Towards a mobile, cost-effective neonatal brain cooling device
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: Hypoxic-ischemic Encephalopathy is the brain damage caused as a result of decreased
oxygen and blood flow to the brain of a baby during birth. This brain damage is one
of the leading causes of cerebral palsy and other disabilities worldwide. In order to
reduce the damage created, therapeutic hypothermia treatment is given to the affected
neonate. This treatment reduces the core temperature of the neonate to below homeostasis
in order to allow the brain sufficient chance to recover from the decreased oxygen
and blood flow. Therapeutic hypothermia, however, must be administered within six
hours of birth. This proves challenging for developing countries with minimal resources
and rural settings. Therefore, this project aimed to assist in the development of a mobile
and cost-effective device that can be used during transport. This will allow therapeutic
hypothermia to begin en-route to the destination hospital, where the therapy can be continued.
To aid towards the design of such a device, this project followed a phased design
approach, which included design requirement development, concept development and
evaluation, detailed design and analysis, design implementation, and design evaluation.
A thermoacoustic refrigerator was the concept chosen for further development due to
its low-cost components, potential small and lightweight nature, and promising research
potential. A thermoacoustic refrigerator produces heat transfer potential from acoustic
power through the use of a resonator, a loudspeaker, a stack, and heat exchangers. A
standing wave is formed within the resonator at a specific design frequency, which allows
for the desired air particle movement. The interaction of the moving particles with the
stack then enables the transfer of heat from one side of the resonator to the other. The
subsequent placement of heat exchangers on either side of the stack allows heat transfer
to/from thermal reservoirs.
A thermoacoustic prototype was built and evaluated through various experimental
phases, by comparison to DeltaEC - a thermoacoustic modeling tool. The experiment tested the response of the system at various operating conditions by changing the electrical
power input, the mean pressure, and a simulated environmental temperature. The
acoustic aspects of the model were well validated, however the thermal aspects were not.
The main reason for this seems to be attributed to the over-prediction of the heat transfer
coefficient within the DeltaEC model. The model therefore assumes a much more
effective heat exchanger than the one that is practically implemented, due to certain
assumptions that the model makes about the heat exchanger.
The model is therefore not validated, and the recommendation is to split any further
research into two streams: thermoacoustic development, and the development of a mobile
therapeutic hypothermia device. This is further supported by the various practical
limitations experienced by the prototype, including the need for a specialised speaker
to improve the electro-acoustic efficiency. In addition, the loud sound of the system
proves impractical within the use scenario, and the difficult manufacture of the stack is
impractical at the current stage of development. The overall recommendation is therefore
to discontinue the investigation of thermoacoustics within this use scenario.
AFRIKAANS OPSOMMING: Hipoksies-ischemiese Enkefalopatie is die breinskade wat veroorsaak word weens verminderde suurstof en bloedvloei na die brein van ’n baba tydens geboorte. Hierdie breinskade is wêreldwyd een van die hoofoorsake van serebrale gestremdheid en ander gestremdhede. Om die skade wat aangerig word te verminder, word terapeutiese hipotermiebehandeling aan die aangetaste neonaat gegee. Hierdie behandeling verlaag die kerntemperatuur van die neonaat tot onder homeostase. Hierdeur word die brein voldoende kans gegee om van die verminderde suurstof- en bloedvloei te herstel. Hierdie terapie moet egter binne ses uur na geboorte toegedien word. Dit blyk uitdagend te wees vir ontwikkelende lande met minimale hulpbronne en landelike omgewings. Die doel van hierdie projek was dus om te help met die ontwikkeling van ’n mobiele en kostedoeltreffende toestel wat tydens vervoer gebruik kan word. Dit sal toelaat dat terapeutiese hipotermie alreeds begin op pad na die bestemde hospitaal, waar die terapie verder voortgesit kan word. Om met die ontwerp van so ’n toestel te help, het hierdie projek ’n gefaseerde ontwerp benadering gevolg. Dit het die volgende ingesluit: ontwerpvereistesontwikkeling, konsepontwikkeling en -evaluering, gedetailleerde ontwerp en analise, ontwerpimplementering en ontwerpevaluering. ’n Termo-akoestiese yskas was die konsep wat gekies is vir verdere ontwikkeling, vanweë sy lae-koste komponente, potensieel klein en liggewig-aard, asook belowende navorsingspotensiaal. ’n Termo-akoestiese yskas produseer hitte-oordragpotensiaal vanaf akoestiese krag deur die gebruikmaking van ’n resonator, ’n luidspreker, ’n stapel en hitte-uitruilers. ’n Staande golf word binne die resonator gevorm teen ’n spesifieke ontwerpfrekwensie, wat voorsiening maak vir die gewensde lugdeeltjiebeweging. Die interaksie van die bewegende deeltjies met die stapel maak dan die oordrag van hitte van die een kant van die resonator, na die ander, moontlik. Die daaropvolgende plasing van hitte-uitruilers aan weerskante van die stapel laat hitte-oordrag na/van termiese reservoirs toe. ’n Termo-akoestiese prototipe is gebou en geëvalueer deur verskeie eksperimentele fases, in vergelyking met DeltaEC - ’n termo-akoestiese modelleringsinstrument. Die eksperiment het die reaksie van die stelsel by verskeie bedryfstoestande getoets deur die elektriese kragtoevoer, die gemiddelde druk en ’n gesimuleerde omgewingstemperatuur te verander. Die akoestiese aspekte van die model is goed gevalideer, maar die termiese aspekte was nie. Die hoofrede hiervoor word toegeskryf aan die oorvoorspelling van die hitte-oordragkoëffisiënt binne die DeltaEC-model. Dit wil voorkom asof die model dus ’n baie meer effektiewe hitte-uitruiler veronderstel as die een wat prakties geïmplementeer is, as gevolg van sekere aannames wat die model oor die hitte-uitruiler maak. Die model is dus nie bekragtig nie, en die aanbeveling is om enige verdere navorsing in twee strome te verdeel: termo-akoestiese ontwikkeling, en die ontwikkeling van ’n mobiele terapeutiese hipotermie-toestel. Dit word verder ondersteun deur die verskeie praktiese beperkings wat die prototipe ervaar, insluitend die behoefte aan ’n gespesialiseerde luidspreker om die elektro-akoestiese doeltreffendheid te verbeter. Daarbenewens blyk die harde klank van die stelsel onprakties te wees binne die gebruikscenario, en die moeilike vervaardiging van die stapel is ook onprakties in die huidige stadium van ontwikkeling. Die algehele aanbeveling is dus om die ondersoek na termo-akoestiek binne hierdie gebruikscenario te staak.
