Abstract
För tidigt födda barn drabbas av en plötslig förlossning innan de är helt mogna under graviditetens tredje trimester. I opinionsundersökningar förutspås en ökning av antalet för tidigt födda barn för 2025, särskilt i medel- och låginkomstländer. Trots det stora utbudet av intensivvårdsmetoder för för tidigt födda barn, såsom, men inte begränsat till, kommersiella metoder, transportmetoder, omfamningsvärmare, strålningsvärmare och Kangaroo Mother Care-metoder, är de antingen dyra, saknar de mest väsentliga kraven eller specifikationerna eller saknar bandet mellan mor och för tidigt födda barn. Detta drev oss till att genomföra denna ursprungliga forskning och innovativa idé om att utveckla en ny 3D-utskriven prototyp av en Handy-inkubator för för tidigt födda barn. Vårt mål är att tillhandahålla den mest oumbärliga intensivvården till lägsta möjliga kostnad, att förse låginkomstländer med Handy-kuvösens vård, bevara bandet mellan moder och prematur och minska dödligheten. Biomedicinska funktioner, elektronik och biokompatibla material har använts. Konstruktionen simulerades, prototypen 3D-printades och resultaten testades och utvärderades. Simuleringsresultaten visade att Handyinkubatorns komponenter passade bäst. Experimentella resultat visade den 3D-printade prototypen och den tid som gick åt för att få fram den. Utvärderingsresultaten visade att den totala prestandan för Kangaroo Mother Care och omfamningsvärmaren var 75 ± 1,4 % respektive 66,7 ± 1,5 %, medan den totala prestandan för vår Handy-kuvös var 91,7 ± 1,6 %, varvid vår kostnadseffektiva Handy-kuvös överträffade de befintliga intensivvårdsmetoderna. Det framtida steget är att förknippa Handyinkubatorn med fler specifikationer och framsteg.
1. Introduktion
Förtida förlossning är den plötsliga förekomsten av en förlossning vid mindre än 37:e graviditetsveckan. Under den tredje trimestern, det vill säga 27-40 graviditetsveckor när det stora fosterutvecklingsstadiet inträffar, genomgår spädbarnet en dramatisk transfusion i sitt andningssystem som gör det möjligt för dem att andas för första gången. Efter den tredje trimestern är fostret vanligtvis inställt på att födas . Enligt Världshälsoorganisationens (WHO) epidemiologi anses 1 av 10 nyfödda barn vara ett prematurt barn . År 2010 föddes 15 miljoner för tidigt födda barn. Av dessa 15 miljoner dog 1 miljon barn på grund av för tidig födsel. För tidigt födda barn rankades då som den främsta dödsorsaken för för tidigt födda barn under den första månaden efter födseln och efter födseln. Det är också globalt sett rankat som den andra dödsorsaken för barn som inte fullföljde sina fem år .
Senare visade en studie att antalet för tidiga födslar minskade från 2007 till 2014 på grund av det minskade antalet födslar hos tonåringar och unga mödrar . De rapporterade också en liten ökning av det nationella antalet för tidiga födslar mellan 2014 och 2015 . I nästan alla länder med tillförlitliga uppgifter ökar antalet för tidiga födslar kontinuerligt. Blencowe et al:s systematiska analys visade en kontinuerlig ökning av antalet överlevande för tidigt födda barn i de flesta länder. Den genomsnittliga årliga förändringstakten från 2005 till 2010 bibehölls till , men var fortfarande likvärdig med prematur död.
I höginkomstländer överlever nästan alla dessa rapporterade prematura barn. I låginkomstländer dör hälften av de spädbarn som föds vid 32 veckor eller mindre på grund av brist på genomförbar, kostnadseffektiv vård, t.ex. brist på värme, amningsstöd och infektionskontroll, samt förekomst av andningssvårigheter.
Oavsett orsakerna till för tidig födsel har många studier fokuserat på att övervaka mammans och fostrets tillstånd för att minska och förutsäga symptomen och på så sätt undvika för tidiga förlossningar , medan andra fokuserar på att behandla utfallet, det vill säga för tidig födsel, för att direkt minska dödligheten .
För att behandla utfallet har det funnits intensivvårdsmetoder, till exempel terapeutiska metoder och anordningar som är tillgängliga på marknaden och anordningar som är under forskning. De varierar beroende på utformning, specifikationer och prestanda. De omfattar, men är inte begränsade till, kommersiella kuvöser, transportabla kuvöser, omfamningsvärmare, strålningsvärmare och metoder för Kangaroo Mother Care (KMC) . Många nackdelar var dock förknippade med de befintliga intensivvårdsmetoderna.
