Abstract
Copiii prematuri se confruntă cu o naștere bruscă înainte de maturitatea lor completă în timpul celui de-al treilea trimestru de sarcină. Sondajele anticipează o creștere a ratelor de nou-născuți prematur pentru 2025, în special în țările cu venituri medii și mici. În ciuda abundenței metodelor de îngrijire intensivă a prematurilor, cum ar fi, dar fără a se limita la acestea, metodele comerciale, de transport, de încălzire prin îmbrățișare, de încălzire radiantă și de îngrijire a mamei Kangaroo, acestea sunt fie costisitoare, fie lipsesc cele mai esențiale cerințe sau specificații, fie lipsește legătura dintre mamă și prematur. Acest lucru ne-a determinat să purtăm această cercetare originală și ideea inovatoare de a dezvolta un nou prototip imprimat 3D al unui incubator Handy pentru prematuri. Scopul nostru este de a oferi cea mai indispensabilă îngrijire intensivă cu cel mai mic cost, de a oferi țărilor cu venituri mici îngrijirea incubatorului Handy, de a păstra legătura dintre mamă și prematur și de a diminua rata mortalității. Au fost utilizate caracteristici biomedicale, electronice și materiale biocompatibile. Designul a fost simulat, prototipul a fost imprimat 3D, iar rezultatele au fost testate și evaluate. Rezultatele simulării au arătat cea mai bună potrivire pentru componentele incubatorului Handy. Rezultatele experimentale au arătat prototipul tipărit 3D și timpul scurs pentru obținerea acestuia. Rezultatele evaluării au arătat că performanța generală a îngrijirii mamei cangur și a încălzitorului îmbrățișat a fost de 75 ± 1,4 % și, respectiv, 66,7 ± 1,5 %, în timp ce performanța generală a incubatorului nostru Handy a fost de 91,7 ± 1,6 %, astfel încât incubatorul nostru Handy rentabil a depășit metodele de îngrijire intensivă existente. Pasul viitor este asocierea incubatorului Handy cu mai multe specificații și progrese.
1. Introducere
Nașterea prematură este apariția bruscă a nașterii la mai puțin de a 37-a săptămână de sarcină. În timpul celui de-al treilea trimestru, adică în săptămâna 27-40 de săptămâni de sarcină, când are loc etapa majoră de dezvoltare fetală, sugarul suferă o transfuzie dramatică la nivelul sistemului său respirator care îi permite să respire pentru prima dată. După cel de-al treilea trimestru, fătul este de obicei pregătit pentru naștere . Conform epidemiologiei Organizației Mondiale a Sănătății (OMS), la fiecare 10 nou-născuți, 1 copil este considerat prematur . Cincisprezece milioane de copii născuți prematur s-au născut în 2010. Dintre cele 15 milioane, 1 milion de copii au murit din cauza prematurității. Nașterile premature au fost apoi clasate drept prima cauză de mortalitate a prematurilor, în prima lună de la naștere și după naștere. De asemenea, este clasată la nivel mondial ca fiind a doua cauză de deces pentru copiii care nu au împlinit 5 ani .
Mai târziu, un studiu a arătat că rata nașterilor premature a scăzut din 2007 până în 2014 datorită scăderii numărului de nașteri ale adolescentelor și ale mamelor tinere . Ei au raportat, de asemenea, o ușoară creștere a ratei naționale a nașterilor premature între 2014 și 2015 . În aproape toate țările cu date fiabile, ratele nașterilor premature sunt în continuă creștere. Analiza sistematică a lui Blencowe et al. a arătat o creștere continuă a ratei de supraviețuire a copiilor născuți prematur în majoritatea țărilor. Rata medie anuală de variație din 2005 până în 2010 a fost menținută la , dar încă echivalentă cu moartea prematură.
În țările cu venituri ridicate, aproape toți acești nou-născuți prematur raportați supraviețuiesc. În mediile cu venituri mici, jumătate dintre copiii născuți la 32 de săptămâni sau mai puțin mor din cauza lipsei unor îngrijiri fezabile și eficiente din punct de vedere al costurilor, cum ar fi lipsa căldurii, a sprijinului pentru alăptare și a controlului infecțiilor, precum și a existenței dificultăților respiratorii.
Indiferent de motivele prematurității, multe studii s-au concentrat pe monitorizarea condițiilor materne și fetale pentru a reduce și a prezice simptomele, evitând astfel nașterile premature , în timp ce altele se concentrează pe tratarea rezultatului, adică prematuritatea, reducând direct mortalitatea .
Pentru a trata rezultatul, au existat metode de îngrijire intensivă, cum ar fi metode și dispozitive terapeutice disponibile pe piață și dispozitive care sunt în curs de cercetare. Acestea variază în funcție de designul, specificațiile și performanțele lor. Acestea includ, dar nu se limitează la incubatoare comerciale, incubator transportabil, încălzitor de îmbrățișare, încălzitor radiant și metode de îngrijire a mamei Cangur (KMC) . Cu toate acestea, multe dezavantaje au fost asociate cu tehnicile de terapie intensivă existente.
