Spirometr z nadrukiem 3D: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

By rabbitcreekObserwuj Więcej autora:

Projekty Fusion 360 »

Spirometry to klasyczne instrumenty do parsowania powietrza wydmuchiwanego z ust. Składają się z rurki, do której wdmuchujesz, która rejestruje objętość i prędkość jednego oddechu, które są następnie porównywane z zestawem normalnych wartości opartych na wzroście, masie ciała i płci i są wykorzystywane do śledzenia czynności płuc. Zaprojektowany przeze mnie przyrząd, chociaż przetestowany pod kątem dokładności za pomocą przepływomierza, nie jest w żaden sposób certyfikowanym urządzeniem medycznym, ale w pewnym sensie z pewnością może uchodzić za jedno - dając stosunkowo powtarzalne i dokładne zestawienia standardowych FEV1, FEVC i wykresów objętości wydajność i prędkość w czasie. Zaprojektowałem go tak, aby elektronika z drogim czujnikiem na uwięzi była zamknięta w jednym kawałku, a łatwa do wyrzucenia rurka wydmuchowa z powiązanymi kanałami obciążonymi wirusami była w innym. Wydaje się, że jest to jedna z wad standardowych maszyn używanych klinicznie – wymienne ustniki z tektury nie eliminują tak naprawdę wszystkich zagrożeń, gdy wirusy unoszą się w powietrzu i trzeba dmuchać długo i mocno w bardzo drogi aparat. Koszt urządzenia to mniej niż 40 USD, a każdy, kto ma drukarkę 3D, może wyprodukować tyle, ile chce. Oprogramowanie Wifi łączy go z aplikacją Blynk na smartfonie w celu wizualizacji i umożliwia pobieranie dowolnych danych.

Krok 1: Kup rzeczy

Zasadniczo budujemy czujnik analogowy ze świetnym połączeniem ekranu/mikrokontrolera. Ważny jest wybór odpowiedniego czujnika. W kilku innych projektach tych urządzeń zastosowano czujniki, które nie mają czułości niezbędnej do dostarczenia danych do obliczenia tych elementów oddechowych. ESP32 ma dobrze znane problemy z nieliniowością swojego ADC, ale nie wydaje się to być znaczące w zasięgu tego urządzenia.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 Moduł Bluetooth WiFi 1,14 cala Płytka rozwojowa LCD 8 USD Bangood

2. Czujnik ciśnienia SDP816-125PA, CMOSens®, 125 Pa, analogowy, różnicowy 30 USD Newark, Digikey

3. Bateria Lipo-600 mah 2 USD

4. Włącznik/wyłącznik -- Włącznik-wyłącznik zasilania/przełącznik Adafruit

Krok 2: Druk 3D

Fusion 360 został wykorzystany do zaprojektowania dwóch zagnieżdżonych elementów spirometru. Rurka Venturiego (rura wydmuchowa) ma różne konstrukcje. Aby użyć równania Bernoulliego do obliczenia przepływu, musisz mieć pewne zmniejszenie objętości przepływu w rurze pomiarowej. Zasada ta jest stosowana w różnych czujnikach przepływu dla wszystkich rodzajów płynów o przepływie laminarnym. Wymiary, których użyłem w zwężce Venturiego, nie pochodziły z żadnego konkretnego źródła, ale po prostu wydawały się działać. Czujnik wykorzystuje różnicę ciśnień w wąskich i szerokich obszarach rurki do obliczenia objętości przepływu. Chciałem, aby czujnik był w stanie łatwo i odwracalnie łączyć zwężkę Venturiego w celu szybkiej wymiany i demontażu, więc zaprojektowałem rury czujnika ciśnienia tak, aby wychodziły z modelu i kończyły się u jego podstawy, gdzie stykają się z końcówkami głowic rurek czujnika. Czujnik ma wysoką/niską polaryzację, która musi być zachowana z obszarów wysokiego/niskiego ciśnienia zwężki Venturiego. Wysokie ciśnienie występuje w odcinku prostym, a niskie nad krzywą ograniczenia – tak jak nad skrzydłem samolotu. Korpus spirometru został starannie zaprojektowany, aby zapewnić mocowania śrubowe do utrzymywania czujnika na miejscu za pomocą śrub M3 (20 mm). Są one umieszczane we wstawkach M3x4x5mm, termoutwardzalnych. Pozostała część projektu przewiduje zakotwiczenie TTGO w szczelinie na dole i okienku na ekran. Przycisk i osłona przycisków są zadrukowane dwukrotnie i umożliwiają dostęp do obu przycisków na płycie TTGO. Okładka jest ostatnim elementem do wydrukowania i została zaprojektowana tak, aby umożliwić dostęp do wtyczki zasilania/ładowania na górze płyty TTGO. Wszystkie elementy są drukowane w PLA bez podpór.