Trots förekomsten av intensivvårdsmetoder förutspåddes i en studie att andelen överlevande för tidigt födda barn för 2025 skulle vara . Eftersom den globala förväntade dödligheten hos för tidigt födda barn för 2025 är 91 %, drev detta oss att ta itu med detta problem och utveckla en ny prototyp av en kuvös för för tidigt födda barn för att främja intensivvård till en låg kostnad. Syftet med vår studie är att utveckla och 3D-printa en ny behändig, bärbar och kostnadseffektiv LCD-baserad inkubator för intensivvård, särskilt i medel- och låginkomstländer. Målet är att göra Handyinkubatorn genomförbar och användarvänlig och att den ska uppfylla hälsokraven för prematura spädbarn. Projektet är inriktat på för tidigt födda barn som plötsligt föds under graviditetens tredje trimester. De viktigaste vitala tecknen, inklusive temperatur, hjärtfrekvens och syrenivå, övervakades, och avancerade biokompatibla material valdes noggrant ut för behandling av prematura barn.
Resten av den här artikeln är organiserad enligt följande. I avsnitt 2 redogör vi för de befintliga metoderna för intensivvård. I avsnitt 3 presenterar vi Handy preterminkubatorns material. I avsnitt 4 presenterar vi prototypen för Handy förtidsinkubatorn. I avsnitt 5 presenteras resultaten. I avsnitt 6 diskuterar vi resultaten och i avsnitt 7 ger vi en allmän slutsats och framtida arbete.
2. Befintliga intensivvårdsmetoder för prematura spädbarn
Efter att ha sökt i PubMed, ScienceDirect och Google scholar sammanfattade vi resultaten av litteraturgenomgången och delade in dem i två kategorier: öppen vård och sluten vård.
2.1. Slutna vårdmetoder
Dessa metoder omfattar de spädbarnskuvöser som finns på Neonate Intensive Care Unit (NICU), ett intensivvårdssystem som förser spädbarnet med värme, på ett stadigt stabilt sätt, genom en uppvärmd luftcirkulation över huden. Efter flera framsteg har spädbarnsinkubatorn fått fuktighetskontroll, syretillförsel och andra tillbehör. Spädbarnskuvösen kan vara fast, mobil eller transportabel . Kuvöserna saknar dock det band som finns mellan mor och barn och är dyra, särskilt i medel- och låginkomstländer. Detta utlöste andra studier för att utveckla bärbara, billigare och genomförbara system som används i hemmet .
Den fasta spädbarnsinkubatorn som vanligen används på NICU, på grund av förekomsten av en mängd olika tillbehör, kan behandla alla fall. Den fasta kuvösen ses som ett perfekt val eftersom den är ansluten till väggförsörjning och ger en lämplig miljö för spädbarnet. Fasta kuvöser är dock extremt dyra och har samma koncept att producera värme genom att trycka på uppvärmd luft genom fläktar. Denna teknik ger upphov till buller, vilket påverkar spädbarnet negativt. Även om en sådan kuvös registrerar värmemätningar använder den elektroder som måste anslutas till det för tidigt födda barnet hela tiden, vilket påverkar barnets ömtåliga hud. Bristande amning och bristande rörlighet gör det dessutom extremt svårt för spädbarnet att gå från en avdelning till en annan, vilket ledde till uppfinningen av mobila kuvöser.
En mobil kuvös är en modifierad fast kuvös som har samma funktion som den fasta kuvösen. Mobila kuvöser har extra hjul, kan transporteras inne på sjukhuset, endast, och kräver extra verktyg för att försörja systemet med el och syre . Dessa kuvöser har samma nackdelar som fasta kuvöser. Även om mobila kuvöser är bra lösningar när spädbarnet måste transporteras inne på sjukhuset är de opraktiska när spädbarnet måste transporteras utanför sjukhuset. För detta ändamål har transportinkubatorer dykt upp .
Transportinkubatorer är små bärbara inkubatorer som kan transportera spädbarnet med hjälp av bil eller flygplan. Trots att transportinkubatorer är det enda alternativet för att transportera för tidigt födda barn utomhus har transportinkubatorer flera nackdelar, t.ex. den extremt höga kostnaden och tyngden, termostatfel och risk för elektriska stötar .
2.2. Öppna vårdmetoder
KMC är en lösning på bristerna i kuvöser för för tidigt födda barn, vilket ger upphov till höga sjukdomsfrekvenser och hög dödlighet bland för tidigt födda barn på sjukhus. Den ger värme och amning genom hudkontakt mellan spädbarn och mamma. Denna bindning/kontakt säkerställer en stabil temperatur hos det för tidigt födda barnet. Även om KMC kunde minska spädbarnens sjuklighet jämfört med konventionella kuvöser är den fortfarande begränsad av olika faktorer. KMC kan inte övervaka spädbarnets temperatur, hjärtfrekvens, syrenivå och luftfuktighet, vilket innebär att spädbarnet riskerar att bli instabilt och skadligt. KMC behöver skickliga mänskliga resurser som sjuksköterskor, vilket gör intensivvården mer komplicerad.
