Abstract
Lactentes prematuros encontram um parto abrupto antes da sua maturidade completa durante o terceiro trimestre de gravidez. As pesquisas antecipam um aumento nas taxas de bebês prematuros para 2025, especialmente em países de média e baixa renda. Apesar da abundância de métodos de cuidados intensivos para bebés pré-termo, tais como, mas não limitados a, métodos comerciais, de transporte, mais quentes, radiantes e de Cuidados Maternais Canguru, ou são caros, não têm os requisitos ou especificações mais essenciais, ou carecem do vínculo materno-pre-termo. Isso nos levou a levar esta pesquisa original e a idéia inovadora de desenvolver um novo protótipo impresso em 3D de uma incubadora de bebês prematuros Handy. O nosso objectivo é proporcionar os cuidados intensivos mais indispensáveis com o menor custo possível, para dar aos países de baixa renda os cuidados da incubadora Handy, preservar o vínculo materno – prematuro e diminuir a taxa de mortalidade. Foram utilizadas características biomédicas, eletrônica e materiais biocompatíveis. O desenho foi simulado, o protótipo foi impresso em 3D, e os resultados foram testados e avaliados. Os resultados das simulações mostraram o melhor ajuste para os componentes da incubadora Handy. Os resultados experimentais mostraram o protótipo impresso em 3D e o tempo decorrido para a sua obtenção. Os resultados da avaliação revelaram que o desempenho geral da Kangaroo Mother Care e do aquecedor de abraços foi de 75 ± 1,4% e 66,7 ± 1,5%, respectivamente, enquanto o desempenho geral da nossa incubadora Handy foi de 91,7 ± 1,6%, superando assim a nossa incubadora Handy com boa relação custo-benefício em relação aos métodos de terapia intensiva existentes. O passo futuro é associar a incubadora Handy a mais especificações e avanços.
1. Introdução
Parto prematuro é a ocorrência abrupta do nascimento com menos de 37 semanas de gravidez. Durante o terceiro trimestre, ou seja, 27-40 semanas de gravidez, quando ocorre a fase principal do desenvolvimento fetal, o bebê é submetido a uma transfusão dramática no sistema respiratório que lhe permite respirar pela primeira vez. Após o terceiro trimestre, o feto é normalmente colocado ao nascimento. Segundo a epidemiologia da Organização Mundial de Saúde (OMS), em cada 10 recém-nascidos, 1 bebé é considerado um bebé prematuro. Quinze milhões de bebês prematuros nasceram em 2010. De todos os 15 milhões, 1 milhão de bebês morreram devido à prematuridade. Os partos prematuros foram então classificados como a primeira causa de mortalidade dos bebês prematuros, durante o primeiro mês de nascimento e após o nascimento. É também classificada globalmente como a segunda causa de morte de crianças que não completaram 5 anos .
Later, um estudo revelou que as taxas de partos prematuros diminuíram de 2007 para 2014 devido à diminuição do número de nascimentos de adolescentes e jovens mães . Eles também relataram um ligeiro aumento na taxa nacional de nascimentos prematuros entre 2014 e 2015 . Em quase todos os países com dados confiáveis, as taxas de nascimentos prematuros estão aumentando continuamente. A análise sistemática de Blencowe et al. mostrou um aumento contínuo na taxa de sobrevivência dos bebês prematuros na maioria dos países. A taxa média anual de variação de 2005 a 2010 foi mantida até , mas ainda equivalente à morte prematura.
Em países de alta renda, quase todos esses bebês prematuros relatados sobrevivem. Em países de baixa renda, metade dos bebês nascidos com 32 semanas ou menos morre devido à falta de cuidados viáveis e econômicos, como a falta de calor, suporte à amamentação e controle de infecções, bem como a existência de dificuldades respiratórias.
Independentemente dos motivos da prematuridade, muitos estudos têm focado no monitoramento das condições maternas e fetais para reduzir e prever os sintomas, evitando assim partos prematuros, enquanto outros focam no tratamento do desfecho, ou seja, prematuridade, reduzindo diretamente a mortalidade .
Para tratar o desfecho, existem métodos de terapia intensiva, como métodos e dispositivos terapêuticos disponíveis no mercado e dispositivos que estão sendo pesquisados. Eles variam de acordo com o seu design, especificações e desempenhos. Eles incluem, mas não se limitam a incubadoras comerciais, incubadoras transportáveis, abraçam métodos mais quentes, mais radiantes e métodos Kangaroo Mother Care (KMC). Entretanto, muitos inconvenientes foram associados às técnicas de terapia intensiva existentes.
