Abstracto
Los bebés prematuros se enfrentan a un parto abrupto antes de su completa madurez durante el tercer trimestre del embarazo. Las encuestas prevén un aumento de las tasas de bebés prematuros para 2025, especialmente en los países de ingresos medios y bajos. A pesar de la abundancia de métodos de cuidados intensivos para recién nacidos prematuros, como los comerciales, los de transporte, los de calentamiento del abrazo, los de calentamiento radiante y los de cuidados madre canguro, son caros, carecen de los requisitos o las especificaciones más esenciales, o carecen del vínculo materno-prematuro. Esto nos impulsó a llevar a cabo esta original investigación e innovadora idea de desarrollar un nuevo prototipo impreso en 3D de una incubadora para bebés prematuros Handy. Nuestro objetivo es proporcionar los cuidados intensivos más indispensables con el menor coste, para dotar a los países de bajos ingresos de los cuidados de la incubadora Handy, preservar el vínculo materno-preterminal y disminuir la tasa de mortalidad. Se utilizaron elementos biomédicos, electrónicos y materiales biocompatibles. Se simuló el diseño, se imprimió el prototipo en 3D y se probaron y evaluaron los resultados. Los resultados de la simulación mostraron el mejor ajuste de los componentes de la incubadora Handy. Los resultados experimentales mostraron el prototipo impreso en 3D y el tiempo transcurrido para obtenerlo. Los resultados de la evaluación revelaron que el rendimiento global de Kangaroo Mother Care y del calentador de abrazos era del 75 ± 1,4% y del 66,7 ± 1,5%, respectivamente, mientras que el rendimiento global de nuestra incubadora Handy era del 91,7 ± 1,6%, con lo que nuestra incubadora Handy rentable superaba los métodos de cuidados intensivos existentes. El paso futuro es asociar la incubadora Handy con más especificaciones y avances.
1. Introducción
El parto prematuro es la aparición brusca de un nacimiento en menos de la semana 37 de embarazo. Durante el tercer trimestre, es decir, entre las semanas 27 y 40 del embarazo, cuando se produce la etapa de mayor desarrollo fetal, el bebé sufre una dramática transfusión en su sistema respiratorio que le permite respirar por primera vez. Después del tercer trimestre, el feto suele estar listo para nacer. Según la epidemiología de la Organización Mundial de la Salud (OMS), de cada 10 recién nacidos, 1 se considera prematuro . En 2010 nacieron 15 millones de niños prematuros. De todos los 15 millones, 1 millón de bebés murió debido a la prematuridad. Los partos prematuros se clasificaron entonces como la primera causa de mortalidad de los recién nacidos prematuros, durante el primer mes de vida y después del nacimiento. También se clasificó globalmente como la segunda causa de muerte de niños que no completaron sus 5 años.
Más tarde, un estudio reveló que las tasas de nacimientos prematuros disminuyeron de 2007 a 2014 debido a la disminución del número de nacimientos de adolescentes y madres jóvenes . También informaron de un ligero aumento en la tasa nacional de nacimientos prematuros entre 2014 y 2015 . En casi todos los países con datos fiables, las tasas de nacimientos prematuros aumentan continuamente. El análisis sistemático de Blencowe et al. mostró un aumento continuo en la tasa de bebés prematuros supervivientes en la mayoría de los países. La tasa media anual de cambio de 2005 a 2010 se mantuvo a , pero sigue siendo equivalente a la muerte prematura.
En los países de ingresos altos, casi todos estos bebés prematuros notificados sobreviven. En los entornos de bajos ingresos, la mitad de los bebés nacidos con 32 semanas o menos mueren debido a la falta de cuidados factibles y rentables, como la falta de calor, el apoyo a la lactancia materna y el control de infecciones, así como la existencia de dificultades respiratorias.
Independientemente de las razones de la prematuridad, muchos estudios se han centrado en la monitorización de las condiciones maternas y fetales para reducir y predecir los síntomas, evitando así los partos prematuros , mientras que otros se centran en el tratamiento del resultado, es decir, la prematuridad, reduciendo directamente la mortalidad .
Para tratar el resultado, existían métodos de cuidados intensivos, como métodos y dispositivos terapéuticos disponibles en el mercado y dispositivos que están en investigación. Varían según su diseño, especificaciones y prestaciones. Incluyen, entre otros, las incubadoras comerciales, la incubadora transportable, el calentador de abrazos, el calentador radiante y los métodos de Cuidado Madre Canguro (KMC) . Sin embargo, las técnicas de cuidados intensivos existentes presentan muchos inconvenientes.