En annan öppen intensivvårdsmetod är strålningsvärmaren som fungerar enligt lagarna för strålningsvärme. Denna anordning förser de för tidigt födda med den nödvändiga strålningsenergin som en alternativ process till konventionell konvektionsuppvärmning . Strålningsvärmaren består av en säng, en uppvärmningsenhet över huvudet och en temperatursensor . Strålningsvärmare lider av en dramatisk ökning av värmeförlusten på grund av avdunstning .
Omslutningsvärmare som består av tre delar, det vill säga en baby uppskattad sovsäck eller spädbarnsgränssnitt, ett fack av fasförändringsmaterial och en värmare , är bra lösningar för att reglera för tidigt födda spädbarns kroppstemperatur. Samtidigt ger inte omfamningsvärmare någon övervakning av spädbarnets viktiga parametrar och saknar nödlarm. Dessutom kräver de kontinuerlig fasväxling vilket orsakar fluktuationer i spädbarnets temperatur och utelämnar allt terapeutiskt stöd.
Alla ovannämnda problem ledde till att vi utvecklade den nya Handy-inkubatorn för för tidigt födda spädbarn.
3. Material för Handy-inkubatorn för prematura spädbarn
Den nya Handy-inkubatorn krävde flera material och verktyg på grund av de olika bidragen som var inbäddade i den.
I tredje trimestern är fostret nästan bildat och redo för födseln . Därmed valdes noggrant den genomsnittliga storleken, vikten, höjden, huvudomfånget och bukomfånget för ett för tidigt fött barn. Under de sista tre månaderna av graviditeten fortsätter spädbarnets hjärna att expandera, så huvudets omkrets ökar från cirka 28 cm (11 tum) till 38 cm (15 tum). Samtidigt ökar fostrets totala kroppslängd ungefär från 38 cm (15 tum) till 48 cm (19 tum). Fostrets genomsnittliga vikt ökar från 1,4 kg till 3,4 kg.
3.1. Elektriska och elektroniska komponenter
Den praktiska kuvösen krävde ATmega328-mikrokontrollern för att starta och lagra data.
Arduino Micro användes för att hjälpa mikrokontrollern, eftersom mikrokontrollern krävde en överväldigande uppsättning kretsar och monteringsspråk. Arduino Micro assisterar mikrokontrollern med regulatorer, med en ram av fria bibliotek och andra. Ramverket ger enklare programmering och undviker att förlora tid på programmeringsspråk på låg nivå och registrering av adresser .
Den Atmega328 som användes löddes med en tryckknapp för återställning, några lysdioder för att visa dataövergång och mottagning, och stift märkta med motsvarande stift. Dess bakre del möjliggör kommunikation med USB och regulatorn Integrated Chip (IC) för att ge stabil spänning till ATmega328.
Också oximetern MAX30100 användes. Det är en optisk sensor som bär Maxims integrerade pulsoximeter och HR-sensor. Regulator, termometer och microBUSinterintegrerad kommunikation (I2C) IC var hindrade på baksidan för att tillhandahålla en 3,3 V-försörjning, mäta temperaturen och tillhandahålla en seriell kommunikation.
UltraFire uppladdningsbara batterier (18 650 Li-ion 3,7 V med 9800 mAh kapacitet) användes . Med hänvisning till (1) var den lagrade energin 36,26 Wh. Därmed har en uppsättning med fyra batterier använts för att uppnå 9800 mAh, öka spänningen till 15 V och få en lagrad energi på 147 Wh.
3.2. Biokompatibla material och 3D-skrivare
Tre viktiga biokompatibla material användes i vår Handy-inkubator: silnylon, mylarplattor och bambustyg. Silnylon användes som ett yttre lager på grund av dess ultralätta vikt, vindtät och förmåga att isolera systemet och spädbarnet från den yttre miljön . Mylarfolien användes på grund av dess höga draghållfasthet, kemiska och dimensionella stabilitet, transparens, reflektionsförmåga, gas- och arombarriär och elektriska isolering . Bambustyget användes på grund av dess antibakteriella egenskaper, smidighet, andningsförmåga och stora vattenabsorption . 3D-skrivaren ZONESTAR användes för att skapa vår Handy-inkubator på grund av dess olika parametrar:(i)Material för ramstrukturen, inklusive utskriftshastighet (40-100 mm/s), maximal utskriftsstorlek (220 × 220 × 220 mm) och munstyckesstorlek (0,4 mm).(ii)Utskriftsmaterial: poly-mjölksyra (PLA) och andra, med en diameter som inkluderar positioneringsnoggrannhet i X och Y (0,01 mm) och i Z (0,00025 mm).(iii)Strömförsörjning för varmbädden: 12 V, 140 W.(iv)Programvara för utskrift: Cura, Repetier-Host Kisslicer, etc.; operativsystem kompatibelt med Windows, Linux och Mac.(v)Smältningstemperatur: Temperatur: 1,5 °C: 157-170 °C; draghållfasthet: 61-66 MPa; böjhållfasthet: 48-110 MPa.