Apesar da presença de métodos de terapia intensiva, um estudo previu que a taxa de sobrevivência de bebês prematuros para 2025 seria . Como a taxa global prevista de mortalidade infantil pré-termo para 2025 é de 91%, isto nos levou a enfrentar este problema e desenvolver um novo protótipo de incubadora pré-termo para promover a terapia intensiva com um baixo custo. O objectivo do nosso estudo é desenvolver e imprimir em 3D uma nova incubadora de cristais líquidos (LCD-), prática, portátil e rentável, para a prestação de cuidados intensivos, especialmente em países de média e baixa renda. O objetivo é tornar a incubadora Handy viável e fácil de usar e atender aos requisitos de saúde para bebês prematuros. O projecto centra-se nos bebés prematuros que dão à luz abruptamente no terceiro trimestre de gravidez. Os principais sinais vitais, incluindo a temperatura, taxas cardíacas (FC) e o nível de oxigênio foram monitorados, e materiais biocompatíveis avançados foram cuidadosamente escolhidos para tratar o bebê prematuro.
O restante deste trabalho está organizado da seguinte forma. Na Seção 2, nós fornecemos os métodos de terapia intensiva existentes. Na Seção 3, apresentamos os materiais da incubadora pré-termo Handy. Na Seção 4, apresentamos o protótipo da incubadora pré-termo do Handy. Na Secção 5, apresentamos os resultados. Na Seção 6, discutimos os resultados, e na Seção 7, apresentamos uma conclusão geral e trabalhos futuros.
2. Métodos existentes em terapia intensiva pré-termo
Após a pesquisa no PubMed, ScienceDirect e Google scholar, resumimos os resultados da revisão bibliográfica e os dividimos em duas categorias: cuidados abertos e cuidados fechados.
2.1. Métodos de cuidados fechados
Estes métodos incluem as incubadoras infantis disponíveis na Unidade de Terapia Intensiva do Neonato (UCIN), um sistema de terapia intensiva que fornece o bebê com calor, de forma estável e estável, através de uma circulação de ar aquecido sobre a pele. Depois de vários avanços, a incubadora de recém-nascidos compreende o controlo da humidade, o fornecimento de oxigénio e outros acessórios. A incubadora infantil pode ser fixa, móvel ou transportável. No entanto, as incubadoras não têm a ligação materno-pretérito e são caras, especialmente em países de média e baixa renda. Isto desencadeou outros estudos para desenvolver sistemas portáteis, mais baratos e viáveis, utilizados em casa .
A incubadora fixa infantil comumente utilizada na UCIN, devido à presença de uma variedade de acessórios, é capaz de tratar qualquer caso. A incubadora fixa é vista como uma escolha perfeita, uma vez que está ligada a materiais de parede e proporciona um ambiente adequado para o bebé. No entanto, as incubadoras fixas são extremamente caras e têm o mesmo conceito de produzir calor empurrando ar aquecido através de ventiladores. Esta técnica produz ruído, o que afecta negativamente o bebé. Embora uma incubadora deste tipo registe HRs, utiliza eléctrodos que têm de estar sempre ligados ao bebé prematuro, afectando assim a pele frágil do bebé. Além disso, a falta de aleitamento materno e a falta de mobilidade tornam extremamente difícil a passagem do bebé de um departamento para outro, razão que levou à invenção de incubadoras móveis .
Uma incubadora móvel é uma incubadora fixa modificada que tem a mesma função que a incubadora fixa. As incubadoras móveis têm rodas adicionais, podem ser transportadas dentro do hospital, apenas, e requerem ferramentas adicionais para abastecer o sistema com electricidade e oxigénio . Estas incubadoras têm os mesmos inconvenientes que as incubadoras fixas. Embora as incubadoras móveis sejam grandes soluções quando o bebé precisa de ser transportado dentro do hospital, são impraticáveis quando o bebé precisa de ser transportado para fora do hospital. Para este efeito, as incubadoras de transporte apareceram .
Cubocubadoras de transporte são incubadoras portáteis de pequeno porte que podem transportar a criança utilizando o carro ou o avião. Apesar das incubadoras de transporte serem a única opção para o transporte de crianças prematuras para o exterior, as incubadoras de transporte têm vários inconvenientes, tais como o custo extremamente elevado e o peso, a falha do termóstato e os riscos de choque eléctrico .
2.2. Métodos de Cuidados Abertos
KMC é uma solução para os defeitos das incubadoras pré-termo, que cede a altas taxas de doença e mortalidade de bebês pré-termo em hospitais. Proporciona calor e aleitamento materno através do contacto da pele materno-infantil. Esta ligação/contato garante a estabilidade da temperatura do pré-termo. Embora o CMK fosse capaz de reduzir a morbidade dos bebés em comparação com as incubadoras convencionais, ainda está restrito a diferentes factores. O CMK não é capaz de monitorar a temperatura, FC, nível de oxigênio e umidade do bebê, que sujeitam o bebê a um risco de instabilidade e nocividade. O CMK necessita de recursos humanos habilidosos como enfermeiros, que acrescentam complexidade aos cuidados intensivos.
