Drop number counting in home drug administration for subjects with visual impairment : research and innovation

The blind person faces challenges in every daily action, not only outdoor but also at home. Issues arise even in apparently easy tasks. For this reason, the market of assistance and medical devices is increasing, promoting tools which counteract the effects of the visual disability. However, there are still a lot of activities in which the visually impaired person is dependent on familiars. Typhlology is the branch of science concerned with assistance of blind people in daily life, conceiving smart tools that may support interaction tasks (other people and environment) and increase the social integration. A critical activity for blind people is the self-administration of drugs in drops. The person is unable to accomplish this task alone, because he or she is unable to perceive the exact amount of delivered drops. In this domain, this thesis presents the development of a new device able to assist visually impaired people in the self-administration of drugs in drops. The thesis work was developed in cooperation with “Centro regionale tiflotecnico dell’unione italiana dei ciechi e degli ipovedenti” (Milan, Italy) and Biocubica srl company (Milan, Italy). The device structure consists on a sensorized custom glass shaped as a cut cone and a supporting base embedding the electronics and power supply. The supporting base embeds a custom electronic board, a sound module and a speaker, which provide an audio output when a drop is sensed. On the frontal aspect of the base, three push buttons allow the blind person to interact with the device (e.g. start/stop, audio control). The transduction apparatus rests on an innovative capacitive sensor (CapSense) for drop detection exploiting the physical principle of dielectric constant change as the delivered drop amount increases. The device development involved the design of the sensor, analysing the effect of its geometric features (e.g. thickness of the capacitor plates and the distance between the plates) on the sensibility to different liquids drops. Once the best sensor geometry was identified, the prototype was assembled and calibrated. As far as the calibration is concerned, extensive tests were performed to determine the best setting of the CapSense parameters in terms of intensity current of the digital analog converter (IDAC) and scanning time ensuring the best sensibility of the drop detection. The overall prototype functionality was tested on a group of thirteen normal people. This test proved high sensitivity (98%) and high positive predictive value (99%) to water drop detection. The test on oily drops, requiring a slight film of water on the glass bottom to sensor reading (oil alone does not cause change in the dielectric), highlighted a slightly badly (94%) sensitivity compared to that one of the previous water drop test. Both tests allowed underlining the adequate sensitivity of the sensor to both water and oil drop detection. However, the tricky way out of using a water film when delivering oil drops can easily lead to potentially loose part of the delivered drug that stays adherent to the glass surface due to non-perfect solubility of the oil into the water. This could affect the drug dosage. In order to improve detection performance for oil drops and avoid water film effect, we remark that a different transduction concept would be required. This issue have to be addressed in future developments. A utility test was performed at “Centro regionale tiflotecnico dell’unione italiana dei ciechi e degli ipovedenti” of Milan on seven blind people who were instructed to deliver 15 water drops into the sensorized glass. After the task, the subjects answered a questionnaire about use satisfaction and ergonomics. The results revealed a high satisfaction level highlighting some main key aspects as glass handling, button usability and feedback voice clarity. The positive features were the ease of use, the drop detection reading speed (sensed quick drop counting), the ability “to talk” of the device and structural component comfort (glass shape ergonomics). On the other hand, the utility test pointed out that the device base is a little bit bulky, which prevent easy outdoor portability. In conclusion, missing patents and lack of commercial products devoted to self-administration of drugs in drops reinforce the innovation potential of the proposed device from both technical and application point of views. In this regards, the device can be already thought of as a market-oriented prototype because it is fully integrated, is endowed with an ergonomic user-centered design with cost sustainability and features very high drop detection sensitivity. The potential of the device is very high. All these aspects lead to think that this device can easily enter an engineering phase releasing a high-impact commercial product.