En annan fördel med ZONESTAR 3D-skrivaren är dessutom att den är baserad på FDM-skrivaren (Fused Deposition Modeling), som är vanlig och kostnadseffektiv, och ger en anpassad geometri och högre prestanda.
3.3. Värmeöverföringskomponenter
Två viktiga värmeöverföringskomponenter var inbäddade i vår Handy-inkubator: patronvärmarrippan och varma/kalla förpackningar. Patronvärmaren var den första källan till värmeenergi, som omvandlar elektrisk energi som lagras i batterierna till värmeenergi, som i sin tur lagras och överförs till spädbarnet. Värmepatronerna är tillverkade av rostfritt stål och drivs med 12 V DC med en effekt på 40 watt. Värmesonden har cylindrisk form med en diameter på 6 mm och en längd på 20 mm. Denna lilla sond valdes för att säkerställa att all värmeenergi överförs till gelsäcken. Den andra komponenten var den varma/kalla packningen som är ett kemiskt vax som bevarar värmeenergi och överför den till patienten via konduktans.
4. Prototyp av Handy inkubator för för tidigt födda barn
De nya stegen för att erhålla prototypen av Handy inkubatorn och teststegen tillhandahålls.
4.1. Steg i genomförandet av prototypen
Stegen är uppdelade i två stora delar: steg för verklig och simulerad prototyp och steg för testning av verklig prototyp. Blockdiagrammet i figur 1 representerar vår inkubators verkliga prototypsteg. Efter att det för tidigt födda spädbarnet placerats i den nya kuvösen övervakades (diagnostiserades) kontinuerligt tre vitala tecken och funktioner, HR, temperatur och SpO2, via mikrokontrollern. De övervakade parametrarna visades sedan på Handy-kuvösens LCD-skärm. Dessutom följde systemets strömkälla ett batterihanteringssystem (BMS).
Vid varje fall utanför det normala intervallet för antingen syrenivån eller temperaturen hos den för tidigt födda barnet, slås en summer på för en nödintervention (terapi), t.ex. för att släppa ut syret eller slå på värmarna. Detta system stöds av ett BMS som säkerställer rörligheten hos vår nya kuvös. Simuleringen börjar med att man via AutoCAD ritar alla nödvändiga delar som finns i blockdiagrammet i figur 1, i enlighet med den tidigare nämnda storleken och vikten på det för tidigt födda barnet. Blockdiagrammet visar planen för den önskade kompakta kuvösen som säkerställer amning och kan hållas i handen (Handy).
Efter simuleringsstegen kan de verkliga prototypstegen reproduceras på följande sätt: i) Programmera mikrokontrollern så att den kan kommunicera med sensorerna och andra delar. ii) Integrera MAX30100 för att säkerställa avläsningen från spädbarnets ben. iii) Övervaka HR och SpO2 biologiska egenskaper icke-invasivt med MAX30100. MAX30100 mäter absorptionen av två olika våglängder av ljus, och den mäter absorptionen av pulserat blod genom att mäta röda och infraröda vågor som reflekteras från hemoglobin (HbO2) och deoxihämoglobin (Hb). De olika intensiteterna beror på deras olika absorptionskoefficienter. iv) Mät temperaturen via MAX30100, eftersom den innehåller en inbyggd temperatursensor på sitt chip. v) Bearbeta signalen med hjälp av en analog signalbehandlingsenhet med lågt brus. vi) Välj storleken på den nya prototypen så att den är kompatibel med storleken på ett spädbarn i tredje trimestern . HR beräknades genom att beräkna antalet slag per minut (bpm). Hjärtat pumpar blod via pulserande, detta leder till hög intensitet av celler på huvudet av varje puls, och sedan upptäcks pulsen genom att detektera ett högt antal celler. Den höga intensiteten i huvudet på en puls leder till hög reflektion, som minskar när intensiteten minskar och bildar pulser.
Dessa pulser kan fångas upp genom att fastställa ett tröskelvärde, och när det infraröda ljuset (den reflekterade signalen) överskrider detta tröskelvärde räknas slaget. Detta testades i laboratoriet på en normal människa.
Värmarna testades på vatten och temperatursensorerna testades på det uppvärmda och kylda vattnet. Slutligen testades batterikapaciteten med hjälp av en voltmeter.
5. Resultat
5.1. Resultat av Handy-inkubatorn för för tidigt födda barn
Efter att ha tillämpat alla genomförandestegen i avsnitt 3 presenterar vi de simulerade och 3D-utskrivna (riktiga) prototypresultaten av vår Handy-inkubator, utöver test- och utvärderingsresultaten.