Outro método aberto de cuidados intensivos é o aquecedor radiante que funciona de acordo com as leis do calor radiante. Este dispositivo fornece ao pré-termo a energia radiante necessária como um processo alternativo para o aquecimento convencional por convecção. O aquecedor radiante é composto por uma cama, uma unidade de aquecimento superior e um sensor de temperatura . Os aquecedores radiantes sofrem um aumento dramático na perda de calor devido à evaporação .
Aquecedores de embreagem compostos por três partes, ou seja, um saco de dormir estimado para bebé ou interface infantil, um compartimento de material de mudança de fase, e um aquecedor , são grandes soluções para regular a temperatura corporal do bebé prematuro. Entretanto, os aquecedores de abraço não proporcionam qualquer monitorização dos parâmetros essenciais do bebé e não dispõem de alarmes de emergência. Além disso, requerem uma mudança de fase contínua que provoca flutuação na temperatura da criança e omite qualquer suporte terapêutico.
Todos os problemas acima mencionados levaram-nos a desenvolver a nova incubadora de recém-nascidos prematuros Handy.
3. Materiais da Incubadora Handy Pré-termo Infantil
A nova incubadora Handy requereu vários materiais e ferramentas devido às diversas contribuições que nela foram incorporadas.
No terceiro trimestre, o feto está quase formado e pronto para o nascimento. Assim, o tamanho médio, peso, altura, circunferências da cabeça e circunferências abdominais de uma criança prematura foram cuidadosamente escolhidos. Notavelmente, durante os últimos três meses de gravidez, o cérebro do bebé continua a expandir-se, de modo que a circunferência da cabeça aumenta de cerca de 28 cm (11 polegadas) para 38 cm (15 polegadas). Simultaneamente, o comprimento total do corpo do feto aumenta aproximadamente de 15 polegadas (38 cm) para 19 polegadas (48 cm). O peso médio do feto aumenta de 3 lb (1,4 kg) para 7,5 lb (3,4 kg) .
3,1. Componentes elétricos e eletrônicos
A incubadora Handy requeria o microcontrolador ATmega328 para lançar e armazenar os dados.
Arduino Micro foi usado para auxiliar o microcontrolador, já que o microcontrolador requeria um circuito de configuração e linguagem de montagem avassaladora. O Arduino Micro auxilia o microcontrolador com reguladores, com uma estrutura de bibliotecas livres e outras. A estrutura facilita a programação e evita a perda de tempo em linguagem de programação de baixo nível e registro de endereços .
O Atmega328 utilizado foi soldado com um botão para reset, alguns LEDs para mostrar a transição e recepção de dados, e pinos rotulados com o pino correspondente. Sua parte traseira permite a comunicação com USB e o chip integrado ao regulador (IC) para fornecer tensão estável ao ATmega328.
Também, o oxímetro MAX30100 foi utilizado. É um sensor óptico que transporta o oxímetro de pulso integrado da Maxim e o sensor de HR. Regulador, termômetro e microBUSinter-integração de comunicação (I2C) IC foram impedidos na parte traseira para fornecer uma alimentação de 3,3 V, medir a temperatura e fornecer uma comunicação serial.
UltraFire baterias recarregáveis (18.650 Li-ion 3,7 V com capacidade de 9800 mAh) foram utilizadas . Ao referir-se a (1), a energia armazenada foi de 36,26 Wh. Assim, um conjunto de 4 baterias foi utilizado para atingir 9800 mAh, aumentar a tensão para 15 V e obter uma energia armazenada de 147 Wh.
3.2. Materiais Biocompatíveis e Impressora 3D
Três grandes materiais biocompatíveis foram utilizados em nossa incubadora Handy: silnylon, folhas de mylar, e tecido de bambu. O silnylon foi utilizado como camada externa devido ao seu peso ultra-leve, à prova de vento e à capacidade de isolar o sistema e a criança do ambiente externo. A folha de mylar foi utilizada devido à sua alta resistência à tração, estabilidade química e dimensional, transparência, refletividade, propriedades de barreira de gás e aroma, e isolamento elétrico. O tecido de bambu foi utilizado devido à sua propriedade antibacteriana, suavidade, propriedade respirável e grande absorção de água . A impressora ZONESTAR 3D foi utilizada para estabelecer a nossa incubadora Handy devido aos seus vários parâmetros:(i)Estrutura dos materiais incluindo velocidade de impressão (40-100 mm/s), tamanho máximo de impressão (220 × 220 × 220 mm), e tamanho do bico (0,4 mm).(ii)Suportes de material de impressão: ácido poli-láctico (PLA) e outros, com um diâmetro incluindo precisão de posicionamento em X e Y (0,01 mm) e em Z (0,00025 mm).(iii)Potência do leito quente: 12 V, 140 W.(iv)Software de impressão: Cura, Kisslicer Repetier-Host, etc.; sistema operacional compatível com Windows, Linux e Mac.(v)Temperatura de fusão: 157-170°C; resistência à tração: 61-66 MPa; resistência à flexão: 48-110 MPa.