La persona non vedente affronta problemi in molte attività durante la vita quotidiana, non solo all'aperto ma anche in casa. I problemi emergono anche in compiti apparentemente facili. Per questo motivo, il mercato dei dispositivi medici e ausiliari è in crescita, promuovendo strumenti che contrastano gli effetti della disabilità visiva. Tuttavia, ci sono ancora molte attività in cui la persona non vedente è dipendente dai familiari. La tiflologia è il ramo della scienza che studia la cecità e l'assistenza delle persone non vedenti nella vita quotidiana, concependo strumenti intelligenti che possono supportare i compiti di interazione (sia con persone che con l’ambiente) e aumentare la loro integrazione sociale. Un'attività critica per i non vedenti è l'auto-somministrazione di farmaci in gocce. La persona cieca non è in grado di eseguire questo compito da solo, perché non è in grado di percepire l'esatta quantità di gocce versate. In questo contesto, questa tesi presenta lo sviluppo di un nuovo dispositivo in grado di aiutare le persone con disabilità visive nell'auto-somministrazione di farmaci in gocce. Il lavoro di tesi è stato sviluppato in collaborazione con il “Centro regionale Tiflotecnico dell'unione italiana dei ciechi e degli ipovedenti” (Milano) e la società Biocubica srl (Milano, Italia). La struttura del dispositivo è costituita da un bicchiere sensorizzato di forma troncoconica e da una base di supporto che incorpora l'elettronica e l'alimentazione. La base di supporto incorpora una scheda elettronica personalizzata, un modulo audio e un altoparlante, che forniscono un'uscita audio quando viene rilevata una goccia. Sulla parete superiore della base, tre pulsanti consentono alla persona cieca di interagire con il dispositivo (ad esempio, avvio / arresto, controllo audio). La trasduzione si basa su un innovativo sensore capacitivo (CapSense) per la rilevazione di gocce, che sfrutta il principio fisico della modifica della costante dielettrica all’aumento delle gocce versate. Lo sviluppo del dispositivo ha coinvolto la progettazione del sensore. Si è analizzata l’influenza delle sue caratteristiche geometriche (ad esempio, spessore dei piatti del condensatore e la distanza tra i piatti) sulla sensibilità nella rilevazione di gocce di diversi liquidi. Una volta identificata la migliore geometria del sensore, il prototipo è stato assemblato e calibrato. Per quanto riguarda la calibrazione, sono stati eseguiti test per determinare la migliore impostazione dei parametri del CapSense, per assicurare la migliore sensibilità alle gocce. In particolare, sono stati analizzati l’intensità di corrente del convertitore analogico digitale (IDAC) e il tempo di scansione. La funzionalità complessiva del prototipo è stata testata su un gruppo di tredici persone vedenti. Questo test ha dimostrato un'elevata sensibilità (98%) e un alto valore di previsione positiva (99%) nel rilevamento di gocce di acqua. Il test sulle sostanze oleose, che richiedono una sottile strato d'acqua sul fondo del bicchiere affinché il sensore riesca a avvertire dei cambiamenti (il solo olio non provoca cambiamenti rilevabili nel dielettrico), ha evidenziato una sensibilità leggermente peggiore (94%) rispetto a quella del test precedente. Entrambe le prove hanno permesso di sottolineare l'adeguata sensibilità del sensore sia alle gocce di acqua che a quelle di olio. Tuttavia, la soluzione di usare un sottile strato d'acqua per la rilevazione di gocce d'olio può facilmente portare a una perdita del farmaco versato, poiché l’olio rimane adeso alla superficie del bicchiere a causa della non idoneità della solubilità nell'acqua. Questo potrebbe influenzare il dosaggio del farmaco. Al fine di migliorare le prestazioni di rilevazione delle gocce di olio e evitare di dover fare uno strato di acqua, è necessario un metodo di trasduzione diverso. Questo problema deve essere affrontato negli sviluppi futuri. Il test di utilità è stato eseguito presso il “Centro regionale Tiflotecnico dell'unione italiana dei ciechi e degli ipovedenti” di Milano su sette persone cieche. Ai partecipanti è stato chiesto di versare 15 gocce di acqua nel bicchiere sensorizzato. Dopo la prova, i partecipanti hanno risposto ad un questionario sulla soddisfazione dell'uso e sull'ergonomia del dispositivo. I risultati hanno rivelato un elevato livello di soddisfazione, evidenziando alcuni aspetti principali come la maneggevolezza del bicchiere, l'usabilità dei pulsanti e la chiarezza della voce di feedback. I punti di forza del dispositivo sono stati la facilità d'uso, la velocità di lettura del rilevamento delle gocce (ha colpito il rapido conteggio di gocce versate in rapida successione), la capacità di "parlare" del dispositivo e il confort dei componenti strutturali (ergonomia del bicchiere). Tuttavia, il test di utilità ha fatto emergere che la base del dispositivo è un po’ ingombrante, e questo impedisce la facile portabilità esterna del dispositivo. In conclusione, una ricerca ha evidenziato la mancanza di brevetti e di prodotti commerciali dedicati all’auto-somministrazione di farmaci in gocce. Questo rafforza il potenziale innovativo del lavoro sia dal punto di vista tecnico che da quello dell’applicazione. A questo proposito, il dispositivo può essere già considerato come un prototipo orientato al mercato perché è completamente integrato, dotato di un design ergonomico orientato all'utente. Inoltre è caratterizzato da un'elevata sensibilità nella rilevazione di gocce. Il potenziale del dispositivo è molto elevato. Tutti questi aspetti portano a pensare che questo dispositivo possa facilmente entrare in una fase di ingegnerizzazione e diventare un prodotto commerciale ad alto impatto.