A pesar de la presencia de métodos de cuidados intensivos, un estudio predijo que la tasa de bebés prematuros supervivientes para 2025 sería de . Como la tasa mundial de mortalidad de niños prematuros prevista para 2025 es del 91%, esto nos impulsó a abordar este problema y a desarrollar un nuevo prototipo de incubadora de prematuros para promover los cuidados intensivos con un bajo coste. El objetivo de nuestro estudio es desarrollar e imprimir en 3D una nueva incubadora basada en una pantalla de cristal líquido (LCD), manejable, portátil y rentable, para proporcionar cuidados intensivos, especialmente en países de ingresos medios y bajos. El objetivo es que la incubadora Handy sea factible y fácil de usar y que cumpla con los requisitos sanitarios de los bebés prematuros. El proyecto se centra en los bebés prematuros que nacen abruptamente en el tercer trimestre del embarazo. Se han monitorizado las principales constantes vitales, como la temperatura, la frecuencia cardíaca y el nivel de oxígeno, y se han elegido cuidadosamente materiales biocompatibles avanzados para tratar a los bebés prematuros.
El resto de este artículo se organiza de la siguiente manera. En la sección 2, presentamos los métodos de cuidados intensivos existentes. En la sección 3, presentamos los materiales de la incubadora para prematuros Handy. En la sección 4, presentamos el prototipo de la incubadora prematura Handy. En la sección 5, presentamos los resultados. En la Sección 6, discutimos los resultados, y en la Sección 7, proporcionamos una conclusión general y el trabajo futuro.
2. Métodos existentes de cuidados intensivos para bebés prematuros
Después de buscar en PubMed, ScienceDirect y Google scholar, resumimos los resultados de la revisión de la literatura y los dividimos en dos categorías: cuidados abiertos y cuidados cerrados.
2.1. Métodos de cuidados cerrados
Estos métodos incluyen las incubadoras para lactantes disponibles en la Unidad de Cuidados Intensivos Neonatales (UCIN), un sistema de cuidados intensivos que suministra calor al lactante, de forma estable, a través de una circulación de aire caliente sobre la piel. Tras varios avances, la incubadora para bebés comprendía el control de la humedad, el suministro de oxígeno y otros accesorios. La incubadora infantil puede ser fija, móvil o transportable. Sin embargo, las incubadoras carecen del vínculo materno-preparto y son caras, especialmente en los países de ingresos medios y bajos. Esto motivó otros estudios para desarrollar sistemas portátiles, más baratos y factibles de utilizar en casa.
La incubadora infantil fija que se utiliza habitualmente en la UCIN, debido a la presencia de una variedad de accesorios, es capaz de tratar cualquier caso. La incubadora fija se considera una opción perfecta, ya que está conectada a los suministros de la pared y proporciona un entorno adecuado para el bebé. Sin embargo, las incubadoras fijas son extremadamente caras y tienen el mismo concepto de producir calor empujando el aire caliente a través de ventiladores. Esta técnica produce ruido, lo que afecta negativamente al bebé. Aunque una incubadora de este tipo registra la FC, utiliza electrodos que tienen que estar conectados al bebé prematuro todo el tiempo, lo que afecta a la frágil piel del bebé . Además, la falta de lactancia materna y la falta de movilidad dificultan enormemente el paso del bebé de un departamento a otro, razón que llevó a la invención de las incubadoras móviles.
Una incubadora móvil es una incubadora fija modificada que tiene la misma función que la incubadora fija. Las incubadoras móviles tienen ruedas adicionales, podrían ser transportadas dentro del hospital, simplemente, y requieren herramientas adicionales para alimentar el sistema con electricidad y oxígeno . Estas incubadoras tienen los mismos inconvenientes que las incubadoras fijas. Aunque las incubadoras móviles son una gran solución cuando el bebé necesita ser transportado dentro del hospital, son poco prácticas cuando el bebé necesita ser transportado fuera del hospital. Para ello, aparecieron las incubadoras de transporte.
Las incubadoras de transporte son incubadoras portátiles de pequeño tamaño que pueden transportar al bebé utilizando el coche o el avión. A pesar de que las incubadoras de transporte son la única opción para el transporte de bebés prematuros al aire libre, las incubadoras de transporte tienen varios inconvenientes, como el coste y la pesadez extremadamente elevados, el fallo del termostato y los riesgos de descarga eléctrica.
2.2. Métodos de cuidado abierto
KMC es una solución para los defectos de las incubadoras de prematuros, que da lugar a altas tasas de enfermedad y mortalidad de los bebés prematuros en los hospitales. Proporciona calor y amamantamiento mediante el contacto de la piel del bebé con la madre. Este vínculo/contacto asegura la estabilidad de la temperatura del prematuro. Aunque el MMC fue capaz de reducir la morbilidad de los bebés en comparación con las incubadoras convencionales, sigue estando limitado por diferentes factores. El MMC no es capaz de monitorizar la temperatura, la FC, el nivel de oxígeno y la humedad del bebé, lo que lo expone a un riesgo de inestabilidad y nocividad. El MMC necesita recursos humanos cualificados, como las enfermeras, lo que añade complejidad a los cuidados intensivos.