Além disso, outra vantagem da impressora ZONESTAR 3D é o fato de ser baseada na impressora Fused Deposition Modeling (FDM), que é comum e econômica, e fornece uma geometria personalizada e maior desempenho .
3.3. Componentes de transferência de calor
Dois componentes principais de transferência de calor foram incorporados em nossa incubadora Handy: o riprap do aquecedor do cartucho e as embalagens quentes/frias. O riprap do aquecedor de cartucho foi a primeira fonte de energia térmica, que converte a energia eléctrica armazenada nas baterias em energia térmica, que é armazenada em ternera e transferida para o bebé. Os aquecedores de cartucho são feitos de aço inoxidável e alimentados com 12 V DC com uma potência de 40 Watts. A sonda de aquecimento tem uma forma cilíndrica de 6 mm de diâmetro e 20 mm de comprimento. Esta pequena sonda foi escolhida para garantir que toda a energia térmica seja transferida para o saco de gel. O segundo componente foi a embalagem quente/frio que é uma cera química que conserva a energia térmica e a transfere para o paciente via condutância.
4. Protótipo da Incubadora Handy Preterm Infant
Os novos passos para obter o protótipo da incubadora Handy e os passos de teste são fornecidos.
4.1. Etapas de implementação do Protótipo
Os passos estão divididos em duas partes principais: os passos do protótipo real e simulado e os passos do protótipo real de teste. O diagrama de blocos mostrado na Figura 1 representa os passos do protótipo real da nossa incubadora. Após a colocação do bebé prematuro na incubadora, três sinais e características vitais, FC, temperatura e SpO2, foram continuamente monitorizados (diagnosticados) através do microcontrolador. Os parâmetros monitorados foram então exibidos no LCD da incubadora Handy. Além disso, a fonte de energia do sistema seguiu um Sistema de Gestão de Bateria (BMS).
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Em qualquer queda fora da faixa normal do nível de oxigênio ou da temperatura do pré-termo, uma cigarra é ligada para uma interferência de emergência (terapia), como a liberação de oxigênio ou a ativação de aquecedores. Este sistema é suportado por um BMS que assegura a mobilidade da nossa nova incubadora. As etapas de simulação começam desenhando, através do AutoCAD, todas as peças necessárias presentes no diagrama de blocos da Figura 1, de acordo com o tamanho acima mencionado e o peso do bebé prematuro. O diagrama de blocos apresenta o plano da incubadora compacta desejada que assegura a amamentação e pode ser segurada manualmente (Handy).
Seguir os passos da simulação, os passos do protótipo real podem ser reproduzidos da seguinte forma:(i)Programar o microcontrolador para comunicar com os sensores e outras partes.(ii)Integrar MAX30100 para assegurar a leitura da perna da criança.(iii)Monitorar as características biológicas HR e SpO2 de forma não invasiva por MAX30100. MAX30100 mede a absorção de dois comprimentos de onda de luz diferentes, e mede a absorção de sangue pulsado medindo ondas vermelhas e infravermelhas refletidas da hemoglobina (HbO2) e da deoxi-hemoglobina (Hb). As diferentes intensidades são devidas aos seus diferentes coeficientes de absorção.(iv)Medir a temperatura via MAX30100, pois contém um sensor de temperatura incorporado em seu chip.(v)Processar o sinal por uma unidade de processamento de sinal analógico de baixo ruído.(vi)Escolher o tamanho do novo protótipo para ser compatível com o tamanho de um bebê de terceiro trimestre. O FC foi calculado calculando o número de batimentos por minuto (bpm). O coração bombeia o sangue por pulsação, isto leva a uma alta intensidade de células na cabeça de cada pulso, e então o pulso é detectado através da detecção de um alto número de células. A alta intensidade na cabeça de um pulso leva a uma reflexão elevada, que diminui à medida que a intensidade diminui formando pulsos.
Estes pulsos podem ser capturados estabelecendo um limiar, e quando a luz infravermelha (sinal refletido) excede este limiar, a batida é contada. Isto foi testado em laboratório em um homem normal.
Os aquecedores foram testados na água, e os sensores de temperatura foram testados na água aquecida e resfriada. Finalmente, a capacidade da bateria foi testada usando um voltímetro.
5. Resultados
5.1. Resultados da Incubadora Handy Pré-Termo Infantil
Após a aplicação de todas as etapas de implementação na Seção 3, apresentamos os resultados dos protótipos simulados e impressos (reais) em 3D de nossa incubadora Handy, além dos resultados dos testes e avaliações.