5.1.1. Simulerad prototyp
Den simulerade prototypen med de verkliga dimensionerna av Handy-inkubatorn visas i figur 2(a) från en sidovy och i figur 2(b) från en toppvy (i centimeter). En plastsköld, ett gelpaket och spädbarnet är färgade i grönt, rött respektive gult. Den totala längden på Handy-kuvösen är 61,23 cm och lådans längd är 8 cm (ingår i de 61,23 cm). Plastsköldens tjocklek är 0,50 cm, och mylar- och bambuskikten är 0,55 mm vardera. Tjockleken på gelpaketet är 2 cm. De blå, gröna, röda och gula färgerna i figur 2(b) representerar det yttre skiktet, plastskölden, gelpaketet respektive spädbarnet. Det yttre lagret omger spädbarnet och innehåller därmed en hall med radien 10 cm och tre små rektanglar. Syftet med hallen var att ge spädbarnet utrymme att andas in syre från omgivningen och säkerställa amning. De tre små rektangulära tygerna användes för att hålla fast tygets två ändar.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
Den slutna simuleringen av Handy-kuvösen visas i figur 2(c), där spädbarnet (färgat i gult) placeras inuti och omges av det yttre lagret (färgat i blått). Den gröna rektangeln och de fyra cirklarna ovanpå lådan är LCD-displayer och tryckknappar. Figur 2(d) visar den totala storleken på den simulerade Handy-kuvösen medan mamman håller den med händerna.
Den nya kuvösens simulerade basdel visas i figur 3(a), och lådans etikett visas i figur 3(b). Det röda utrymmet representerar den position där kretskortet är fastsatt. Den blå delen representerar batterihandtaget; batterihandtaget tål upp till åtta batterier. Dessutom innehåller lådan två stora hål för fixering av syrgasflaskan, ett hål för strömkällans deluge och ON/OFF-omkopplare samt ett kugghandtag som fixerar kugghjulet på sin plats med hjälp av skruvar. Figur 3(b) visar simuleringen av alla delar som krävs för att bilda vår nya kuvös. Plastskölden utgör skelettet för vår behändiga kuvös (dess totala längd är cirka 62 cm). Plastskölden har delats upp i fyra delar som är sammanfogade med skruvar och muttrar. Figur 3(c) visar simuleringen av uppvärmningsenheten, det röda objektet är paketet som representerar gelsäckarna och det blå objektet är tyget som omger preterm. Gelpaketet består av fem säckar; varje säck består av en gel, förutom en värmare och en termometer för att kontrollera den genererade värmen.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(a)
(b)
(c)
(d)
Syreavgivningsdelen (som visas i figur 3(d)) simulerades att befinna sig ovanför spädbarnets ansikte, med hjälp av en rörliknande mekanisk ventil, en stegmotor med en växel och en syrgasflaska. Syrgaskällan är färgad i brunt och syrgasflaskan simulerades inuti lådan. Det är värt att notera att syrgasöverföringsrören är inbäddade i plastskölden för att undvika att de kraschar på grund av den yttre mekaniska belastningen.
5.1.2. Preliminär 3D-utskriven prototyp
3D-utskrift var det andra steget mot att få fram de riktiga prototypdelarna. AutoCAD-filer importerades till 3D-skrivaren med hjälp av ett minneskort för att skriva ut delarna. Modellen och utskriftstiden redovisas i figur 4. Hamlet tog 20 timmar. Lådans etikett tog 17 timmar och 40 minuter, lådans lock 20 timmar och de två sköldarna 20 timmar. Den totala tiden för att få alla delar utskrivna var 66 timmar 40 minuter.
Tyglagrens sömnad, montering och kretsar illustreras i figurerna 5(a) och 5(b).
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Kretskortsprocessen representeras i figur 5(a), från både det nedre och övre lagret som trycktes, UV-ljuskällan, till kretskortet efter att det har tvättats med vatten. Syningsstegen visas i figur 5(b). Den representerar limning av mylar med kartong, resultatet av limning av silnylon med mylar och kartong, hur det erhållna tyget fästs på Handy-kuvösen och bambustyget som hålls ovanpå gelpaketen där spädbarnet ligger i den öppna Handy-kuvösen. Figur 5(c) visar den laboratorieuppställning som användes för att testa värmesystemets komponenter.
Den övergripande riktiga prototypen av Handy-kuvösen visas i figur 6 (sluten form). Den blå tygfärgen är färgen på silnylon som är det yttre lagret. Vid gränserna för det omgivande tyget för spädbarn finns sticktaggar som gör det lätt att öppna och stänga systemet. Bambustyget är också fastsatt i det omgivande tyget för spädbarn med hjälp av sticklappar, vilket innebär att bambustyget lätt kan avlägsnas, rengöras och installeras på nytt.
5.2. Testresultat av Handy preterminkubator
Efter att ha presenterat båda hårdvarudelarna i Handy preterminkubator presenterar vi test- och felsökningsprocesserna: (i) de elektriska testresultaten för de batterier som är avsedda att försörja systemet, (ii) den värmeenergi som frigörs och uppvärmningssystemet samt (iii) den infraröda testningen. Även utvärdering och hantering av Handy preterm inkubatorns specifikationer och kostnad tillhandahålls och jämförs med de befintliga intensivvårdsmetoderna.
