穿戴式醫療:避免母親哺乳時將HIV病毒傳染給嬰兒的低本成本乳頭防護罩

九月 28, 2017
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透過LabVIEW和NI DAQ硬體建置的可完全控制模擬系統,讓英國劍橋大學開發的這個醫療裝置可改善全球數百萬個母乳嬰兒的健康狀況。
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JustMilk 可在哺乳期間釋放藥物

根據世界衛生組織(WHO)統計,每年有660萬個五歲以下的嬰兒死於營養不良或傳染疾病。如果能即早使用安全且便於提供的藥物,就能夠輕鬆避免這樣的狀況。可惜的是 WHO 的研究發現,開發中國家當地的資源缺乏,提高了治療嬰兒疾病和避免嬰兒死亡的難度。傳統的兒童糖漿/藥片治療和維他命通常必須搭配冷藏和飲用水,而且目前的提供方式還會引發不孕問題,此外也有劑量是否準確的考量。

HIV感染是其中最主要的問題。 每年約有200,000 名嬰兒透過母乳感染HIV,佔了母子傳染 HIV的40%。WHO的說法是:「如果有可接受、可負擔、可持續、方便又安全的餵養替代方案,那麼我們確實建議感染HIV的母親徹底避免親自哺乳。」不過,在資源不足的地區使用配方奶,仍然會因為腹瀉和飲食缺乏而造成嬰兒死亡率增加。 因此,HIV陽性的母親幾乎沒有理想的選擇。
運用​控制​與​機電​整合​軟​硬體​和​課程​軟體​構成​的​生態​系統,​讓​學生​以​更​快​的​速度​了解​概念,​並建​置​與​業界​應用​連結​的​解決​方案。
為了解決此問題,WHO緊急呼籲全球研發適用於開發中國家的全新藥物輸注技術,這些地區現有的方式顯然沒用。 英國劍橋大學的化工與生技學系開發出 JustMilk 乳頭防護罩輸送系統 (Nipple Shield Delivery System,簡稱 NSDS),透過這種創新的醫療裝置回應WHO的需求。
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JustMilk 乳頭防護罩輸送系統的原型

JustMilk 乳頭防護罩輸送系統​

JustMilk 乳頭防護罩輸送系統(NSDS)是一種創新、安全又方便的方法,可提供重要的養份和藥物給嬰兒。NSDS包含了一個經常用於輔助哺乳的乳頭防護罩,調整過後即可放入治療用的可溶錠或醫藥活性成分。
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JustMilk NSDS圖示

此裝置可放入多種醫藥活性成分,包含抗生素、抗瘧疾劑、抗逆轉錄病毒藥物、維他命、營養物和益生菌。

這個裝置相當方便。只母親在哺乳時戴上NSDS就行了。嬰兒吸食的時候,裝置內的醫藥活性成分就會釋放到母乳內,因此可直接餵食給嬰兒。

目前 NSDS 裝置仍處於臨床前階段。就像其他所有醫療裝置一樣,必須執行大規模的實驗研究,調查使用者的接受度和對設計的意見,才能收集安全、效用方面的證據,確保能夠妥善實作。為了準確測試NSDS原型,我們打造出全球首創、可完全控制的哺乳模擬裝置。


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可​攜​式​學​生​裝​置​是​一​款​多​功​能​的​資​料​擷​取​與​控​制​儀​器,​可​協​助​學​生​隨​時​隨​地​量​測​與​分​析​即​時​訊​號,​並​設​計​實​際​可​用​的​複​雜​系統。

哺乳模擬裝置

我們設計出一種哺乳模擬裝置,可以準確模擬嬰兒哺乳的過程。此裝置會從容器內抽吸母乳,使用熱交換器加熱至生理溫度。接著透過安裝至人造乳頭的 NSDS,讓吸乳器模擬嬰兒吸奶的方式。母乳通過NSDS的時候,醫藥活性成分就會溶解,釋放出醫藥活性養分來補足母乳。加入更多養分的母乳就會被吸入一個分液收集器,可以持續擷取樣本。我們使用這些樣本來研究NSDS的藥物釋放特性,以便開發裝置。