5.1.1. Protótipo Simulado
O protótipo simulado das dimensões reais da incubadora Handy é mostrado na Figura 2(a) a partir de uma vista lateral e na Figura 2(b) a partir de uma vista superior (em centímetros). Um escudo plástico, uma embalagem de gel e o bebé são coloridos de verde, vermelho e amarelo, respectivamente. O comprimento total da incubadora Handy é de 61,23 cm, e o comprimento da caixa é de 8 cm (incluído dentro dos 61,23 cm). A espessura do escudo plástico é de 0,50 cm, e as camadas de mylar e bambu são de 0,55 mm cada. A espessura da embalagem de gel é de 2 cm. As cores azul, verde, vermelha e amarela da Figura 2(b) representam a camada externa, o escudo plástico, a embalagem de gel, e o bebê, respectivamente. A camada exterior envolve a criança; assim, ela contém um hall de raio 10 cm e três pequenos rectângulos. O objectivo do hall era dar ao bebé o espaço para inalar o oxigénio do ambiente e assegurar a amamentação. Os três pequenos tecidos retangulares foram usados para segurar as duas extremidades do tecido.
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A simulação fechada da incubadora Handy é representada na figura 2(c), onde o bebé (colorido a amarelo) é colocado no interior e rodeado pela camada exterior (colorido a azul). O rectângulo verde e quatro círculos no topo da caixa são os displays LCD e os botões de pressão. A figura 2(d) mostra o tamanho total da incubadora simulada Handy enquanto a mãe está segurando-a pelas mãos.
A parte base simulada da incubadora é mostrada na figura 3(a), e a etiqueta da caixa é mostrada na figura 3(b). O espaço vermelho representa a posição onde a placa de circuito impresso é fixada. A parte azul representa o cabo de pilhas; o cabo de pilhas pode suportar até oito pilhas. Além disso, a caixa contém dois grandes orifícios para a fixação da garrafa de oxigênio, um orifício para o dilúvio da fonte de alimentação e um interruptor ON/OFF, bem como um punho de engrenagem que fixa a engrenagem em seu lugar usando parafusos. A Figura 3(b) fornece a simulação de todas as peças necessárias para formar a nossa nova incubadora. O escudo plástico forma o esqueleto da nossa útil incubadora (seu comprimento total é de cerca de 62 cm). O escudo plástico foi decomposto em quatro partes ligadas com parafusos e porcas. A figura 3(c) mostra a simulação da unidade de aquecimento, o objecto vermelho é a embalagem que representa os sacos de gel, e o objecto azul é o tecido que envolve o pré-termo. A embalagem de gel é composta por 5 sacos; cada saco é composto por um gel, além de um aquecedor e um termômetro para controlar o calor gerado.
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A parte de libertação de oxigénio (mostrada na Figura 3(d)) foi simulada para estar acima da face do bebé, através de uma válvula mecânica tipo tubo, um motor passo-a-passo com uma engrenagem e uma garrafa de oxigénio. A fonte de oxigênio é de cor marrom, e a garrafa de oxigênio foi simulada dentro da caixa. Notavelmente, os tubos de transmissão de oxigênio estão embutidos dentro da proteção plástica para evitar qualquer colisão com a carga mecânica externa.
5.1.2. Protótipo Preliminar Impresso 3D
3D impressão foi o segundo passo para obter as peças do protótipo real. Os arquivos do AutoCAD foram importados para a impressora 3D por meio de um cartão de memória para imprimir as peças. O modelo e a duração da impressão são relatados na Figura 4. A aldeia demorou 20 horas. A etiqueta da caixa levou 17 horas e 40 minutos, a tampa da caixa 20 horas e os dois escudos 20 horas. A duração total para imprimir todas as peças foi de 66 horas 40 minutos.
As camadas de tecido costura, montagem e circuitos são ilustradas nas Figuras 5(a) e 5(b).
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(b)
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O processo PCB é representado na Figura 5(a), tanto da camada inferior como da superior que foram impressas, fonte de luz UV, para a placa PCB após a lavagem com água. Os passos de costura são mostrados na Figura 5(b). Representa a colagem de mylar com cartão, o resultado da colagem do silnylon com mylar e caixa de cartão, como o tecido obtido é fixado à incubadora Handy, e o tecido de bambu que é mantido em cima das embalagens de gel onde o bebé se encontra na incubadora Handy aberta. A Figura 5(c) representa a configuração do laboratório utilizado para testar os componentes do sistema de aquecimento.
O protótipo geral real da incubadora Handy é mostrado na Figura 6 (forma fechada). A cor azul do tecido é a cor do silnylon que é a camada externa. Nos limites do tecido circundante do bebé, existem etiquetas adesivas que facilitam a abertura e o fecho do sistema. Também o tecido de bambu é fixado ao tecido circundante da criança usando etiquetas de stick; assim, o tecido de bambu pode ser facilmente removido, limpo e reinstalado.
