Graphical user interface design and breathing circuit optimization of a novel non-invasive respiratory support device for low-resource environments

UNICEF reported that 5 million children under 5 years of age died globally in 2021, and according to the World Health Organization (WHO), most of these deaths occurred in low and middle-income countries (LMICs). Acute Lower Respiratory Infections (ALRIs) stand as the primary cause of mortality and morbidity among infants and children in developing countries. Most of them, can be successfully treated with Non-Invasive Continuous Positive Pressure respiratory support combined with medical oxygen. However, the lack of access to respiratory support equipment, medical oxygen, and proper infrastructure are an obstacle to the provision of an effective therapy through mechanical ventilation. The present thesis project aims to the optimization of a prototype, previously developed at TechRes Laboratory of Politecnico di Milano, which targets the respiratory needs of hypoxemic newborns in LMICs. The device is a non-invasive respiratory support prototype designed to deliver the desired pressures to the patient through a blower-based ventilation platform while enriching the air with oxygen coming from a built-in oxygen concentrator that extracts it directly from ambient air. A usability field study conducted in a real-case scenario involving healthcare specialists from the hospitals of Atapara and Mbarara in Uganda, highlighted the need for further improvements for the prototype. The latters particularly concerned the need for a more intuitive Graphical User Interface, a more effective neonatal breathing circuit and the addition of a monitoring system. This challenge must consider energy saving and cost minimization while enhancing system resilience and robustness. The present thesis focused on the development of the abovementioned suggested improvements. The main feature developed was the novel implementation of a tailor-made Graphical User Interface integrated with the new system's embedded pulse oximeter, providing the visualization of vital parameters for patient real-time monitoring. While improving the system's power saving through an energy-efficient GUI, a battery was integrated to overcome power supply failures. According to the healthcare professionals' requirements, a custom-made breathing circuit connector was designed together with the re-design of the case of the prototype to make it more compact and easily transportable. The efficacy of the system embedding the newly implemented improvements has been validated through a Usability Field Test in the Neonatal Intensive Care Unit (NICU) at Fondazione IRCCS San Gerardo dei Tintori Hospital, Monza (Italy). The test confirmed the simplicity and intuitiveness of the Graphic User Interface, proving its suitability in low-resource settings. The feedback gathered from healthcare professionals provided the basis for further enhancements of the GUI to make it even more effective.

Secondo l'UNICEF, nel 2021 sono morti a livello globale 5 milioni di bambini sotto i 5 anni e, secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), la maggior parte di questi decessi si è verificata nei Paesi a basso e medio reddito (LMIC). Le infezioni respiratorie acute inferiori (ALRIs) sono la causa principale di mortalità e morbilità tra i neonati e i bambini nei paesi in via di sviluppo. La maggior parte di esse può essere trattata con successo con un supporto respiratorio non invasivo a pressione positiva continua combinato con ossigeno medico. Tuttavia, la mancanza di accesso alle apparecchiature di supporto respiratorio, all'ossigeno medico e alle infrastrutture adeguate sono un ostacolo alla fornitura di una terapia efficace attraverso la ventilazione meccanica. Il presente progetto di tesi mira all'ottimizzazione di un prototipo, precedentemente sviluppato presso il Laboratorio TechRes del Politecnico di Milano, che si rivolge alle esigenze respiratorie dei neonati ipossiemici nei paesi a basso reddito. Il dispositivo è un prototipo di supporto respiratorio non invasivo progettato per fornire le pressioni desiderate al paziente attraverso una piattaforma di ventilazione basata su soffianti, arricchendo al contempo l'aria con ossigeno proveniente da un concentratore di ossigeno incorporato che lo estrae direttamente dall'aria ambiente. Uno studio di usabilità condotto sul campo in uno scenario reale che ha coinvolto specialisti sanitari degli ospedali di Atapara e Mbarara in Uganda, ha evidenziato la necessità di ulteriori miglioramenti per il prototipo. In particolare, questi ultimi hanno sottolineato la necessità di un'interfaccia grafica più intuitiva, di un circuito di respirazione neonatale più efficace e dell'aggiunta di un sistema di monitoraggio. Questa sfida deve considerare il risparmio energetico e la minimizzazione dei costi, migliorando al contempo la resilienza e la robustezza del sistema. La presente tesi si è concentrata sullo sviluppo dei suddetti miglioramenti suggeriti. La principale caratteristica sviluppata è stata l'implementazione di un'interfaccia grafica su misura integrata con un pulsossimetro incorporato nel sistema, che fornisce la visualizzazione dei parametri vitali per il monitoraggio in tempo reale del paziente. Oltre a migliorare il risparmio energetico del sistema grazie a un'interfaccia grafica efficiente dal punto di vista energetico, è stata integrata una batteria per superare le interruzioni dell'alimentazione. In base alle esigenze degli operatori sanitari, è stato progettato un connettore per il circuito respiratorio su misura, insieme alla riprogettazione della custodia del prototipo per renderlo più compatto e facilmente trasportabile. L'efficacia del sistema che incorpora i miglioramenti implementati è stata convalidata attraverso un test di usabilità sul campo nell'Unità di Terapia Intensiva Neonatale (UTIN) della Fondazione IRCCS San Gerardo dei Tintori di Monza (Italia). Il test ha confermato la semplicità e l'intuitività dell'interfaccia grafica, dimostrando la sua idoneità in contesti a basse risorse. Il feedback raccolto dagli operatori sanitari ha fornito la base per ulteriori miglioramenti dell'interfaccia grafica per renderla ancora più efficace.