Otro método de cuidados intensivos abiertos es el calentador radiante, que funciona según las leyes del calor radiante. Este dispositivo proporciona al prematuro la energía radiante necesaria como proceso alternativo al calentamiento por convección convencional . El calentador radiante consta de una cama, una unidad de calefacción superior y un sensor de temperatura . Los calentadores radiantes sufren un aumento drástico de la pérdida de calor debido a la evaporación.
Los calentadores de abrazos compuestos por tres partes, es decir, un saco de dormir estimado para el bebé o una interfaz para el bebé, un compartimento de material de cambio de fase y un calentador , son grandes soluciones para regular la temperatura corporal del bebé prematuro. Mientras tanto, los calentadores de abrazos no proporcionan ninguna monitorización de los parámetros esenciales del bebé y carecen de alarmas de emergencia. Además, requieren un cambio de fase continuo que provoca una fluctuación de la temperatura del bebé y omite cualquier apoyo terapéutico.
Todos los problemas mencionados nos llevaron a desarrollar la nueva incubadora para bebés prematuros Handy.
3. Materiales de la incubadora para bebés prematuros Handy
La novedosa incubadora Handy requirió de varios materiales y herramientas debido a las diversas aportaciones que se incrustaron en ella.
En el tercer trimestre, el feto está casi formado y listo para nacer . Por ello, se eligió cuidadosamente el tamaño medio, el peso, la altura, la circunferencia de la cabeza y la circunferencia abdominal de un bebé prematuro. En particular, durante los tres últimos meses del embarazo, el cerebro del bebé sigue expandiéndose, por lo que el perímetro cefálico aumenta de unas 11 pulgadas (28 cm) a 15 pulgadas (38 cm). Al mismo tiempo, la longitud total del cuerpo del feto aumenta aproximadamente de 15 pulgadas (38 cm) a 19 pulgadas (48 cm). El peso medio del feto aumenta de 1,4 kg (3 libras) a 3,4 kg (7,5 libras). Componentes eléctricos y electrónicos
La incubadora Handy requirió el microcontrolador ATmega328 para lanzar y almacenar los datos.
Arduino Micro se utilizó para ayudar al microcontrolador, ya que el microcontrolador requería una configuración abrumadora circuitos y lenguaje ensamblador. Arduino Micro asiste al microcontrolador con reguladores, con un marco de bibliotecas libres y otros. El marco proporciona una programación más fácil y evita la pérdida de tiempo en el lenguaje de programación de bajo nivel y el registro de direcciones.
El Atmega328 utilizado fue soldado con un botón para reiniciar, algunos LEDs para mostrar la transición y recepción de datos, y los pines etiquetados con el pin correspondiente. Su parte trasera permite la comunicación con el USB y el regulador Chip Integrado (IC) para proporcionar una tensión estable al ATmega328.
También se utilizó el oxímetro MAX30100. Es un sensor óptico que lleva integrado el oxímetro de pulso y el sensor de FC de Maxim. Regulador, termómetro, y microBUS comunicación integrada (I2C) IC se impidió en la parte trasera para proporcionar un suministro de 3,3 V, medir la temperatura, y proporcionar una comunicación en serie.
UltraFire baterías recargables (18.650 Li-ion 3,7 V con 9800 mAh de capacidad) se utilizaron . Refiriéndose a (1), la energía almacenada fue de 36,26 Wh. De este modo, se ha utilizado un conjunto de 4 baterías para conseguir 9800 mAh, aumentar el voltaje a 15 V, y obtener una energía almacenada de 147 Wh.
3.2. Materiales biocompatibles e impresora 3D
En nuestra incubadora Handy se utilizaron tres materiales biocompatibles principales: silnylon, láminas de mylar y tejido de bambú. El silnylon se utilizó como capa exterior debido a su peso ultraligero, su resistencia al viento y su capacidad para aislar el sistema y al bebé del entorno exterior. La lámina de mylar se utilizó por su gran resistencia a la tracción, su estabilidad química y dimensional, su transparencia, su capacidad de reflexión, sus propiedades de barrera contra los gases y los aromas, y su aislamiento eléctrico. El tejido de bambú se utilizó por sus propiedades antibacterianas, su suavidad, su transpirabilidad y su gran capacidad de absorción de agua. Se utilizó la impresora 3D ZONESTAR para establecer nuestra incubadora Handy debido a sus diversos parámetros:(i)Materiales de la estructura del marco, incluyendo la velocidad de impresión (40-100 mm/s), el tamaño máximo imprimible (220 × 220 × 220 mm) y el tamaño de la boquilla (0,4 mm).(ii)Soportes del material de impresión: ácido poliláctico (PLA) y otros, con un diámetro que incluye la precisión de posicionamiento en X e Y (0,01 mm) y en Z (0,00025 mm).(iii)Potencia de la cama caliente: 12 V, 140 W.(iv)Software de impresión: Cura, Repetier-Host Kisslicer, etc.; sistema operativo compatible con Windows, Linux y Mac.(v)Temperatura de fusión 157-170°C; resistencia a la tracción: 61-66 MPa; resistencia a la flexión: 48-110 MPa.