5.2. Resultados dos testes da incubadora para recém-nascidos pré-termo à mão
Após a apresentação de ambas as partes de hardware da incubadora para recém-nascidos pré-termo à mão, apresentamos os processos de teste e de depuração: (i) os resultados dos testes elétricos das baterias destinadas a fornecer o sistema, (ii) a energia térmica liberada e o sistema de aquecimento, e (iii) os testes de infravermelho. Também, a avaliação e o gerenciamento das especificações e do custo da incubadora pré-termo Handy são fornecidos e comparados com os métodos de terapia intensiva existentes.
O teste elétrico da capacidade das baterias foi obtido carregando totalmente a bateria (até a voltagem da bateria atingir 4.2 V), produzindo um circuito simples que necessita de corrente específica (conhecida como corrente de teste), e medindo o tempo necessário para descarga completa (até que a tensão da bateria atingisse 2,5 V), que era a capacidade.
O teste foi repetido no UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V com as correntes de teste , e os resultados obtidos foram 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955, e 0,626, respectivamente, e a capacidade não foi suficiente. Para isso, utilizamos dois conjuntos de baterias em série ligados em paralelo em vez de um único conjunto, para obter uma energia de 23.855 kJ. Esta energia foi capaz de aquecer o sistema uma vez e pode manter o calor por cerca de 16 horas.
Os resultados tanto do sistema de aquecimento incorporado na incubadora Handy como dos testes de energia térmica foram fornecidos na nossa publicação anterior .
No que diz respeito ao isolamento, o tecido da incubadora e os materiais biocompatíveis proporcionaram um bom isolamento.
Os testes de infravermelhos incluíram MAX30100, e os resultados foram comparados com os dos sensores de oximetria usados em telemóveis, um especialista em equipamento médico para monitorizar SpO2, e HRs usando sensores de oximetria. Os resultados do MAX30100 foram fiáveis e mais próximos do equipamento médico do que do sensor móvel.
5.3. Avaliação da Incubadora Handy Pré-Termo Infantil versus Métodos de Terapia Intensiva Pré-Termo Infantil
Avaliação da nossa incubadora Handy incluiu a comparação com métodos de terapia intensiva de pares. Três gráficos de barras de vários fatores cruciais com os desvios padrão impostos nos gráficos de barras são mostrados nas Figuras 7 e 8. Estas especificações são o preço, ambiente, medidas, vínculo materno, protótipo, mobilidade e outros fatores. Cada especificação foi associada a uma cor em cada gráfico de barras, desde o verde claro até uma cor verde escuro.
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(b)
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A nossa incubadora Handy foi comparada com a incubadora comercial, incubadora de transporte, aquecedor radiante, CMK e o aquecedor de abraço, e os resultados são fornecidos na Figura 7. A variação do tipo de características monitoradas ou medidas registradas, por exemplo, é representada por um gráfico de barras na Figura 7(a) em relação aos métodos de terapia intensiva. A variação da ligação materno-infantil prematura e a variação das especificações de mobilidade ou da mobilidade do sistema em relação aos métodos de terapia intensiva também são relatadas. A variação do suporte terapêutico, tipo de ambiente do sistema e o modelo de desenho foi avaliado e comparado com os métodos em terapia intensiva na Figura 7(b).
As características monitoradas, avaliadas na Figura 7(a), são o sinal vital que cada método pode medir. Um valor máximo de 100% foi associado ao número máximo de características extraídas, e um valor nulo de 0% foi associado à ausência de qualquer característica medida pelo sistema. O maior número (100%) de características extraídas, incluindo SpO2, umidade, RH e temperatura, foram monitoradas utilizando tanto as incubadoras comerciais quanto as de transporte. Além disso, 75% das características extraídas, incluindo SpO2, FC e temperatura, foram extraídas pela incubadora Handy, e nulas de outra forma.
A ligação materno-infantil pré-termo, avaliada na Figura 7(a), é o contato pré-termo infantil com a mãe. Um valor máximo de 100% (com um pequeno desvio padrão) foi associado com o máximo contato pré-termo materno-infantil assegurado pelo sistema. Um valor nulo de 0% foi associado com a ausência de qualquer contato entre o bebê e a mãe, ou seja, quando o bebê é colocado em uma incubadora totalmente fechada na UCIN. A ligação materno-infantil prematuro existe totalmente (100%) no CMK, o aquecedor de abraços, e a nossa incubadora Handy. Ela está totalmente ausente nas incubadoras comerciais e de transporte.
A mobilidade do sistema, avaliada também na Figura 7(a), é a capacidade de mobilização do sistema de terapia intensiva. Um valor máximo de 100% foi associado à mobilidade máxima viável, e um valor nulo de 0% foi associado a um método fixo. O desempenho máximo da mobilidade do sistema foi associado ao CMK, ao aquecimento do abraço e à incubadora Handy.