În ciuda prezenței metodelor de terapie intensivă, un studiu a prezis că rata de supraviețuire a nou-născuților prematuri pentru 2025 va fi . Având în vedere că rata globală anticipată a mortalității nou-născuților prematuri pentru 2025 este de 91%, acest lucru ne-a determinat să abordăm această problemă și să dezvoltăm un nou prototip de incubator pentru prematuri pentru a promova îngrijirea intensivă cu un cost redus. Scopul studiului nostru este de a dezvolta și de a imprima 3D un nou incubator pe bază de afișaj cu cristale lichide (LCD), la îndemână, portabil și eficient din punct de vedere al costurilor, pentru a oferi îngrijire intensivă, în special în țările cu venituri medii și mici. Obiectivul este de a face incubatorul Handy să fie fezabil și ușor de utilizat și să îndeplinească cerințele de sănătate pentru nou-născuții prematuri. Proiectul se concentrează asupra nou-născuților prematuri născuți brusc în al treilea trimestru de sarcină. Au fost monitorizate principalele semne vitale, inclusiv temperatura, frecvența cardiacă (FC) și nivelul de oxigen, iar materialele biocompatibile avansate au fost alese cu grijă pentru tratarea nou-născutului prematur.
Continuarea acestei lucrări este organizată după cum urmează. În secțiunea 2, prezentăm metodele de terapie intensivă existente. În secțiunea 3, prezentăm materialele incubatorului Handy pentru prematuri. În secțiunea 4, prezentăm prototipul incubatorului Handy pentru prematuri. În secțiunea 5, prezentăm rezultatele. În secțiunea 6, discutăm rezultatele, iar în secțiunea 7, oferim o concluzie generală și lucrări viitoare.
2. Metode existente de îngrijire intensivă a prematurilor
După ce am căutat în PubMed, ScienceDirect și Google scholar, am rezumat rezultatele analizei literaturii și le-am împărțit în două categorii: îngrijire deschisă și îngrijire închisă.
2.1. Metode de îngrijire închisă
Aceste metode includ incubatoarele pentru sugari disponibile în Unitatea de Terapie Intensivă Neonatală (NICU), un sistem de terapie intensivă care furnizează sugarului căldură, într-un mod constant și stabil, printr-o circulație de aer încălzit peste piele. După mai multe progrese, incubatorul pentru sugari a cuprins controlul umidității, alimentarea cu oxigen și alte accesorii. Incubatorul pentru sugari putea fi fix, mobil sau transportabil . Cu toate acestea, incubatoarelor le lipsește legătura dintre mamă și prematur și sunt costisitoare, în special în țările cu venituri medii și mici. Acest lucru a declanșat alte studii pentru a dezvolta sisteme portabile, mai ieftine și fezabile, utilizate la domiciliu .
Incubatorul fix pentru sugari utilizat în mod obișnuit în NICU, datorită prezenței unei varietăți de accesorii, este capabil să trateze orice caz. Incubatorul fix este văzut ca o alegere perfectă, deoarece este conectat la sursele de alimentare de la perete și oferă un mediu adecvat pentru sugar. Cu toate acestea, incubatoarele fixe sunt extrem de scumpe și au același concept de producere a căldurii prin împingerea aerului încălzit prin intermediul ventilatoarelor. Această tehnică produce zgomot, ceea ce afectează în mod negativ sugarul . Deși un astfel de incubator înregistrează HR, acesta utilizează electrozi care trebuie conectați în permanență la nou-născutul prematur, afectând astfel pielea fragilă a sugarului . În plus, lipsa alăptării și lipsa de mobilitate fac extrem de dificilă trecerea sugarului de la un departament la altul, motiv care a dus la inventarea incubatoarelor mobile .
Un incubator mobil este un incubator fix modificat care are aceeași funcție ca și incubatorul fix. Incubatoarele mobile au roți suplimentare, ar putea fi transportate în interiorul spitalului, pur și simplu, și necesită instrumente suplimentare pentru a alimenta sistemul cu energie electrică și oxigen . Aceste incubatoare au aceleași dezavantaje ca și incubatoarele fixe. Deși incubatoarele mobile sunt soluții excelente atunci când sugarul trebuie transportat în interiorul spitalului, acestea sunt impracticabile atunci când sugarul trebuie transportat în afara spitalului. În acest scop, au apărut incubatoarele de transport .
Incubatoarele de transport sunt incubatoare portabile de mici dimensiuni care pot transporta sugarul folosind mașina sau avionul. În ciuda faptului că incubatoarele de transport sunt singura opțiune pentru transportul prematurilor în aer liber, incubatoarele de transport au mai multe dezavantaje, cum ar fi costul extrem de ridicat și greutatea, defectarea termostatului și pericolele de șoc electric .
2.2. Metode deschise de îngrijire
KMC este o soluție pentru defectele incubatoarelor pentru prematuri, care cedează la rate ridicate de îmbolnăvire și mortalitate a prematurilor din spitale. Acesta oferă căldură și alăptare prin contactul cutanat între sugar și mamă. Această legătură/contact asigură stabilitatea temperaturii prematurului. Deși KMC a fost capabilă să reducă morbiditatea sugarilor în comparație cu incubatoarele convenționale , aceasta este încă limitată de diferiți factori. KMC nu este capabilă să monitorizeze temperatura, HR, nivelul de oxigen și umiditatea sugarului, ceea ce supune sugarul la un risc de instabilitate și nocivitate. KMC are nevoie de resurse umane pricepute, cum ar fi asistentele medicale, ceea ce adaugă complexitate îngrijirii intensive.