Además, otra ventaja de la impresora 3D ZONESTAR es el hecho de que se basa en la impresora de modelado por deposición fundida (FDM), que es común y rentable, y proporciona una geometría personalizada y un mayor rendimiento.
3.3. Componentes de transferencia de calor
Dos componentes principales de transferencia de calor fueron incrustados en nuestra incubadora Handy: el ripado del calentador de cartucho y los paquetes de calor/frío. El calentador de cartucho fue la primera fuente de energía térmica, que convierte la energía eléctrica almacenada en las baterías en energía térmica, que a su vez se almacena y se transfiere al bebé. Los calefactores de cartucho son de acero inoxidable y se alimentan con 12 V CC con una potencia de 40 vatios. La sonda de calentamiento tiene forma cilíndrica de 6 mm de diámetro y 20 mm de longitud. Se eligió esta pequeña sonda para garantizar que toda la energía térmica se transfiera al saco de gel. El segundo componente fue el paquete caliente/frío que es una cera química que conserva la energía térmica y la transfiere al paciente a través de la conductancia.
4. Prototipo de la incubadora para bebés prematuros Handy
Se proporcionan los novedosos pasos para obtener el prototipo de la incubadora Handy y los pasos de prueba.
4.1. Pasos de implementación del prototipo
Los pasos se dividen en dos partes principales: los pasos del prototipo real y simulado y los pasos de prueba del prototipo real. El diagrama de bloques que se muestra en la Figura 1 representa los pasos del prototipo real de nuestra incubadora. Después de colocar al bebé prematuro en la novedosa incubadora, se monitorizaron continuamente (se diagnosticaron) tres signos vitales y características, la FC, la temperatura y la SpO2, a través del microcontrolador. Los parámetros monitorizados se mostraron en la pantalla LCD de la incubadora Handy. Además, la fuente de alimentación del sistema seguía un sistema de gestión de baterías (BMS).
En cualquier caída fuera del rango normal del nivel de oxígeno o de la temperatura del prematuro, se enciende un zumbador para una interferencia de emergencia (terapia), como la liberación de oxígeno o el encendido de calentadores. Este sistema se apoya en un BMS que asegura la movilidad de nuestra novedosa incubadora. Los pasos de la simulación comienzan dibujando, mediante AutoCAD, todas las piezas necesarias presentes en el diagrama de bloques de la Figura 1, de acuerdo con el tamaño mencionado y el peso del bebé prematuro. El diagrama de bloques muestra el plan de la incubadora compacta deseada, que asegura la lactancia materna y puede sostenerse con la mano (Handy).
Siguiendo los pasos de la simulación, los pasos del prototipo real pueden reproducirse como sigue:(i)Programar el microcontrolador para que se comunique con los sensores y otras partes.(ii)Integrar el MAX30100 para asegurar la lectura de la pierna del bebé.(iii)Monitorizar las características biológicas de HR y SpO2 de forma no invasiva mediante el MAX30100. El MAX30100 mide la absorción de dos longitudes de onda diferentes de la luz, y mide la absorbencia de la sangre pulsada midiendo las ondas rojas e infrarrojas reflejadas por la hemoglobina (HbO2) y la desoxihemoglobina (Hb). Las diferentes intensidades se deben a sus diferentes coeficientes de absorción.(iv)Medir la temperatura mediante el MAX30100, ya que contiene un sensor de temperatura incorporado en su chip.(v)Procesar la señal mediante una unidad de procesamiento de señales analógicas de bajo ruido.(vi)Elegir el tamaño del novedoso prototipo para que sea compatible con el tamaño de un bebé del tercer trimestre . La FC se calculó calculando el número de latidos por minuto (bpm). El corazón bombea sangre a través de las pulsaciones, lo que provoca una alta intensidad de células en la cabeza de cada pulsación, y entonces se detecta el pulso al detectar un número elevado de células. La alta intensidad en la cabeza de un pulso conduce a una alta reflexión, que disminuye a medida que la intensidad disminuye formando pulsos.
Estos pulsos se pueden captar estableciendo un umbral, y cuando la luz infrarroja (señal reflejada) supera este umbral, se cuenta el latido. Esto se probó en el laboratorio con un hombre normal.
Los calentadores se probaron con agua, y los sensores de temperatura se probaron con el agua calentada y enfriada. Por último, se probó la capacidad de la batería con un voltímetro.
5. Resultados
5.1. Resultados de la incubadora Handy para bebés prematuros
Después de aplicar todos los pasos de implementación de la sección 3, presentamos los resultados del prototipo simulado e impreso en 3D (real) de nuestra incubadora Handy, además de los resultados de las pruebas y la evaluación.