O suporte terapêutico, avaliado na Figura 7(b), é o contato pré-termo do bebê com a mãe. Um valor máximo de 100% foi associado com o máximo suporte terapêutico e tratamento assegurado pelo sistema. Um valor nulo de 0% foi associado ao suporte terapêutico mínimo. O desempenho máximo (100%) do suporte terapêutico foi associado com as incubadoras comerciais e Handy.
O ambiente, avaliado na Figura 7(b), é a natureza da interface do método com o entorno. Um ambiente fechado é o isolamento total do bebé prematuro, enquanto o ambiente aberto é o isolamento que permite a aspiração do bebé prematuro do ar ambiente circundante. Notavelmente, o isolamento que permite a inalação foi associado ao melhor desempenho (100%). O desempenho do tipo de ambiente foi máximo no aquecedor radiante, no KMC, no aquecedor de abraço e na incubadora Handy.
O modelo de design, avaliado também na Figura 7(b), é a capacidade de mobilização do sistema de terapia intensiva. O desempenho máximo (100%) do modelo de desenho foi associado ao CMK, e depois 75% foi associado à incubadora Handy.
O custo (em 1000$) da incubadora Handy foi representado e comparado com o custo da incubadora comercial, incubadora de transporte, aquecedor radiante e aquecedor de abraço, e os resultados são mostrados na Figura 8. O intervalo do desvio padrão é devido à presença de diferentes projetos de incubadoras comerciais com especificações diferentes. O custo é o custo médio destas incubadoras existentes. Como mostra a Figura 8, o custo mais elevado da incubadora está associado à incubadora comercial. Notavelmente, o preço bruto reportado depende da empresa e dos acessórios. O custo da incubadora comercial é em média 32K$ (varia entre 1K$ e 55K$).
6. Discussão
Várias vantagens estão associadas aos métodos de cuidados intensivos existentes, quer sejam cuidados abertos ou cuidados fechados. Embora as incubadoras comerciais infantis e as incubadoras fixas, móveis e transportáveis conservem uma temperatura adequada para a criança e monitorem os parâmetros básicos, elas diferem no peso, tamanho, custo e acessórios compatíveis. A maior vantagem de um aquecedor radiante é o acesso aberto que proporciona aos bebês prematuros, que suporta procedimentos como a intubação endotraqueal. Isto foi de acordo com o desempenho do aquecedor radiante observado em nosso trabalho, 100% do tipo ambiente. Entretanto, o desempenho geral foi de 37,5 ± 0,9%, como relatado na Tabela 1.
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KMC é uma técnica de cuidados abertos, e uma revisão recente relatou uma redução de 40% no risco de mortalidade pós-descarga . Outros benefícios incluem o aumento do aleitamento materno, a ligação materno-infantil e os resultados do desenvolvimento . Isto reflectiu-se no desempenho de 100% do CMK, ao estudar a presença/ausência da ligação mãe-infante. Os resultados acima mencionados e o apoio da OMS ao CMK apoiam o bom desempenho geral do CMK observado nos nossos resultados (75 ± 1,4%). A ausência dos 25% restantes pode ser devida à limitação do peso inferior a 800 g, como sugerido por Lawn et al. .
Incubadoras são bastante utilizadas, a maioria das unidades consiste em dois modos de operação: o controle manual de temperatura do ar, e o controle automático de temperatura da pele. A maioria das unidades permite ao usuário medir a umidade relativa do ar e fornecer suporte de oxigênio ao bebê quando necessário . Estes fatos estavam de acordo com nossas descobertas, onde a incubadora comercial foi associada a um desempenho de 100% na extração de características e suporte terapêutico, com um desvio padrão quase insignificante.
Considerando as informações úteis do protótipo da incubadora, Fallon envolveu o uso da máquina cardiopulmonar para monitorar e exibir dados em uma tela LCD . Se o FC do bebé se tornar demasiado lento ou demasiado rápido, dá um alarme . Analógico ao trabalho de Fallon, programámos a nossa incubadora Handy para dar um alarme quando há uma queda nas características extraídas.
Recentemente, os cientistas do Baby Center publicaram um monitor de tensão arterial ligando uma manga de pressão arterial miniaturizada à volta da perna ou braço do bebé, a fim de monitorizar a tensão arterial . Analogamente ao seu trabalho, utilizámos uma oximetria e ligámos a manga de pressão arterial miniaturizada à perna da criança.
A nossa incubadora Handy pode ser facilmente transportada pela mãe e acessível em países de rendimento médio e baixo. Ao contrário do sistema mOm fornecido por James et al. que carece da ligação materno-infantil e amamentação, no nosso sistema, o bebé pode beneficiar da vantagem fisiológica da amamentação de um dos lados, tal como proporcionado pelo CMK e assegura um ambiente quente e antibacteriano do outro lado.