O altă metodă deschisă de îngrijire intensivă este încălzitorul radiant care funcționează conform legilor căldurii radiante. Acest dispozitiv oferă premergătorului energia radiantă necesară ca proces alternativ pentru încălzirea convențională prin convecție . Încălzitorul radiant cuprinde un pat, o unitate de încălzire deasupra capului și un senzor de temperatură . Încălzitoarele radiante suferă de o creștere dramatică a pierderilor de căldură datorate evaporării .
Încălzitoarele de brațe alcătuite din trei părți, adică un sac de dormit sau o interfață estimată pentru bebeluși, un compartiment din material cu schimbare de fază și un încălzitor , sunt soluții excelente pentru reglarea temperaturii corporale a prematurilor. Între timp, încălzitoarele de îmbrățișare nu oferă nicio monitorizare a parametrilor esențiali ai sugarului și nu dispun de alarme de urgență. De asemenea, acestea necesită schimbarea continuă a fazei, ceea ce provoacă fluctuații ale temperaturii sugarului și omite orice suport terapeutic.
Toate problemele menționate mai sus ne-au determinat să dezvoltăm noul incubator pentru prematuri Handy.
3. Materialele incubatorului Handy pentru sugari prematuri
Noul incubator Handy a necesitat mai multe materiale și instrumente datorită diverselor contribuții care au fost încorporate în el.
În al treilea trimestru, fătul este aproape format și pregătit pentru naștere . Prin urmare, dimensiunea medie, greutatea, înălțimea, circumferințele capului și circumferințele abdominale ale unui nou-născut prematur au fost alese cu atenție. În special, în timpul ultimelor trei luni de sarcină, creierul bebelușului rămâne să se extindă, astfel încât circumferința capului crește de la aproximativ 11 inci (28 cm) la 15 inci (38 cm). În același timp, lungimea totală a corpului fătului crește aproximativ de la 15 inci (38 cm) la 19 inci (48 cm). Greutatea medie a fătului crește de la 1,4 kg (3,4 lb) la 3,4 kg (7,5 lb) .
3.1. Componente electrice și electronice
Incubatorul Handy a necesitat microcontrolerul ATmega328 pentru a lansa și stoca datele.
Arduino Micro a fost folosit pentru a asista microcontrolerul, deoarece microcontrolerul a necesitat un număr copleșitor de circuite de configurare și limbaj de asamblare. Arduino Micro asistă microcontrolerul cu regulatoare, cu un cadru de biblioteci gratuite și altele. Cadrul oferă o programare mai ușoară și evită pierderea de timp cu limbajul de programare de nivel scăzut și înregistrarea adreselor .
Atmega328 utilizat a fost lipit cu un buton pentru resetare, câteva LED-uri pentru a arăta tranziția și recepția datelor și pini etichetați cu pinul corespunzător. Partea sa din spate permite comunicarea cu USB și cipul integrat (IC) regulator pentru a asigura o tensiune stabilă pentru ATmega328.
De asemenea, a fost utilizat și oximetrul MAX30100. Acesta este un senzor optic care transportă oximetrul de puls integrat Maxim și senzorul HR. Regulatorul, termometrul și microBUSinter-integrated communication (I2C) IC au fost împiedicate pe partea din spate pentru a furniza o alimentare de 3,3 V, a măsura temperatura și a asigura o comunicare serială.
Au fost folosite baterii reîncărcabile UltraFire (18.650 Li-ion 3,7 V cu o capacitate de 9800 mAh) . Prin raportare la (1), energia stocată a fost de 36,26 Wh. Astfel, a fost utilizat un set de 4 baterii pentru a obține 9800 mAh, pentru a crește tensiunea la 15 V și pentru a obține o energie stocată de 147 Wh.
3.2. Materiale biocompatibile și imprimantă 3D
Trei materiale biocompatibile majore au fost utilizate în incubatorul nostru Handy: silnylon, foi de mylar și țesătură de bambus. Silnylon a fost utilizat ca strat exterior datorită greutății sale ultraușoare, rezistenței la vânt și capacității de a izola sistemul și sugarul de mediul exterior . Folia de mylar a fost utilizată datorită rezistenței sale ridicate la tracțiune, stabilității chimice și dimensionale, transparenței, reflexivității, proprietăților de barieră la gaze și arome și izolației electrice . Țesătura de bambus a fost utilizată datorită proprietății sale antibacteriene, a netezimii, a proprietății de respirabilitate și a capacității mari de absorbție a apei . Imprimanta 3D ZONESTAR a fost utilizată pentru a stabili incubatorul nostru Handy datorită mai multor parametri:(i)Structura cadrului materialelor, inclusiv viteza de imprimare (40-100 mm/s), dimensiunea maximă imprimabilă (220 × 220 × 220 mm) și dimensiunea duzei (0,4 mm).(ii)Suporturi pentru materiale de imprimare: acid polilactic (PLA) și altele, cu un diametru care include precizia de poziționare în X și Y (0,01 mm) și în Z (0,00025 mm).(iii)Puterea patului fierbinte: 12 V, 140 W.(iv)Software de imprimare: Cura, Repetier-Host Kisslicer, etc.; sistem de operare compatibil cu Windows, Linux și Mac.(v)Temperatura de topire: 157-170°C; rezistență la tracțiune: 61-66 MPa; rezistență la flexiune: 48-110 MPa.