Elektrisk testning av batteriernas kapacitet erhölls genom att ladda batteriet fullt ut (tills batterispänningen nådde 4.2 V), framställa en enkel krets som behöver specifik ström (känd som testströmmen), och mäta den tid som behövs för att helt urladdning (tills batterispänningen nådde 2,5 V), vilket var kapaciteten.
Testet upprepades på UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V med testströmmarna , och de resultat som erhölls var 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955 respektive 0,626, och kapaciteten var inte tillräckligt stor. Därför använde vi två uppsättningar seriebatterier som var parallellkopplade i stället för en enda uppsättning, för att uppnå en energi på 23,855 kJ. Denna energi räckte till för att värma systemet en gång och kan bibehålla värmen i cirka 16 timmar.
Resultaten av både värmesystemet som är inbyggt i Handy-inkubatorn och testerna av den termiska energin redovisades i vår tidigare publikation .
När det gäller isoleringen gav kuvösens tyg och biokompatibla material en god isolering.
Infraröd testning inkluderade MAX30100, och resultaten jämfördes med resultaten från oximetrisensorer som används i mobiltelefoner, en specialist på medicinsk utrustning för övervakning av SpO2, och HR med hjälp av oximetrisensorer. MAX30100-resultaten var tillförlitliga och låg närmare den medicinska utrustningen än mobilsensorn.
5.3. Utvärdering av Handy inkubator för för tidigt födda barn jämfört med intensivvårdsmetoder för för tidigt födda barn
Utvärderingen av vår Handy inkubator omfattade en jämförelse med jämnåriga intensivvårdsmetoder. Tre stapeldiagram för flera avgörande faktorer med de standardavvikelser som påförts stapeldiagrammen visas i figurerna 7 och 8. Dessa specifikationer är pris, miljö, mätningar, moderbindning, prototyp, rörlighet och andra faktorer. Varje specifikation var förknippad med en färg i varje stapeldiagram, från en ljusgrön till en mörkgrön färg.
(a)
(b)
(a)
(b)
Vår Handyinkubator jämfördes med den kommersiella inkubatorn, transportinkubatorn, strålningsvärmaren, KMC och omfamningsvärmaren, och resultaten visas i figur 7. Variationen av typen av övervakade egenskaper eller registrerade mätningar representeras till exempel av ett stapeldiagram i figur 7(a) i förhållande till intensivvårdsmetoderna. Variationen i bandet mellan mor och prematurt barn och variationen i rörlighetsspecifikationerna eller systemets rörlighet jämfört med intensivvårdsmetoderna redovisas också. Variationen av det terapeutiska stödet, systemets miljötyp och designmodellen utvärderades och jämfördes med intensivvårdsmetoderna i figur 7(b).
De övervakade egenskaperna, som utvärderas i figur 7(a), är de livstecken som varje metod kan mäta. Ett maximalt värde på 100 % var förknippat med det maximala antalet extraherade funktioner, och ett nollvärde på 0 % var förknippat med avsaknad av någon uppmätt funktion av systemet. Det högsta antalet (100 %) extraherade funktioner, inklusive SpO2, luftfuktighet, hjärtfrekvens och temperatur, övervakades med både kommersiella kuvöser och transportkuvöser. Dessutom utvanns 75 % av de extraherade funktionerna, inklusive SpO2, HR och temperatur, av Handy-kuvösen, och noll i övrigt.
Bandet mellan mor och för tidigt födda barn, som utvärderas i figur 7(a), är det för tidigt födda barnets kontakt med mamman. Ett maximalt värde på 100 % (med en liten standardavvikelse) förknippades med den maximala kontakten mellan mor och prematurt spädbarn som säkerställdes av systemet. Ett nollvärde på 0 % var förknippat med avsaknad av all kontakt mellan spädbarn och mor, dvs. när spädbarnet placeras i en helt stängd kuvös på neonatalvårdsavdelningen. Bandet mellan mor och för tidigt födda barn är fullständigt (100 %) i KMC, Embrace Warmer och vår Handy-kuvös. Den saknas helt i de kommersiella inkubatorerna och transportinkubatorerna.
Systemets rörlighet, som också utvärderas i figur 7(a), är förmågan att mobilisera intensivvårdssystemet. Ett maximalt värde på 100 % var förknippat med maximal genomförbar rörlighet och ett nollvärde på 0 % var förknippat med en fast metod. Det maximala resultatet av systemets rörlighet var förknippat med KMC, Embrace Warmer och Handy-kuvösen.
Det terapeutiska stödet, som utvärderas i figur 7(b), är för tidigt födda barns kontakt med mamman. Ett maximalt värde på 100 % var förknippat med det maximala terapeutiska stödet och den behandling som systemet säkerställde. Ett nollvärde på 0 % var förknippat med minimalt terapeutiskt stöd. Det maximala resultatet (100 %) av det terapeutiska stödet var förknippat med de kommersiella kuvöserna och Handy-kuvöserna.