O nosso sistema Handy também proporciona a extracção das características biomédicas da FC pré-termo, temperatura e nível de SpO2 e apresenta-as num LCD, e isto foi reflectido pelo desempenho de 75 ± 1,5% na Figura 7(b). A ausência dos aproximadamente 25% restantes deve-se à falta de medição da umidade.
Notavelmente, o uso excessivo/ subutilização do suprimento de oxigênio para bebês prematuros pode prejudicá-los; assim, a SpO2 foi monitorada em nossa incubadora Handy e foi mantida entre 90 e 93% para evitar doenças. A oximetria de pulso é um método vantajoso de monitoramento da oxigenação, pois é contínua e não invasiva .
Em caso de emergência, programamos o sistema para fornecer suprimento temporário de oxigênio. Também garantimos uma incubadora Handy rentável em comparação com outros métodos de terapia intensiva .
Teste nossa incubadora foi necessário para controlar a qualidade do projeto elétrico, térmico e gráfico da incubadora.
A incubadora Handy fornece um bom tratamento terapêutico, como o fornecimento de oxigênio e calor. Isto abre o caminho para o médico monitorar o estado prematuro do bebê através do diagnóstico dos três sinais vitais exibidos no LCD e salvá-lo na memória.
Além da forma agradável, o sistema não produz nenhum ruído durante a ativação ou movimentação, devido à ausência de ventiladores e devido à escolha dos materiais utilizados na fabricação.
O desempenho geral do KMC (75 ± 1,4%) foi melhor do que o do aquecedor de abraço (66,7 ± 1,5%) em nossas especificações exploradas. Entretanto, nossa incubadora Handy ultrapassou todos os métodos de terapia intensiva, com um desempenho geral de 91,7 ± 1,6% (Tabela 1). A incubadora da Handy é uma técnica de fácil utilização. Apesar de nossa incubadora demorar para ser impressa em 3D, seu custo foi razoável em comparação com as dispendiosas incubadoras comerciais. Assim, as incubadoras Handy são promissoras, especialmente em países de média e baixa renda.
7. Conclusão e Perspectivas
Nossa pesquisa original é composta de contribuições de hardware e software. A implementação do software envolveu a programação da plataforma do processador via Arduino. A execução do hardware envolveu a impressão 3D da incubadora Handy e seu circuito e sua conexão com o Arduino. A nossa incubadora Handy foi concebida para ser portátil, não pesada e rentável.
Com o progresso do nosso novo protótipo impresso em 3D da incubadora pré-termo Handy, muitas vidas poderiam ser salvas. Devido à falta de métodos rentáveis de cuidados intensivos para monitorar todos os sinais vitais e salvar dados e à falta de um sistema que possa ser segurado pelas mãos, nós assumimos o desafio de projetar nossa incubadora de bebês handy e rentável. Nosso projeto monitora os sinais vitais (temperatura, RH e SpO2) e os exibe. A incubadora Handy assegura o aleitamento materno e é rentável. A porcentagem avaliada de desempenho mostra que ela supera os métodos de terapia intensiva existentes.
Nosso sistema resolveu muitos dos desafios, mas ainda há uma margem para mais melhorias.
As etapas futuras podem incluir o seguinte:(i)Coleta de mais dados sobre o sensor infravermelho MAX30100 que designamos em nosso sistema para melhorar a leitura de oximetria.(ii)Renderização e atualização do código fornecido pelo fabricante do sensor que compreende dois LEDs e um fotorreceptor com microprocessador, a fim de fornecer largura de pulso específica e intensidade de luz para atender aos critérios médicos.(iii)Utilização da célula Peltier (componente eletrônico baseado em semicondutores que funciona como uma pequena bomba de calor de acordo com o “efeito Peltier”) em vez do aquecedor.(iv)Modificando a placa eletrônica adicionando controle de carga (rastreamento do ponto de potência máxima) para procurar o ponto de potência máxima e procurando a ressonância de resistência de carga com a resistência de fornecimento que tem a eficiência máxima de carga.(v)Finalmente, melhorando o software e fornecendo um web-servidor para fins de realização de telesaúde e pesquisa.
Data Availability
Como nós fornecemos uma nova invenção e uma pesquisa original aplicada nesta nova invenção, e nosso dispositivo também está sob uma extensão prolongada para melhoria, também estamos estabelecendo uma colaboração com uma empresa de Engenharia Biomédica para desenvolver nosso dispositivo, por isso deixamos os dados confidenciais até registrarmos esta invenção em nossos nomes.
Conflitos de interesse
Todos os autores declaram não haver conflitos de interesse.
Confirmações
Os autores gostariam de agradecer ao Dr. Mohammad Arnaout, à Dra. Lara Hamawy e à Sra. Alaa Zaylaa pela sua informação de apoio. Este projeto foi financiado pela Universidade Libanesa e pela Universidade do Texas MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, EUA.