În plus, un alt avantaj al imprimantei 3D ZONESTAR este faptul că se bazează pe imprimanta Fused Deposition Modeling (FDM), care este comună și rentabilă, și oferă o geometrie personalizată și o performanță mai mare .
3.3. Componente de transfer de căldură
Două componente majore de transfer de căldură au fost încorporate în incubatorul nostru Handy: riprafa de încălzire a cartușului și pachetele calde/ reci. Râpa de încălzire a cartușului a fost prima sursă de energie termică, care convertește energia electrică stocată în baterii în energie termică, care este la rândul ei stocată și transferată sugarului. Încălzitoarele cu cartuș sunt fabricate din oțel inoxidabil și sunt alimentate cu 12 V DC cu o putere de 40 de wați. Sonda de încălzire are o formă cilindrică cu diametrul de 6 mm și lungimea de 20 mm. Această sondă mică a fost aleasă pentru a se asigura că toată energia termică este transferată către sacul de gel. Cea de a doua componentă a fost compresa caldă/ rece care este o ceară chimică ce conservă energia termică și o transferă către pacient prin conductanță.
4. Prototipul incubatorului Handy pentru prematuri
Se prezintă etapele inedite de obținere a prototipului incubatorului Handy și etapele de testare.
4.1. Etapele de implementare a prototipului
Etapele sunt împărțite în două părți principale: etapele prototipului real și simulat și etapele de testare a prototipului real. Schema bloc prezentată în figura 1 reprezintă etapele prototipului real al incubatorului nostru. După ce bebelușul prematur este plasat în incubatorul nou, trei semne și caracteristici vitale, HR, temperatura și SpO2, au fost monitorizate continuu (diagnosticate) prin intermediul microcontrolerului. Parametrii monitorizați au fost apoi afișați pe ecranul LCD al incubatorului Handy. În plus, sursa de alimentare a sistemului a urmat un sistem de gestionare a bateriei (BMS).
La orice scădere în afara intervalului normal, fie a nivelului de oxigen, fie a temperaturii premergătorului, se pornește o sonerie pentru o intervenție de urgență (terapie), cum ar fi eliberarea oxigenului sau pornirea încălzitoarelor. Acest sistem este susținut de un BMS care asigură mobilitatea noului nostru incubator. Etapele simulării încep prin desenarea, prin AutoCAD, a tuturor pieselor necesare prezente în schema bloc din figura 1, în conformitate cu dimensiunea și greutatea prematurului menționate mai sus. Schema bloc prezintă planul incubatorului compact dorit, care asigură alăptarea și care poate fi ținut în mână (Handy).
În urma etapelor de simulare, etapele prototipului real pot fi reproduse după cum urmează: (i)Programarea microcontrolerului pentru a comunica cu senzorii și celelalte părți. (ii)Integrarea MAX30100 pentru a asigura citirea de la piciorul sugarului. (iii)Monitorizarea caracteristicilor biologice HR și SpO2 în mod neinvaziv prin MAX30100. MAX30100 măsoară absorbția a două lungimi de undă diferite de lumină și măsoară capacitatea de absorbție a sângelui pulsat prin măsurarea undelor roșii și infraroșii reflectate de hemoglobină (HbO2) și deoxi-hemoglobină (Hb). Intensitățile diferite se datorează coeficienților lor de absorbție diferiți.(iv)Măsurați temperatura prin intermediul MAX30100, deoarece acesta conține un senzor de temperatură încorporat pe cipul său.(v)Prelucrați semnalul printr-o unitate de procesare a semnalelor analogice cu zgomot redus.(vi)Alegeți dimensiunea noului prototip pentru a fi compatibilă cu dimensiunea unui copil din trimestrul al treilea . FC a fost calculată prin calcularea numărului de bătăi pe minut (bpm). Inima pompează sângele prin pulsații, acest lucru duce la o intensitate mare a celulelor pe capul fiecărui puls, iar apoi pulsul este detectat prin detectarea unui număr mare de celule. Intensitatea mare în capul unui puls duce la o reflexie mare, care scade pe măsură ce intensitatea scade formând pulsuri.
Aceste pulsuri pot fi prinse prin stabilirea unui prag, iar când lumina infraroșie (semnalul reflectat) depășește acest prag, se numără bătăile. Acest lucru a fost testat în laborator pe un om normal.
Senzorii de încălzire au fost testați pe apă, iar senzorii de temperatură au fost testați pe apa încălzită și răcită. În cele din urmă, capacitatea bateriei a fost testată cu ajutorul unui voltmetru.
5. Rezultate
5.1. Rezultatele incubatorului Handy pentru nou-născuți prematur
După aplicarea tuturor etapelor de implementare din secțiunea 3, prezentăm rezultatele prototipului simulat și tipărit 3D (real) al incubatorului nostru Handy, pe lângă rezultatele testelor și evaluării.