5.1.1. Prototipo simulado
El prototipo simulado de las dimensiones reales de la incubadora Handy se muestra en la Figura 2(a) desde una vista lateral y en la Figura 2(b) desde una vista superior (en centímetros). El escudo de plástico, el paquete de gel y el bebé están coloreados en verde, rojo y amarillo, respectivamente. La longitud total de la incubadora Handy es de 61,23 cm, y la longitud de la caja es de 8 cm (incluida dentro de los 61,23 cm). El grosor del escudo de plástico es de 0,50 cm, y las capas de mylar y bambú son de 0,55 mm cada una. El grosor del paquete de gel es de 2 cm. Los colores azul, verde, rojo y amarillo de la figura 2(b) representan la capa exterior, el escudo de plástico, el paquete de gel y el bebé, respectivamente. La capa exterior rodea al bebé, por lo que contiene un vestíbulo de 10 cm de radio y tres pequeños rectángulos. La finalidad del vestíbulo era dar al lactante el espacio necesario para inhalar el oxígeno del entorno y garantizar la lactancia materna. Los tres pequeños rectángulos servían para sujetar los dos extremos de la tela.
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La simulación cerrada de la incubadora Handy se representa en la Figura 2(c), donde el bebé (coloreado en amarillo) está colocado dentro y rodeado por la capa exterior (coloreada en azul). El rectángulo verde y los cuatro círculos de la parte superior de la caja son las pantallas LCD y los pulsadores. La figura 2(d) muestra el tamaño total de la incubadora Handy simulada mientras la madre la sostiene con las manos.
La parte de la base simulada de la incubadora se muestra en la figura 3(a), y la etiqueta de la caja se muestra en la figura 3(b). El espacio rojo representa la posición en la que se fija la placa de circuito impreso. La parte azul representa el mango de las pilas; el mango de las pilas puede soportar hasta ocho pilas. Además, la caja contiene dos grandes orificios para la fijación de la botella de oxígeno, un orificio para el diluvio de la fuente de alimentación y el interruptor ON/OFF, así como un asa de engranaje que fija el engranaje en su lugar mediante tornillos. La figura 3(b) muestra la simulación de todas las piezas necesarias para formar nuestra novedosa incubadora. El escudo de plástico forma el esqueleto de nuestra práctica incubadora (su longitud total es de unos 62 cm). El escudo de plástico se descompuso en cuatro partes conectadas con tornillos y tuercas. La figura 3(c) muestra la simulación de la unidad de calentamiento, el objeto rojo es el paquete que representa los sacos de gel, y el objeto azul es la tela que rodea al pretérmino. El paquete de gel consta de 5 sacos; cada saco está compuesto por un gel, además de un calentador y un termómetro para controlar el calor generado.
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La parte de liberación de oxígeno (mostrada en la Figura 3(d)) fue simulada para estar por encima de la cara del bebé, por medio de una válvula mecánica tipo tubo, un motor paso a paso con un engranaje y una botella de oxígeno. La fuente de oxígeno está coloreada en marrón, y la botella de oxígeno se simuló dentro de la caja. En particular, los tubos de transmisión de oxígeno están incrustados dentro del escudo de plástico para evitar cualquier choque de la carga mecánica externa.
5.1.2. Prototipo preliminar impreso en 3D
La impresión en 3D fue el segundo paso para obtener las piezas del prototipo real. Los archivos de AutoCAD se importaron a la impresora 3D mediante una tarjeta de memoria para imprimir las piezas. El modelo y la duración de la impresión se indican en la figura 4. El caserío tardó 20 horas. La etiqueta de la caja tardó 17 horas y 40 minutos, la tapa de la caja 20 horas y los dos escudos 20 horas. La duración total para conseguir imprimir todas las piezas fue de 66 horas y 40 minutos.
La costura de las capas de tejido, el montaje y los circuitos se ilustran en las figuras 5(a) y 5(b).
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El proceso de PCB se representa en la Figura 5(a), desde las capas inferiores y superiores que se imprimieron, la fuente de luz UV, hasta la placa de PCB después de lavarla con agua. Los pasos de cosido se muestran en la Figura 5(b). Representa el pegado del mylar con el cartón, el resultado del pegado del silnylon con el mylar y la caja de cartón, cómo se sujeta la tela obtenida a la incubadora Handy, y la tela de bambú que se sujeta en la parte superior de los paquetes de gel donde el bebé se encuentra en la incubadora Handy abierta. La figura 5(c) representa el montaje de laboratorio utilizado para probar los componentes del sistema de calentamiento.
El prototipo real general de la incubadora Handy se muestra en la figura 6 (forma cerrada). El color azul de la tela es el color del silnylon que es la capa exterior. En los límites de la tela que rodea al bebé, hay etiquetas adhesivas que facilitan la apertura y el cierre del sistema. Además, la tela de bambú está unida a la tela que rodea al bebé mediante etiquetas adhesivas; de este modo, la tela de bambú puede retirarse, limpiarse y reinstalarse fácilmente.