AFRIKAANS OPSOMMING: Hipoksies-ischemiese Enkefalopatie is die breinskade wat veroorsaak word weens verminderde suurstof en bloedvloei na die brein van ’n baba tydens geboorte. Hierdie breinskade is wêreldwyd een van die hoofoorsake van serebrale gestremdheid en ander gestremdhede. Om die skade wat aangerig word te verminder, word terapeutiese hipotermiebehandeling aan die aangetaste neonaat gegee. Hierdie behandeling verlaag die kerntemperatuur van die neonaat tot onder homeostase. Hierdeur word die brein voldoende kans gegee om van die verminderde suurstof- en bloedvloei te herstel. Hierdie terapie moet egter binne ses uur na geboorte toegedien word. Dit blyk uitdagend te wees vir ontwikkelende lande met minimale hulpbronne en landelike omgewings. Die doel van hierdie projek was dus om te help met die ontwikkeling van ’n mobiele en kostedoeltreffende toestel wat tydens vervoer gebruik kan word. Dit sal toelaat dat terapeutiese hipotermie alreeds begin op pad na die bestemde hospitaal, waar die terapie verder voortgesit kan word. Om met die ontwerp van so ’n toestel te help, het hierdie projek ’n gefaseerde ontwerp benadering gevolg. Dit het die volgende ingesluit: ontwerpvereistesontwikkeling, konsepontwikkeling en -evaluering, gedetailleerde ontwerp en analise, ontwerpimplementering en ontwerpevaluering. ’n Termo-akoestiese yskas was die konsep wat gekies is vir verdere ontwikkeling, vanweë sy lae-koste komponente, potensieel klein en liggewig-aard, asook belowende navorsingspotensiaal. ’n Termo-akoestiese yskas produseer hitte-oordragpotensiaal vanaf akoestiese krag deur die gebruikmaking van ’n resonator, ’n luidspreker, ’n stapel en hitte-uitruilers. ’n Staande golf word binne die resonator gevorm teen ’n spesifieke ontwerpfrekwensie, wat voorsiening maak vir die gewensde lugdeeltjiebeweging. Die interaksie van die bewegende deeltjies met die stapel maak dan die oordrag van hitte van die een kant van die resonator, na die ander, moontlik. Die daaropvolgende plasing van hitte-uitruilers aan weerskante van die stapel laat hitte-oordrag na/van termiese reservoirs toe. ’n Termo-akoestiese prototipe is gebou en geëvalueer deur verskeie eksperimentele fases, in vergelyking met DeltaEC - ’n termo-akoestiese modelleringsinstrument. Die eksperiment het die reaksie van die stelsel by verskeie bedryfstoestande getoets deur die elektriese kragtoevoer, die gemiddelde druk en ’n gesimuleerde omgewingstemperatuur te verander. Die akoestiese aspekte van die model is goed gevalideer, maar die termiese aspekte was nie. Die hoofrede hiervoor word toegeskryf aan die oorvoorspelling van die hitte-oordragkoëffisiënt binne die DeltaEC-model. Dit wil voorkom asof die model dus ’n baie meer effektiewe hitte-uitruiler veronderstel as die een wat prakties geïmplementeer is, as gevolg van sekere aannames wat die model oor die hitte-uitruiler maak. Die model is dus nie bekragtig nie, en die aanbeveling is om enige verdere navorsing in twee strome te verdeel: termo-akoestiese ontwikkeling, en die ontwikkeling van ’n mobiele terapeutiese hipotermie-toestel. Dit word verder ondersteun deur die verskeie praktiese beperkings wat die prototipe ervaar, insluitend die behoefte aan ’n gespesialiseerde luidspreker om die elektro-akoestiese doeltreffendheid te verbeter. Daarbenewens blyk die harde klank van die stelsel onprakties te wees binne die gebruikscenario, en die moeilike vervaardiging van die stapel is ook onprakties in die huidige stadium van ontwikkeling. Die algehele aanbeveling is dus om die ondersoek na termo-akoestiek binne hierdie gebruikscenario te staak.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Thermoacoustic refrigeration, DeltaEC, Cold -- Therapeutic use, Hypoxic-ischemic encephalopathy