5.1.1. Prototip simulat
Prototipul simulat de dimensiuni reale al incubatorului Handy este prezentat în figura 2(a) dintr-o vedere laterală și în figura 2(b) dintr-o vedere de sus (în centimetri). Un scut de plastic, un pachet de gel și sugarul sunt colorate în verde, roșu și, respectiv, galben. Lungimea totală a incubatorului Handy este de 61,23 cm, iar lungimea cutiei este de 8 cm (inclusă în cei 61,23 cm). Grosimea scutului de plastic este de 0,50 cm, iar straturile de mylar și bambus sunt de 0,55 mm fiecare. Grosimea pachetului de gel este de 2 cm. Culorile albastru, verde, roșu și galben din figura 2(b) reprezintă stratul exterior, scutul de plastic, pachetul de gel și, respectiv, sugarul. Stratul exterior înconjoară sugarul; astfel, acesta conține o sală cu raza de 10 cm și trei dreptunghiuri mici. Scopul halei a fost acela de a oferi sugarului spațiul necesar pentru a inhala oxigenul din mediul înconjurător și pentru a asigura alăptarea. Cele trei țesături dreptunghiulare mici au fost folosite pentru a ține cele două capete ale țesăturii.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Simularea închisă a incubatorului Handy este reprezentată în figura 2(c), în care sugarul (colorat în galben) este plasat în interior și înconjurat de stratul exterior (colorat în albastru). Dreptunghiul verde și cele patru cercuri din partea superioară a cutiei reprezintă afișajele LCD și butoanele. Figura 2(d) arată dimensiunea totală a incubatorului Handy simulat în timp ce mama îl ține de mâini.
Partea de bază simulată a noului incubator este prezentată în figura 3(a), iar eticheta cutiei este prezentată în figura 3(b). Spațiul roșu reprezintă poziția în care este fixat PCB-ul. Partea albastră reprezintă mânerul pentru baterii; mânerul pentru baterii poate suporta până la opt baterii. În plus, cutia conține două orificii mari pentru fixarea sticlei de oxigen, un orificiu pentru deluarea sursei de alimentare și comutatorul ON/OFF, precum și un mâner pentru angrenaj care fixează angrenajul la locul său cu ajutorul unor șuruburi. Figura 3(b) oferă simularea tuturor pieselor necesare pentru a forma noul nostru incubator. Scutul din plastic formează scheletul incubatorului nostru la îndemână (lungimea sa totală este de aproximativ 62 cm). Scutul din plastic a fost descompus în patru părți conectate cu șuruburi și piulițe. Figura 3(c) prezintă simularea unității de încălzire, obiectul roșu este ambalajul care reprezintă sacii de gel, iar obiectul albastru este țesătura care înconjoară premergătorul. Pachetul de gel cuprinde 5 saci; fiecare sac este compus dintr-un gel, pe lângă un încălzitor și un termometru pentru a controla căldura generată.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Partea de eliberare a oxigenului (prezentată în figura 3(d)) a fost simulată ca fiind deasupra feței sugarului, prin intermediul unei supape mecanice de tip tub, a unui motor pas cu pas cu un angrenaj și a unei sticle de oxigen. Sursa de oxigen este colorată în maro, iar sticla de oxigen a fost simulată în interiorul cutiei. În mod notabil, tuburile de transmisie a oxigenului sunt încorporate în interiorul scutului de plastic pentru a evita orice ciocnire din cauza sarcinii mecanice externe.
5.1.2. Prototip preliminar imprimat 3D
Imprimarea 3D a fost al doilea pas spre obținerea pieselor prototipului real. Fișierele AutoCAD au fost importate în imprimanta 3D prin intermediul unui card de memorie pentru a imprima piesele. Modelul și durata imprimării sunt raportate în figura 4. Realizarea cătunului a durat 20 de ore. Eticheta cutiei a necesitat 17 ore și 40 de minute, capacul cutiei 20 de ore, iar cele două scuturi 20 de ore. Durata totală pentru a obține toate piesele tipărite a fost de 66 de ore și 40 de minute.
Coaserea straturilor de țesătură, asamblarea și circuitele sunt ilustrate în figurile 5(a) și 5(b).
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Procesul PCB este reprezentat în figura 5(a), de la straturile inferioare și superioare care au fost imprimate, sursa de lumină UV, până la placa PCB după ce aceasta a fost spălată cu apă. Etapele de coasere sunt prezentate în figura 5(b). Aceasta reprezintă lipirea mylarului cu cartonul, rezultatul lipirii silnylonului cu mylarul și cutia de carton, modul în care țesătura obținută este atașată la incubatorul Handy și țesătura de bambus care este ținută deasupra pachetelor de gel în care se află sugarul în incubatorul Handy deschis. Figura 5(c) reprezintă configurația de laborator utilizată pentru testarea componentelor sistemului de încălzire.
Prototipul real general al incubatorului Handy este prezentat în figura 6 (formă închisă). Culoarea albastră a țesăturii este culoarea silnylonului care reprezintă stratul exterior. La limitele țesăturii care înconjoară sugarul, există etichete lipite care asigură deschiderea și închiderea ușoară a sistemului. De asemenea, țesătura de bambus este atașată de țesătura care înconjoară copilul cu ajutorul unor etichete de fixare; astfel, țesătura de bambus poate fi ușor de îndepărtat, curățat și reinstalat.
5.2. Rezultatele testării incubatorului Handy pentru prematuri
După prezentarea ambelor părți hardware ale incubatorului Handy pentru prematuri, prezentăm procesele de testare și de depanare: (i) rezultatele testelor electrice pentru bateriile care sunt destinate să alimenteze sistemul, (ii) energia termică eliberată și sistemul de încălzire și (iii) testele cu infraroșu. De asemenea, sunt prezentate evaluarea și gestionarea specificațiilor și costurilor incubatorului Handy pentru prematuri și sunt comparate cu metodele de terapie intensivă existente.
