(b), to kontakt wcześniaka z matką. Maksymalna wartość 100% była związana z maksymalnym wsparciem terapeutycznym i leczeniem zapewnionym przez system. Wartość zerowa 0% była związana z minimalnym wsparciem terapeutycznym. Maksymalna wydajność (100%) wsparcia terapeutycznego była związana z inkubatorami komercyjnymi i Handy.
Środowisko, oceniane na rysunku 7(b), to charakter interfejsu metody z otoczeniem. Środowisko zamknięte to całkowita izolacja wcześniaka, podczas gdy środowisko otwarte to izolacja pozwalająca na odsysanie wcześniaka z otaczającego go powietrza. Warto zauważyć, że izolacja pozwalająca na inhalację była związana z najwyższą wydajnością (100%). Wydajność typu środowiska była maksymalna w ogrzewaczu promiennikowym, KMC, ogrzewaczu obejmującym i inkubatorze Handy.
Modelem projektowym, ocenionym również na Rysunku 7(b), jest zdolność do mobilizacji systemu intensywnej terapii. Maksymalna wydajność (100%) modelu projektowego była związana z KMC, a następnie 75% było związane z inkubatorem Handy.
Koszt (w 1000$) inkubatora Handy został przedstawiony i porównany z kosztem inkubatora komercyjnego, inkubatora transportowego, ogrzewacza promiennikowego i ogrzewacza obejmującego, a wyniki przedstawiono na Rysunku 8. Zakres odchylenia standardowego jest spowodowany obecnością różnych konstrukcji inkubatorów komercyjnych o różnych specyfikacjach. Koszt jest średnim kosztem tych istniejących inkubatorów. Jak pokazano na rys. 8, najwyższy koszt inkubatora jest związany z inkubatorem komercyjnym. Należy zauważyć, że podana cena brutto zależy od firmy i akcesoriów. KMC jest bezkosztowy, a koszt inkubatora Handy i podgrzewacza do uszu wynosi około 300 $, podczas gdy koszt inkubatora komercyjnego wynosi średnio 32 tys. $ (waha się między 1 tys. $ a 55 tys. $).
6. Dyskusja
Różne zalety wiążą się z istniejącymi metodami intensywnej terapii, zarówno w przypadku opieki otwartej, jak i zamkniętej. Chociaż komercyjne inkubatory dla niemowląt oraz inkubatory stacjonarne, mobilne i przenośne zachowują odpowiednią temperaturę dla niemowlęcia i monitorują podstawowe parametry, różnią się one wagą, rozmiarem, kosztem i kompatybilnymi akcesoriami. Główną zaletą ogrzewacza promiennikowego jest otwarty dostęp do opieki nad wcześniakami, który wspomaga procedury takie jak intubacja dotchawicza. Jest to zgodne z wynikami 100% pomiarów środowiskowych promiennika zaobserwowanymi w naszej pracy. Jednakże ogólna wydajność wyniosła 37,5 ± 0,9%, jak podano w Tabeli 1.
|
||||||||||||||||||||
KMC jest techniką opieki otwartej, a ostatni przegląd wykazał zmniejszenie ryzyka śmiertelności po wypisie o 40%. Inne korzyści obejmowały zwiększone karmienie piersią, wiązanie matki z dzieckiem i wyniki rozwojowe. Znalazło to odzwierciedlenie w 100% wynikach KMC, podczas badania obecności/braku więzi między matką a dzieckiem. Powyższe wyniki oraz poparcie WHO dla KMC potwierdzają dobry ogólny wynik KMC zaobserwowany w naszych badaniach (75 ± 1,4%). Brak pozostałych 25% może być spowodowany ograniczeniem dolnej wagi do 800 g, jak sugerował Lawn et al. Inkubatory są raczej szeroko stosowane, większość jednostek składa się z dwóch trybów pracy: ręcznej kontroli temperatury powietrza i automatycznej kontroli temperatury skóry. Większość urządzeń pozwala użytkownikowi na pomiar wilgotności względnej i w razie potrzeby zapewnia wsparcie tlenowe dla niemowlęcia. Fakty te były zgodne z naszymi ustaleniami, gdzie inkubator komercyjny był związany z 100% wydajnością w ekstrakcji funkcji i wsparcia terapeutycznego, z prawie pomijalnym odchyleniem standardowym.
Odnosząc się do informacji o prototypie podręcznego inkubatora, Fallon wiązał się z wykorzystaniem maszyny krążeniowo-oddechowej do monitorowania i wyświetlania danych na ekranie LCD. Jeśli HR niemowlęcia staje się zbyt wolne lub zbyt szybkie, daje alarm . Analogicznie do pracy Fallon, zaprogramowaliśmy nasz inkubator Handy, aby dać alarm, gdy jest spadek cech wyodrębnionych.
Ostatnio, naukowcy w Baby Center opublikował monitor ciśnienia krwi poprzez podłączenie zminiaturyzowanego mankietu ciśnienia krwi wokół nogi lub ramienia niemowlęcia w celu monitorowania ciśnienia krwi . Analogicznie do ich pracy, użyliśmy oksymetrii i podłączyliśmy zminiaturyzowany mankiet ciśnienia krwi do nogi niemowlęcia.
Nasz inkubator Handy może być łatwo przenoszony przez matkę i przystępny cenowo w krajach o średnim i niskim dochodzie. W przeciwieństwie do systemu mOm dostarczonego przez Jamesa et al., w którym brakuje więzi matka-niemowlę i karmienia piersią, w naszym systemie niemowlę może korzystać z fizjologicznej korzyści karmienia piersią z jednej strony, jak zapewnia KMC i zapewnia ciepłe i antybakteryjne środowisko z drugiej strony.