Después de presentar las dos partes del hardware de la incubadora Handy para bebés prematuros, presentamos los procesos de prueba y depuración: (i) los resultados de las pruebas eléctricas de las baterías destinadas a alimentar el sistema, (ii) la energía térmica liberada y el sistema de calentamiento, y (iii) las pruebas de infrarrojos. También se proporciona la evaluación y gestión de las especificaciones y el coste de la incubadora Handy para prematuros y se compara con los métodos de cuidados intensivos existentes.
La prueba eléctrica de la capacidad de las baterías se obtuvo cargando completamente la batería (hasta que el voltaje de la batería alcanzó 4.2 V), produciendo un circuito simple que necesita una corriente específica (conocida como la corriente de prueba), y midiendo el tiempo necesario para descargar completamente (hasta que el voltaje de la batería llegó a 2,5 V), que era la capacidad.
La prueba se repitió en UltraFire TR 18650 5 Ah 3,7 V con las corrientes de prueba , y los resultados obtenidos fueron 1,124, 1,123, 1,095, 1,052, 0,955, y 0,626, respectivamente, y la capacidad no era suficiente. Por ello, utilizamos dos conjuntos de baterías en serie conectadas en paralelo en lugar de un único conjunto, para conseguir una energía de 23.855 kJ. Esta energía fue capaz de calentar el sistema una vez y puede mantener el calor durante unas 16 horas.
Los resultados tanto del sistema de calentamiento integrado en la incubadora Handy como de las pruebas de energía térmica se proporcionaron en nuestra publicación anterior .
Respecto al aislamiento, el tejido de la incubadora y los materiales biocompatibles proporcionaron un buen aislamiento.
Las pruebas de infrarrojos incluyeron el MAX30100, y los resultados se compararon con los de los sensores de oximetría utilizados en los teléfonos móviles, un equipo médico especializado en la monitorización de la SpO2, y las FCs utilizando sensores de oximetría. Los resultados del MAX30100 fueron fiables y más cercanos a los del equipo médico que a los del sensor móvil.
5.3. Evaluación de la incubadora Handy para niños prematuros frente a los métodos de cuidados intensivos para niños prematuros
La evaluación de nuestra incubadora Handy incluyó su comparación con los métodos de cuidados intensivos de los compañeros. En las figuras 7 y 8 se muestran tres gráficos de barras de varios factores cruciales con las desviaciones estándar impuestas en los gráficos de barras. Estas especificaciones son el precio, el entorno, las medidas, el vínculo materno, el prototipo, la movilidad y otros factores. A cada especificación se le asoció un color en cada gráfico de barras, desde el verde claro hasta el verde oscuro.
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Nuestra incubadora Handy fue comparada con la incubadora comercial, la incubadora de transporte, el calentador radiante, el KMC y el calentador de abrazo, y los resultados se proporcionan en la Figura 7. La variación del tipo de características monitorizadas o mediciones registradas, por ejemplo, se representa mediante un gráfico de barras en la Figura 7(a) en relación con los métodos de cuidados intensivos. También se informa de la variación del vínculo materno-prematriz y de la variación de las especificaciones de movilidad o de la movilidad del sistema con respecto a los métodos de cuidados intensivos. La variación del apoyo terapéutico, el tipo de entorno del sistema y el modelo de diseño se evaluó y comparó con los métodos de cuidados intensivos en la Figura 7(b).
Las características monitorizadas, evaluadas en la Figura 7(a), son el signo vital que cada método puede medir. Un valor máximo del 100% se asoció con el número máximo de características extraídas, y un valor nulo del 0% se asoció con la ausencia de cualquier característica medida por el sistema. El mayor número (100%) de características extraídas, incluyendo la SpO2, la humedad, la FC y la temperatura, se monitorizaron utilizando tanto las incubadoras comerciales como las de transporte. Además, el 75% de las características extraídas, incluyendo la SpO2, la FC y la temperatura, fueron extraídas por la incubadora Handy, y nulas en caso contrario.
El vínculo madre-bebé prematuro, evaluado en la Figura 7(a), es el contacto del bebé prematuro con la madre. Un valor máximo del 100% (con una pequeña desviación estándar) se asoció con el máximo contacto madre-bebé prematuro garantizado por el sistema. Un valor nulo del 0% se asoció a la ausencia de cualquier contacto entre el bebé y la madre, es decir, cuando el bebé se coloca en una incubadora totalmente cerrada en la UCIN. El vínculo madre-bebé prematuro existe plenamente (100%) en el KMC, el calientabrazos y nuestra incubadora Handy. Está totalmente ausente en las incubadoras comerciales y de transporte.
La movilidad del sistema, evaluada también en la Figura 7(a), es la capacidad de movilización del sistema de cuidados intensivos. Un valor máximo del 100% se asoció a la máxima movilidad factible, y un valor nulo del 0% se asoció a un método fijo. El máximo rendimiento de la movilidad del sistema se asoció con el KMC, el calentador de abrazos y la incubadora Handy.