Testarea electrică a capacității bateriilor a fost obținută prin încărcarea completă a bateriei (până când tensiunea bateriei a ajuns la 4.2 V), realizarea unui circuit simplu care are nevoie de un curent specific (numit curent de testare) și măsurarea timpului necesar descărcării complete (până când tensiunea bateriei a ajuns la 2,5 V), care a reprezentat capacitatea.
Testul a fost repetat pe UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V cu curenții de testare , iar rezultatele obținute au fost de 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955 și, respectiv, 0,626, iar capacitatea nu a fost suficientă. Pentru aceasta, am folosit două seturi de baterii în serie conectate în paralel în loc de un singur set, pentru a obține o energie de 23,855 kJ. Această energie a fost capabilă să încălzească sistemul o singură dată și poate menține căldura timp de aproximativ 16 ore.
Rezultatele atât ale sistemului de încălzire încorporat în incubatorul Handy, cât și ale testării energiei termice au fost furnizate în publicația noastră anterioară .
În ceea ce privește izolarea, materialul textil și materialele biocompatibile ale incubatorului au asigurat o bună izolare.
Testările în infraroșu au inclus MAX30100, iar rezultatele au fost comparate cu cele ale senzorilor de oximetrie utilizați în telefoanele mobile, un echipament medical specializat pentru monitorizarea SpO2 și HR-uri care utilizează senzori de oximetrie. Rezultatele MAX30100 au fost fiabile și mai apropiate de cele ale echipamentului medical decât de cele ale senzorului mobil.
5.3. Evaluarea incubatorului Handy pentru nou-născuți prematur față de metodele de terapie intensivă pentru nou-născuți prematur
Evaluarea incubatorului nostru Handy a inclus compararea acestuia cu metodele de terapie intensivă ale colegilor. În figurile 7 și 8 sunt prezentate trei grafice cu bare ale mai multor factori cruciali, cu abaterile standard impuse pe graficele cu bare. Aceste specificații sunt prețul, mediul, măsurătorile, legătura cu mama, prototipul, mobilitatea și alți factori. Fiecărei specificații i-a fost asociată o culoare în fiecare grafic de bare, de la verde deschis la o culoare verde închis.
(a)
(b)
(a)
(b)
Figura 8 Evaluarea incubatorului Handy în comparație cu metodele de îngrijire intensivă: incubator comercial, incubator de transport, încălzitor radiant, KMC și încălzitor de îmbrățișare. Graficul cu bare reprezintă costul (în 1000$).
Incubatorul nostru Handy a fost comparat cu incubatorul comercial, incubatorul de transport, încălzitorul radiant, KMC și încălzitorul de îmbrățișare, iar rezultatele sunt prezentate în figura 7. Variația tipului de caracteristici monitorizate sau de măsurători înregistrate, de exemplu, este reprezentată de un grafic cu bare în figura 7(a) în raport cu metodele de terapie intensivă. De asemenea, sunt raportate variația legăturii dintre mamă și prematur și variația specificațiilor de mobilitate sau a mobilității sistemului în raport cu metodele de terapie intensivă. Variația suportului terapeutic, a tipului de mediu al sistemului și a modelului de proiectare a fost evaluată și comparată cu metodele de îngrijire intensivă în figura 7(b).
Caracteristicile monitorizate, evaluate în figura 7(a), reprezintă semnul vital pe care fiecare metodă îl poate măsura. O valoare maximă de 100% a fost asociată cu numărul maxim de caracteristici extrase, iar o valoare nulă de 0% a fost asociată cu absența oricărei caracteristici măsurate de sistem. Cel mai mare număr (100%) de caracteristici extrase, inclusiv SpO2, umiditatea, HR și temperatura, au fost monitorizate atât cu ajutorul incubatoarelor comerciale, cât și cu cel de transport. Mai mult, 75% din caracteristicile extrase, inclusiv SpO2, HR și temperatura, au fost extrase de către incubatorul Handy, iar în rest, valoarea a fost nulă.
Legătura dintre mamă și copilul prematur, evaluată în figura 7(a), reprezintă contactul copilului prematur cu mama. O valoare maximă de 100% (cu o abatere standard mică) a fost asociată cu contactul maxim mamă-copil prematur asigurat de sistem. O valoare nulă de 0% a fost asociată cu absența oricărui contact între sugar și mamă, adică atunci când sugarul este plasat într-un incubator complet închis în NICU. Legătura dintre mamă și nou-născutul prematur există pe deplin (100%) în KMC, în încălzitorul de îmbrățișare și în incubatorul nostru Handy. Ea lipsește cu desăvârșire în incubatoarele comerciale și de transport.
Mobilitatea sistemului, evaluată și în figura 7(a), reprezintă capacitatea de mobilizare a sistemului de terapie intensivă. O valoare maximă de 100% a fost asociată cu mobilitatea maximă fezabilă, iar o valoare nulă de 0% a fost asociată cu o metodă fixă. Performanța maximă a mobilității sistemului a fost asociată cu KMC, încălzitorul de îmbrățișare și incubatorul Handy.
Suportul terapeutic, evaluat în figura 7(b), este contactul prematurului cu mama. O valoare maximă de 100% a fost asociată cu suportul terapeutic și tratamentul maxim asigurat de sistem. O valoare nulă de 0% a fost asociată cu sprijinul terapeutic minim. Performanța maximă (100%) a suportului terapeutic a fost asociată incubatoarelor comerciale și Handy.