Miljön, som utvärderas i figur 7(b), är karaktären på metodens gränssnitt mot omgivningen. En sluten miljö är total isolering av det för tidigt födda barnet, medan den öppna miljön är en isolering som tillåter aspiration av det för tidigt födda barnet från den omgivande luften. Det är anmärkningsvärt att den isolering som tillåter inandning var förenad med den högsta prestandan (100 %). Miljötypens prestanda var högst i strålningsvärmaren, KMC, omfamningsvärmaren och Handy-kuvösen.
Designmodellen, som också utvärderas i figur 7(b), är förmågan att mobilisera intensivvårdssystemet. Den maximala prestandan (100 %) för designmodellen förknippades med KMC, och därefter förknippades 75 % med Handy-inkubatorn.
Kostnaden (i 1 000 dollar) för Handy-inkubatorn representerades och jämfördes med kostnaden för den kommersiella inkubatorn, transportinkubatorn, strålningsvärmaren och omfamningsvärmaren, och resultaten visas i figur 8. Standardavvikelsens storlek beror på att det finns olika kommersiella inkubatorkonstruktioner med olika specifikationer. Kostnaden är den genomsnittliga kostnaden för dessa befintliga inkubatorer. Som framgår av figur 8 är den högsta kostnaden för inkubatorn förknippad med den kommersiella inkubatorn. Det bruttopris som rapporteras beror på företaget och tillbehören. KMC är kostnadsfri, och kostnaden för både Handyinkubatorn och omfamningsvärmaren är cirka 300 dollar, medan kostnaden för den kommersiella inkubatorn i genomsnitt är 32 K$ (den varierar mellan 1 K$ och 55 K$).
6. Diskussion
Vissa fördelar är förknippade med de existerande intensivvårdsmetoderna, oavsett om det är öppen vård eller sluten vård. Även om de kommersiella spädbarnskuvöserna och fasta, mobila och transportabla kuvöserna upprätthåller en lämplig temperatur för spädbarnet och övervakar de grundläggande parametrarna, skiljer de sig åt i fråga om vikt, storlek, kostnad och kompatibla tillbehör . Den stora fördelen med en strålningsvärmare är den öppna vård som den ger för tidigt födda spädbarn, vilket underlättar förfaranden som endotrakeal intubation . Detta stämmer överens med strålningsvärmarens 100 % miljötypiska prestanda som observerades i vårt arbete. Den totala prestandan var dock 37,5 ± 0,9 % enligt tabell 1.
|
||||||||||||||||||||
KMC är en öppen vårdteknik, och en nyligen genomförd granskning rapporterade en 40-procentig minskning av risken för dödlighet efter utskrivning . Andra fördelar var ökad amning, ökad anknytning mellan mor och barn och ökade utvecklingsresultat . Detta återspeglades i KMC:s 100-procentiga resultat när man studerade närvaron/frånvaron av moder-barn-bindningen. De ovannämnda resultaten och WHO:s godkännande av KMC stöder det goda övergripande resultatet av KMC som observerades i våra resultat (75 ± 1,4 %). Avsaknaden av de återstående 25 % kan bero på att man begränsar den lägre vikten till 800 g enligt Lawn et al. .
Inkubatorer används i ganska stor utsträckning, och de flesta enheter har två driftssätt: manuell styrning av lufttemperaturen och automatisk styrning av hudtemperaturen . De flesta enheter gör det möjligt för användaren att mäta den relativa luftfuktigheten och ge spädbarnet syrgas vid behov . Dessa fakta stämde överens med våra resultat, där den kommersiella kuvösen var förknippad med en 100-procentig prestanda i funktionsutvinning och terapeutiskt stöd, med en nästan försumbar standardavvikelse.
Med tanke på informationen om den praktiska kuvösens prototyp involverade Fallon användningen av hjärt- och lungmaskinen för att övervaka och visa data på en LCD-skärm . Om spädbarnets HR blir för långsam eller för snabb ger den ett larm . Analogt med Fallons arbete programmerade vi vår Handy inkubator för att ge ett larm när det sker en minskning av de extraherade funktionerna.
Nyligen publicerade forskare i Baby Center en blodtrycksmätare genom att ansluta en miniatyriserad blodtrycksmanschett runt spädbarnets ben eller arm för att övervaka blodtrycket . Analogt med deras arbete använde vi en oximetri och kopplade den miniatyriserade blodtrycksmanschetten till spädbarnets ben.
Vår Handy-kuvös kan lätt bäras av mamman och är prisvärd i medelinkomst- och låginkomstländer. Till skillnad från mOm-systemet som tillhandahålls av James et al. som saknar moder-spädbarn-bandet och amning , kan spädbarnet i vårt system dra nytta av den fysiologiska fördelen med amning från en sida som tillhandahålls av KMC och säkerställer en varm och antibakteriell miljö från den andra sidan.