El apoyo terapéutico, evaluado en la figura 7(b), es el contacto del bebé prematuro con la madre. Un valor máximo del 100% se asoció con el máximo apoyo terapéutico y el tratamiento garantizado por el sistema. Un valor nulo del 0% se asoció al apoyo terapéutico mínimo. El máximo rendimiento (100%) del apoyo terapéutico se asoció a las incubadoras comerciales y Handy.
El entorno, evaluado en la figura 7(b), es la naturaleza de la interfaz del método con el entorno. Un entorno cerrado es el aislamiento total del bebé prematuro, mientras que el entorno abierto es el aislamiento que permite la aspiración del bebé prematuro del aire ambiente circundante. En particular, el aislamiento que permite la inhalación se asoció al mayor rendimiento (100%). El rendimiento del tipo de entorno fue máximo en el calentador radiante, el KMC, el calentador de abrazo y la incubadora Handy.
El modelo de diseño, evaluado también en la figura 7(b), es la capacidad de movilización del sistema de cuidados intensivos. El máximo rendimiento (100%) del modelo de diseño se asoció al KMC, y luego el 75% se asoció a la incubadora Handy.
El coste (en 1000$) de la incubadora Handy se representó y comparó con el coste de la incubadora comercial, la incubadora de transporte, el calentador radiante y el calentador de abrazo, y los resultados se muestran en la Figura 8. El rango de la desviación estándar se debe a la presencia de diferentes diseños de incubadoras comerciales con diferentes especificaciones. El coste es el coste medio de estas incubadoras existentes. Como se muestra en la Figura 8, el coste más alto de la incubadora está asociado a la incubadora comercial. En particular, el precio bruto indicado depende de la empresa y de los accesorios. La KMC no tiene coste, y el coste de la incubadora Handy y del calentador de abrazos es de unos 300$, mientras que el coste de la incubadora comercial es de una media de 32K$ (oscila entre 1K$ y 55K$).
6. Discusión
Se asocian diversas ventajas a los métodos de cuidados intensivos existentes, ya sean de cuidados abiertos o cerrados. Aunque las incubadoras infantiles comerciales y las incubadoras fijas, móviles y transportables conservan una temperatura adecuada para el bebé y controlan los parámetros básicos, difieren en el peso, el tamaño, el coste y los accesorios compatibles . La mayor ventaja de un calentador radiante es la atención de acceso abierto que proporciona a los bebés prematuros, lo que favorece procedimientos como la intubación endotraqueal . Esto concuerda con el rendimiento de tipo ambiental del 100% del calefactor radiante observado en nuestro trabajo. Sin embargo, el rendimiento global fue del 37,5 ± 0,9%, como se indica en la tabla 1.
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El KMC es una técnica de cuidados abiertos, y una reciente revisión informó de una reducción del 40% en el riesgo de mortalidad tras el alta . Otros beneficios fueron el aumento de la lactancia materna, el vínculo materno-infantil y los resultados del desarrollo . Esto se reflejó en el rendimiento del 100% del MMC, al estudiar la presencia/ausencia del vínculo materno-infantil. Los hallazgos mencionados y el respaldo de la OMS al MMC apoyan el buen rendimiento general del MMC observado en nuestros resultados (75 ± 1,4%). La ausencia del 25% restante podría deberse a la limitación del peso inferior a 800 g, como sugieren Lawn et al. .
Las incubadoras son bastante utilizadas, la mayoría de las unidades constan de dos modos de funcionamiento: el control manual de la temperatura del aire, y el control automático de la temperatura de la piel . La mayoría de las unidades permiten al usuario medir la humedad relativa y proporcionar apoyo de oxígeno al bebé cuando sea necesario . Estos hechos concuerdan con nuestros hallazgos, en los que la incubadora comercial se asoció a un rendimiento del 100% en la extracción de características y el apoyo terapéutico, con una desviación estándar casi insignificante.
En cuanto a la información del prototipo de incubadora manual, Fallon implicó el uso de la máquina cardiopulmonar para controlar y mostrar los datos en una pantalla LCD . Si la FC del bebé se vuelve demasiado lenta o demasiado rápida, da una alarma . De forma análoga al trabajo de Fallon, hemos programado nuestra incubadora Handy para que emita una alarma cuando se produzca un descenso en las características extraídas.
Recientemente, los científicos de Baby Center publicaron un monitor de presión arterial mediante la conexión de un manguito de presión arterial miniaturizado alrededor de la pierna o el brazo del bebé con el fin de controlar la presión arterial . De forma análoga a su trabajo, utilizamos una oximetría y conectamos el manguito de presión arterial miniaturizado a la pierna del bebé.
Nuestra incubadora Handy puede ser transportada fácilmente por la madre y es asequible en países de ingresos medios y bajos. A diferencia del sistema mOm proporcionado por James et al. que carece del vínculo materno-infantil y de la lactancia materna , en nuestro sistema, el bebé puede beneficiarse de la ventaja fisiológica de la lactancia materna desde un lado, tal y como proporciona el KMC, y garantiza un entorno cálido y antibacteriano desde el otro lado.