Mediul, evaluat în figura 7(b), reprezintă natura interfeței metodei cu mediul înconjurător. Un mediu închis reprezintă izolarea totală a prematurului, în timp ce mediul deschis reprezintă izolarea care permite aspirarea prematurului din aerul ambiant din jur. În special, izolarea care permite inhalarea a fost asociată cu cea mai mare performanță (100%). Performanța tipului de mediu a fost maximă în cazul încălzitorului radiant, al KMC, al încălzitorului îmbrățișat și al incubatorului Handy.
Modelul de proiectare, evaluat și în figura 7(b), reprezintă capacitatea de mobilizare a sistemului de terapie intensivă. Performanța maximă (100%) a modelului de proiectare a fost asociată cu KMC, iar apoi 75% a fost asociată cu incubatorul Handy.
Costul (în 1000$) al incubatorului Handy a fost reprezentat și comparat cu costul incubatorului comercial, al incubatorului de transport, al încălzitorului radiant și al încălzitorului de îmbrățișare, iar rezultatele sunt prezentate în figura 8. Intervalul deviației standard se datorează prezenței diferitelor modele de incubatoare comerciale cu specificații diferite. Costul reprezintă costul mediu al acestor incubatoare existente. După cum se arată în figura 8, costul cel mai ridicat al incubatorului este asociat cu incubatorul comercial. În special, prețul brut raportat depinde de companie și de accesorii. KMC este lipsit de costuri, iar costul atât al incubatorului Handy, cât și al încălzitorului de îmbrățișare este de aproximativ 300$, în timp ce costul incubatorului comercial este în medie de 32K$ (variază între 1K$ și 55K$).
6. Discuție
Diverse avantaje sunt asociate cu metodele de terapie intensivă existente, fie că este vorba de terapie deschisă sau închisă. Deși incubatoarele comerciale pentru sugari și incubatoarele fixe, mobile și transportabile conservă o temperatură adecvată pentru sugar și monitorizează parametrii de bază, acestea diferă în ceea ce privește greutatea, dimensiunea, costul și accesoriile compatibile . Avantajul major al unui încălzitor radiant este îngrijirea cu acces deschis pe care o oferă sugarilor prematuri, care sprijină proceduri precum intubația endotraheală . Acest lucru a fost în concordanță cu performanța de tip mediu 100% a încălzitorului radiant observat în lucrarea noastră. Cu toate acestea, performanța generală a fost de 37,5 ± 0,9 %, după cum se arată în tabelul 1.
|
||||||||||||||||||||
KMC este o tehnică de îngrijire deschisă, iar o analiză recentă a raportat o reducere de 40% a riscului de mortalitate după externare . Alte beneficii au inclus o creștere a alăptării, a legăturii dintre mamă și copil și a rezultatelor de dezvoltare . Acest lucru s-a reflectat în performanța de 100% a KMC, atunci când s-a studiat prezența/absența legăturii mamă-infant. Constatările menționate mai sus și aprobarea OMS pentru KMC susțin performanța generală bună a KMC observată în rezultatele noastre (75 ± 1,4 %). Absența restului de 25% s-ar putea datora limitării greutății inferioare la 800 g, așa cum au sugerat Lawn et al. .
Incubatoarele sunt utilizate destul de mult, majoritatea unităților constau din două moduri de funcționare: controlul manual al temperaturii aerului și controlul automat al temperaturii pielii . Majoritatea unităților permit utilizatorului să măsoare umiditatea relativă și să ofere suport de oxigen sugarului atunci când este necesar . Aceste fapte au fost în concordanță cu constatările noastre, unde incubatorul comercial a fost asociat unei performanțe de 100% în ceea ce privește extragerea caracteristicilor și suportul terapeutic, cu o deviație standard aproape neglijabilă.
În ceea ce privește informațiile despre prototipul de incubator la îndemână, Fallon a implicat utilizarea aparatului cardiopulmonar pentru a monitoriza și afișa datele pe un ecran LCD . În cazul în care FC a sugarului devine prea lent sau prea rapid, acesta dă o alarmă . Analog cu munca lui Fallon, am programat incubatorul nostru Handy pentru a da o alarmă atunci când există o scădere a caracteristicilor extrase.
Recent, oamenii de știință de la Baby Center au publicat un monitor de tensiune arterială prin conectarea unei manșete miniaturizate de tensiune arterială în jurul piciorului sau brațului sugarului pentru a monitoriza tensiunea arterială . În mod analog cu munca lor, noi am folosit o oximetrie și am conectat manșeta miniaturizată a tensiunii arteriale la piciorul sugarului.
Cubitorul nostru Handy poate fi ușor de transportat de către mamă și accesibil în țările cu venituri medii și mici. Spre deosebire de sistemul mOm furnizat de James et al. căruia îi lipsește legătura dintre mamă și copil și alăptarea , în sistemul nostru, sugarul poate beneficia de avantajul fiziologic al alăptării la sân de pe o parte, așa cum este furnizat de KMC, și asigură un mediu cald și antibacterian de pe cealaltă parte.