Vårt Handy-system tillhandahåller också den biomedicinska funktionsutvinningen av för tidig födelse, temperatur och SpO2-nivå och visar dem på en LCD-skärm, vilket avspeglades av prestandan på 75 ± 1,5 % i figur 7(b). Avsaknaden av de ungefär resterande 25 % beror på avsaknaden av mätning av luftfuktigheten.
Noterbart är att överanvändning/underanvändning av syretillförsel till för tidigt födda barn kan skada dem; därmed övervakades SpO2 i vår Handy-kuvös och hölls mellan 90 och 93 % för att undvika sjukdomar. Pulsoximetri är en fördelaktig metod för syreövervakning, eftersom den är kontinuerlig och icke-invasiv .
I nödfall programmerade vi systemet för att ge tillfällig syretillförsel. Vi såg också till att ha en kostnadseffektiv Handy-kuvös jämfört med andra intensivvårdsmetoder .
Testning av vår kuvös var nödvändig för att kontrollera kvaliteten på kuvösens elektriska, termiska och grafiska utformning.
Handy-kuvösen ger en bra terapeutisk behandling såsom syretillförsel och värme. Detta banar väg för läkaren att övervaka det för tidigt födda barnets tillstånd genom att diagnostisera de tre vitala tecken som visas på LCD-skärmen och spara dem i minnet.
Förutom den fina formen producerar systemet inget buller när det slås på eller rör sig, på grund av avsaknaden av fläktar och på grund av valet av de material som används vid tillverkningen.
KMC:s totala prestanda (75 ± 1,4 %) var bättre än omfamningsvärmaren (66,7 ± 1,5 %) i våra utforskade specifikationer. Vår Handy-kuvös överträffade dock alla intensivvårdsmetoder med en total prestanda på 91,7 ± 1,6 % (tabell 1). Handyinkubatorn är en användarvänlig teknik. Trots att vår kuvös tog tid att 3D-utskriva var kostnaden rimlig jämfört med dyra kommersiella kuvöser. Därmed är Handy-inkubatorerna lovande, särskilt i medelinkomst- och låginkomstländer.
7. Slutsats och perspektiv
Vår ursprungliga forskning består av både hårdvaru- och mjukvarubidrag. Mjukvaruimplementeringen omfattade programmering av processorplattformen via Arduino. Utförandet av hårdvaran innebar 3D-utskrift av Handy-kuvösen och dess krets och anslutning av dem till Arduino. Vår Handy-kuvös är utformad för att vara bärbar, inte tung och kostnadseffektiv.
Med framstegen med vår nya 3D-utskrivna prototyp av Handy-kuvösen för för tidigt födda barn kan många liv räddas. På grund av bristen på kostnadseffektiva intensivvårdsmetoder för att övervaka alla vitala tecken och spara data och bristen på ett system som kan hållas med händerna, tog vi oss an utmaningen att utforma vår behändiga och kostnadseffektiva spädbarnsinkubator. Vår konstruktion övervakar de vitala signalerna (temperatur, HR och SpO2) och visar dem. Den Handy inkubatorn säkerställer amning och är kostnadseffektiv. Den utvärderade procentuella prestandan visar att den överträffar de befintliga intensivvårdsmetoderna.
Vårt system löste många av utmaningarna, men det finns fortfarande en marginal för ytterligare förbättringar.
Framtida steg kan innefatta följande:(i)Samla in mer data om den infraröda sensorn MAX30100 som vi tilldelade i vårt system för att förbättra oximetriavläsningen.(ii)Rendering och uppdatering av den kod som tillhandahålls av tillverkaren av sensorn som består av två lysdioder och en fotoreceptor med en mikroprocessor, för att ge specifik pulsbredd och ljusintensitet för att uppfylla de medicinska kriterierna.(iii)Användning av Peltier-cellen (halvledarbaserad elektronisk komponent som fungerar som en liten värmepump enligt ”Peltier-effekten”) i stället för värmaren.(iv)Modifiering av elektronikkortet genom att lägga till laddningskontroll (maximum power point tracking) för att söka efter maximal effektpunkt och genom att söka efter belastningsmotståndets resonans med matningsmotståndet som har maximal effektivitet vid laddning.(v)Slutligen förbättring av programvaran och tillhandahållande av en webbserver för telemedicinska prestationer och forskningsändamål.
Datatillgänglighet
Då vi har tillhandahållit en ny uppfinning och en ursprunglig forskning som tillämpats på denna nya uppfinning, och vår anordning är också under en förlängd förlängning för förbättring, även vi etablerar ett samarbete med ett biomedicinskt ingenjörsföretag för att utveckla vår anordning, så vi lämnade uppgifterna konfidentiella tills vi registrerar denna uppfinning i våra namn.
Intressekonflikter
Alla författare förklarar att de inte har några intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Dr Mohammad Arnaout, Dr Lara Hamawy och Miss Alaa Zaylaa för stödjande information. Detta projekt finansierades av det libanesiska universitetet och University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, USA.