系統設計

這個高度整合的系統採用了NI技術,可遠端控制一個模擬母親位置的幫浦。 相同的系統還可以產生頻率和振幅不同的波形,可控制真空幫浦、準確模擬嬰兒吸食的行為,同時還能夠即時監控壓力結果,確保實驗準確度。
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哺乳模擬裝置流程圖

就硬體角度而言,NI CompactDAQ 平臺大幅提高了我們建置並維護此裝置的效率。 NI CompactDAQ 的模組化 I/O 幫助我們定義一個資料擷取系統,滿足我們確切的需求,內建的訊號處理功能還可以簡化多種吸乳器、真空幫浦、壓力感測器的連接作業。 此外,隨插即用的USB介面能夠簡化中央運算硬體的資料串流作業,以便處理並儲存資料。 這對於文檔建立和實驗後的分析而言非常重要。

就軟體觀點而言,NI LabVIEW 提供了所有我們需要的資料擷取、處理和記錄功能。 我們結合了LabVIEW內建運作邏輯和進階的訊號處理函式庫,即時校準、過濾、顯示實驗期間的壓力和幫浦設定檔。 此外,LabVIEW也相容於多種檔案格式,我們可以匯入壓力資料檔,其中詳盡記載了嬰兒吸食行為,必須有這些資訊才能模擬哺乳狀況。

透過這樣的軟硬體整合,NI平臺幫助我們的科學團隊打造出一個靈活的研究裝置,可以根據不同的需求而擴充,這是其他方案和程式語言無法辦到的。 系統的軟體定義特性可以讓我們重新調整現有技術、滿足未來的需求,省下大量的時間和金錢。

此外,經過證實NI服務非常有幫助。不只是NI工程師前來實驗室協助我們開發模擬演算法,他們還派遣講師到劍橋大學開課,透過教育訓練提升我們的 LabVIEW 專業技能。

系統的進展開發模擬裝置的期間我們也正在持續運用NI技術。 我們在系統內整合了額外的吸乳器,由LabVIEW加以控制並監測,藉此研究不同的乳品成份對藥物釋放有何影響。 此外我們也把一個吸食的嬰兒舌頭納入哺乳模擬裝置,並且透過一個壓阻式壓力感測器加以監測。這樣一來即可協助我們掌握哺乳期間嬰兒舌頭所施加的壓力如何影響藥物釋放。我們會使用LabVIEW和NI硬體來產生幫浦控制訊號,並且分析新的感測器資料。接著我們會記錄並監測重要的壓力設定檔資訊,深入了解嬰兒和NSDS之間的互動對治療藥劑有何影響。

結論​

NI 系統可協助我們針對一系列可能的哺乳情境,精準測試乳頭防護罩輸送系統,因此我們才能夠開發出耐用、有效又安全的藥物供應裝置,保障全球嬰兒的健康。

現在我們正在南非的林波波省執行情境研究,了解NSDS潛在使用者的需求。有了 USAID Saving Lives at Birth 的補助,我們也會繼續研究並開發NSDS和哺乳模擬裝置。未來幾年我們的目標是針對一些適應症完成主要的臨床試驗。

我們把NI技術用於關鍵的醫療裝置研究與開發作業,這種醫療裝置可改善全球數百萬個母乳嬰兒的健康狀況。

作者資訊:
Rebekah Scheuerle
Department of Chemical Engineering and Biotechnology, University of Cambridge 
University of Cambridge, Department of Chemical Engineering and Biotechnology, Pembroke Street
Cambridge CB2 3RA 
英國
Rebekah.Scheuerle@justmilk.org 

(提供:NI國家儀器)


NI國家儀器透過​緊密​整合​旗下​軟​硬體,​建​置​出​多項​備受​業界​推崇​的​系統​設計​功能​與​技術。並與Quanser等公司攜手​打造​多項​實驗室​解決​方案,​可​協助​控制​與​機電​領域​的​學生​透過​整合​式​環境,​善加​運用​各種​控制​系統、​機電​感​測​器、​致​動​器​與​介面卡​基本​原理。​

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