Sistemul nostru Handy asigură, de asemenea, extragerea caracteristicilor biomedicale ale FC premergătoare, ale temperaturii și ale nivelului SpO2 și le afișează pe un LCD, iar acest lucru a fost reflectat de performanța de 75 ± 1,5 % din figura 7(b). Absența celor aproximativ 25% rămași se datorează lipsei de măsurare a umidității.
În mod notabil, utilizarea excesivă/insuficientă a alimentării cu oxigen a prematurilor le poate dăuna; prin urmare, SpO2 a fost monitorizată în incubatorul nostru Handy și a fost menținută între 90 și 93% pentru a evita bolile. Pulsoximetria este o metodă avantajoasă de monitorizare a oxigenării, deoarece este continuă și neinvazivă .
În caz de urgență, am programat sistemul pentru a asigura furnizarea temporară de oxigen. Ne-am asigurat, de asemenea, să avem un incubator Handy rentabil în comparație cu alte metode de terapie intensivă .
Testarea incubatorului nostru a fost necesară pentru a controla calitatea designului electric, termic și grafic al incubatorului.
Incubatorul Handy asigură un tratament terapeutic bun, cum ar fi furnizarea de oxigen și căldură. Acest lucru deschide calea medicului de a monitoriza starea prematurului prin diagnosticarea celor trei semne vitale afișate pe ecranul LCD și salvarea lor în memorie.
În plus față de forma plăcută, sistemul nu produce niciun zgomot în timpul pornirii sau mișcării, datorită absenței ventilatoarelor și datorită alegerii materialelor folosite la fabricare.
Performanța generală a incubatorului KMC (75 ± 1,4%) a fost mai bună decât cea a încălzitorului de îmbrățișare (66,7 ± 1,5%) din specificațiile explorate de noi. Cu toate acestea, incubatorul nostru Handy a depășit toate metodele de terapie intensivă, cu o performanță globală de 91,7 ± 1,6% (tabelul 1). Incubatorul Handy este o tehnică ușor de utilizat. În ciuda faptului că incubatorul nostru a necesitat timp pentru a fi imprimat 3D, costul său a fost rezonabil în comparație cu incubatoarele comerciale scumpe. Prin urmare, incubatoarele Handy sunt promițătoare, în special în țările cu venituri medii și cu venituri mici.
7. Concluzii și perspective
Cercetarea noastră originală este compusă atât din contribuții hardware, cât și software. Implementarea software a implicat programarea platformei de procesare prin Arduino. Execuția hardware a implicat imprimarea 3D a incubatorului Handy și a circuitului său și conectarea acestora la Arduino. Incubatorul nostru Handy este proiectat pentru a fi portabil, nu este greu și este eficient din punct de vedere al costurilor.
Cu progresul prototipului nostru nou tipărit 3D al incubatorului Handy pentru nou-născuți prematur, multe vieți ar putea fi salvate. Din cauza lipsei unor metode de terapie intensivă rentabile pentru monitorizarea tuturor semnelor vitale și salvarea datelor și a lipsei unui sistem care să poată fi ținut de mâini, am acceptat provocarea de a proiecta incubatorul nostru pentru sugari handy și rentabil. Proiectul nostru monitorizează semnalele vitale (temperatură, HR și SpO2) și le afișează. Incubatorul Handy asigură alăptarea și este eficient din punct de vedere al costurilor. Procentul de performanță evaluat arată că acesta depășește metodele de terapie intensivă existente.
Sistemul nostru a rezolvat multe dintre provocări, dar există totuși o marjă pentru mai multe îmbunătățiri.
Pe viitor pot fi următorii pași: (i)Colectarea mai multor date despre senzorul cu infraroșu MAX30100 pe care l-am atribuit în sistemul nostru pentru a îmbunătăți citirea oximetriei.(ii)Redarea și actualizarea codului furnizat de producătorul senzorului care cuprinde două LED-uri și un fotoreceptor cu un microprocesor, pentru a oferi o lățime a impulsului și o intensitate luminoasă specifice pentru a îndeplini criteriile medicale.(iii)Utilizarea celulei Peltier (componentă electronică bazată pe semiconductori care funcționează ca o mică pompă de căldură conform „efectului Peltier”) în locul încălzitorului.(iv)Modificarea plăcii electronice prin adăugarea unui control al încărcării (urmărirea punctului de putere maximă) pentru a căuta punctul de putere maximă și prin căutarea rezonanței rezistenței de sarcină cu rezistența de alimentare care are eficiența maximă de încărcare.(v)În cele din urmă, îmbunătățirea software-ului și furnizarea unui server web pentru realizarea și cercetarea în domeniul telesănătății.
Disponibilitatea datelor
Deoarece am furnizat o nouă invenție și o cercetare originală aplicată pe această nouă invenție, iar dispozitivul nostru este, de asemenea, sub o prelungire prelungită pentru îmbunătățire, de asemenea, stabilim o colaborare cu o companie de inginerie biomedicală pentru dezvoltarea dispozitivului nostru, astfel încât am lăsat datele confidențiale până când vom înregistra această invenție pe numele nostru.
Conflicte de interese
Toți autorii declară că nu există conflicte de interese.
Recunoștințe
Autorii doresc să mulțumească Dr. Mohammad Arnaout, Dr. Lara Hamawy și domnișoarei Alaa Zaylaa pentru informațiile de susținere. Acest proiect a fost finanțat de Universitatea libaneză și de University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, SUA.
.