Nuestro sistema Handy también proporciona la extracción de características biomédicas de la FC prematura, la temperatura y el nivel de SpO2 y las muestra en una pantalla LCD, y esto se reflejó en el rendimiento del 75 ± 1,5% en la Figura 7(b). La ausencia de aproximadamente el 25% restante se debe a la falta de medición de la humedad.
En particular, el uso excesivo o insuficiente del suministro de oxígeno a los bebés prematuros puede perjudicarlos; por lo tanto, la SpO2 se controló en nuestra incubadora Handy y se mantuvo entre el 90 y el 93% para evitar enfermedades. La oximetría de pulso es un método ventajoso para la monitorización de la oxigenación, ya que es continua y no invasiva.
En caso de emergencia, programamos el sistema para proporcionar un suministro temporal de oxígeno. También nos aseguramos de tener una incubadora Handy rentable en comparación con otros métodos de cuidados intensivos.
La prueba de nuestra incubadora fue necesaria para controlar la calidad del diseño eléctrico, térmico y gráfico de la incubadora.
La incubadora Handy proporciona un buen tratamiento terapéutico como el suministro de oxígeno y calor. Esto allana el camino para que el médico controle el estado del bebé prematuro a través del diagnóstico de los tres signos vitales que se muestran en la pantalla LCD y lo guarda en la memoria.
Además de la forma agradable, el sistema no produce ningún ruido durante el encendido o el movimiento, debido a la ausencia de ventiladores, y debido a la elección de los materiales utilizados en la fabricación.
El rendimiento general de la KMC (75 ± 1,4%) fue mejor que el calentador de abrazos (66,7 ± 1,5%) en nuestras especificaciones exploradas. Sin embargo, nuestra incubadora Handy superó a todos los métodos de cuidados intensivos, con un rendimiento global del 91,7 ± 1,6% (Tabla 1). La incubadora Handy es una técnica fácil de usar. A pesar de que nuestra incubadora tardó en imprimirse en 3D, su coste fue razonable en comparación con las costosas incubadoras comerciales. Por lo tanto, las incubadoras Handy son prometedoras, especialmente en países de ingresos medios y bajos.
7. Conclusión y perspectivas
Nuestra investigación original se compone de contribuciones de hardware y software. La ejecución del software implicó la programación de la plataforma del procesador a través de Arduino. La ejecución de hardware implicó la impresión en 3D de la incubadora Handy y su circuito y su conexión a Arduino. Nuestra incubadora Handy está diseñada para ser portátil, no pesada y rentable.
Con el progreso de nuestro novedoso prototipo impreso en 3D de la incubadora para bebés prematuros Handy, se podrían salvar muchas vidas. Debido a la falta de métodos de cuidados intensivos rentables para monitorizar todas las señales vitales y guardar los datos, y a la falta de un sistema que se pueda sostener con las manos, asumimos el reto de diseñar nuestra incubadora para bebés manejable y rentable. Nuestro diseño monitoriza las señales vitales (temperatura, FC y SpO2) y las muestra. La incubadora Handy garantiza la lactancia materna y es rentable. El porcentaje de rendimiento evaluado muestra que supera a los métodos de cuidados intensivos existentes.
Nuestro sistema resolvió muchos de los desafíos, pero aún hay margen para más mejoras.
Los pasos futuros pueden incluir lo siguiente:(i)Recoger más datos sobre el sensor infrarrojo MAX30100 que asignamos en nuestro sistema para mejorar la lectura de oximetría.(ii)Renderizar y actualizar el código proporcionado por el fabricante del sensor que consta de dos LEDs y un fotorreceptor con un microprocesador, con el fin de proporcionar un ancho de pulso y una intensidad de luz específicos para cumplir con los criterios médicos.(iii)Utilizar la célula Peltier (componente electrónico basado en semiconductores que funciona como una pequeña bomba de calor según el «efecto Peltier») en lugar del calentador.(iv)Modificar la placa electrónica añadiendo el control de carga (seguimiento del punto de máxima potencia) para buscar el punto de máxima potencia y buscando la resonancia de la resistencia de la carga con la resistencia de la alimentación que tenga la máxima eficiencia de carga.(v)Por último, mejorar el software y proporcionar un servidor web para la consecución de la telesalud y la investigación.
Disponibilidad de datos
Como hemos proporcionado una nueva invención y una investigación original aplicada en esta nueva invención, y nuestro dispositivo también está bajo una extensión prolongada para la mejora, también estamos estableciendo una colaboración con una empresa de Ingeniería Biomédica para el desarrollo de nuestro dispositivo, por lo que dejamos los datos confidenciales hasta que registramos esta invención en nuestros nombres.
Conflictos de intereses
Todos los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer al Dr. Mohammad Arnaout, a la Dra. Lara Hamawy y a la Srta. Alaa Zaylaa por su información de apoyo. Este proyecto fue financiado por la Universidad del Líbano y el Centro Oncológico MD Anderson de la Universidad de Texas, Houston, TX, USA.