Nasz system Handy zapewnia również ekstrakcję cech biomedycznych przedwczesnego HR, temperatury i poziomu SpO2 oraz wyświetla je na ekranie LCD, co zostało odzwierciedlone przez 75 ± 1,5% wydajności na Rysunku 7(b). Brak około pozostałych 25% jest spowodowany brakiem pomiaru wilgotności.
Niestety, nadużywanie/niedostarczanie tlenu wcześniakom może im zaszkodzić; dlatego SpO2 było monitorowane w naszym inkubatorze Handy i było utrzymywane pomiędzy 90 a 93%, aby uniknąć chorób. Pulsoksymetria jest korzystną metodą monitorowania natlenienia, ponieważ jest ciągła i nieinwazyjna .
W nagłych przypadkach, zaprogramowaliśmy system, aby zapewnić tymczasowe zaopatrzenie w tlen. Upewniliśmy się również, że inkubator Handy jest opłacalny w porównaniu z innymi metodami intensywnej terapii .
Testowanie naszego inkubatora było konieczne, aby kontrolować jakość elektryczną, termiczną i graficzną inkubatora.
Inkubator Handy zapewnia dobrą terapię, taką jak dostarczanie tlenu i ciepła. To toruje drogę lekarzowi do monitorowania stanu wcześniaka poprzez diagnozowanie trzech parametrów życiowych wyświetlanych na wyświetlaczu LCD i zapisywanie ich w pamięci.
Oprócz ładnego kształtu, system nie wytwarza żadnego hałasu podczas włączania i przesuwania, ze względu na brak wentylatorów i ze względu na wybór materiałów użytych do produkcji.
Ogólna wydajność KMC (75 ± 1,4%) była lepsza niż ogrzewacz uściskowy (66,7 ± 1,5%) w naszych badanych specyfikacjach. Jednakże, nasz inkubator Handy przewyższył wszystkie metody intensywnej terapii, z ogólną wydajnością 91,7 ± 1,6% (Tabela 1). Inkubator Handy jest techniką przyjazną dla użytkownika. Pomimo, że druk 3D naszego inkubatora był czasochłonny, jego koszt był rozsądny w porównaniu do drogich inkubatorów komercyjnych. W związku z tym, inkubatory Handy są obiecujące, szczególnie w krajach o średnich i niskich dochodach.
7. Wnioski i perspektywy
Nasze oryginalne badania składają się zarówno z wkładu sprzętowego, jak i programowego. Implementacja oprogramowania obejmowała programowanie platformy procesora za pomocą Arduino. Wykonanie sprzętowe obejmowało drukowanie 3D inkubatora Handy i jego obwodu oraz podłączenie ich do Arduino. Nasz inkubator Handy został zaprojektowany tak, aby był przenośny, nie ciężki i ekonomiczny.
Dzięki postępowi naszego nowatorskiego prototypu drukowanego 3D inkubatora Handy dla wcześniaków, wiele istnień ludzkich może zostać uratowanych. Ze względu na brak opłacalnych metod intensywnej opieki medycznej do monitorowania wszystkich parametrów życiowych i zapisywania danych oraz brak systemu, który można trzymać w ręku, podjęliśmy wyzwanie zaprojektowania naszego poręcznego i opłacalnego inkubatora dla wcześniaków. Nasz projekt monitoruje sygnały życiowe (temperatura, HR, i SpO2) i wyświetla je. Poręczny inkubator zapewnia karmienie piersią i jest ekonomiczny. Oceniony procent wydajności pokazuje, że przewyższa on istniejące metody intensywnej opieki.
Nasz system rozwiązał wiele z wyzwań, ale nadal istnieje margines na więcej ulepszeń.
Przyszłe kroki mogą obejmować następujące:(i)Zebranie większej ilości danych na temat czujnika podczerwieni MAX30100, który przypisaliśmy w naszym systemie, aby poprawić odczyt oksymetrii.(ii)Rendering i aktualizacja kodu dostarczonego przez producenta czujnika, który składa się z dwóch diod LED i fotoreceptora z mikroprocesorem, w celu zapewnienia określonej szerokości impulsu i intensywności światła, aby spełnić kryteria medyczne. (iii)Użycie ogniwa Peltiera (półprzewodnikowy element elektroniczny, który działa jak mała pompa ciepła zgodnie z „efektem Peltiera”) zamiast grzałki.(iv)Modyfikacja płyty elektronicznej poprzez dodanie kontroli ładowania (śledzenie punktu maksymalnej mocy) w celu wyszukiwania punktu maksymalnej mocy oraz poprzez wyszukiwanie rezonansu rezystancji obciążenia z rezystancją zasilania, która ma maksymalną wydajność ładowania. (v)Wreszcie, udoskonalenie oprogramowania i zapewnienie serwera internetowego do celów osiągnięć i badań w zakresie telezdrowia.
Dostępność danych
Jako, że dostarczyliśmy nowy wynalazek i oryginalne badania stosowane na tym nowym wynalazku, a nasze urządzenie jest również w przedłużonym przedłużeniu dla ulepszenia, również nawiązujemy współpracę z firmą Inżynierii Biomedycznej dla rozwoju naszego urządzenia, więc pozostawiliśmy dane poufne do czasu zarejestrowania tego wynalazku na nasze nazwiska.
Konflikty interesów
Wszyscy autorzy deklarują brak konfliktów interesów.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować Dr. Mohammad Arnaout, Dr. Lara Hamawy, i Miss Alaa Zaylaa za ich wspierające informacje. Ten projekt był finansowany przez Uniwersytet Libański i University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, USA.
.