Krok 3: Podłącz to

Niewiele jest do okablowania czujnika i ESP32. Czujnik ma cztery przewody i należy pobrać arkusz danych czujnika, aby upewnić się, że przewody są prawidłowe: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Zasilanie idzie do wyjścia 3,3 V ESP32 oraz uziemienie i OCS są połączone z uziemieniem. Wyjście analogowe czujnika jest podłączone do styku 33 w ESP. Ponieważ połączenia te wiją się przez wąski otwór w powłoce, nie należy ich łączyć przed montażem urządzenia. Bateria Lipo pasuje do tylnej części obudowy, więc zdobądź taką, która ma odpowiednią wielkość dla mAh. TTGO ma obwód ładowania z maleńkim złączem JST z tyłu. Podłącz akumulator do tego z włącznikiem / wyłącznikiem przerywając linię pos.

Krok 4: Montaż

Modyfikacja po druku 3D odbywa się na rurze wydmuchowej. Dwie sekcje plastikowej rurki akwariowej są montowane w dolnych otworach urządzenia tak daleko, jak się da, a następnie przycinane równo za pomocą maszynki do strzyżenia. Zapewnia to elastyczny otwór dla otworów rurki czujnika, z którymi można łatwo połączyć. Jednostka główna wymaga zainstalowania mosiężnych wkładek termoutwardzalnych w dwóch otworach w ramie. Otwory montażowe czujnika muszą być nieznacznie powiększone dla śrub o długości 3 mm (20 mm) za pomocą odpowiedniego wiertła. Zamontuj czujnik dwoma śrubami i zakończ połączenia elektryczne z płytą TTGO. Podłącz i zamontuj włącznik/wyłącznik za pomocą kleju superglue. Użyj tego od Adafruit, ponieważ etui jest zaprojektowane tak, aby dokładnie go trzymać. Dwa przyciski są przymocowane do etui za pomocą kleju superglue. Upewnij się, że przyciski na tablicy TTGO są ustawione pod otworami. Przycisk jest instalowany, a następnie obudowa przycisku, która jest superklejona. Upewnij się, że przycisk nie jest przyklejony do obudowy, musi się w nim swobodnie poruszać. Aby ustabilizować górną część TTGO, umieść małe krople gorącego kleju na każdym ramieniu, aby utrzymać ją na miejscu. Akumulator idzie za płytą. Zakończ montaż, przyklejając wierzch. Powinien być łatwy dostęp do złącza USB-C do programowania i ładowania baterii.

Krok 5: Programowanie

Oprogramowanie dla tego przyrządu pobiera wartość analogową z czujnika, zmienia jej wartość na wolty i wykorzystuje wzór z karty danych czujnika do przeliczenia jej na paskale ciśnienia. Na tej podstawie wykorzystuje wzór Bernoullisa do określenia objętości/sek. i masy/sek. powietrza przechodzącego przez rurkę. Następnie analizuje to na poszczególne oddechy i zapamiętuje wartości w kilku tablicach danych i prezentuje dane na wbudowanym ekranie, a na koniec wywołuje serwer Blynk i przesyła je do telefonu. Dane są zapamiętywane tylko do chwili, gdy weźmiesz kolejny oddech. Kliniczne użycie spirometru polega zwykle na poproszeniu pacjenta o wzięcie jak największego wdechu i wydmuchanie go tak długo i mocno, jak to możliwe. Powszechnie stosowane algorytmy oparte na wzroście, wadze i płci są następnie opisywane jako normalne lub nieprawidłowe. Przedstawione są również różne układy tych danych, np. FEV1/FEVC --całkowita objętość podzielona przez objętość w pierwszej sekundzie. Wszystkie parametry są prezentowane na ekranie Spirometry, a także na małym wykresie Twojego wysiłku w objętości w czasie. Po przesłaniu danych do Wifi ekran powraca do „Blow”. Wszystkie dane są tracone po wyłączeniu zasilania.

Pierwsza sekcja kodu wymaga wprowadzenia tokena Blynk. Następny wymaga hasła Wifi i nazwy sieci. Float area_1 to powierzchnia w metrach kwadratowych rurki spirometru przed przewężeniem, a Float area_2 to powierzchnia w przekroju bezpośrednio przy przewężeniu. Zmień je, jeśli chcesz przeprojektować rurę. Vol i volSec to dwie tablice, które utrzymują wzrost objętości w czasie i prędkość ruchu powietrza. Funkcja pętli rozpoczyna się od obliczenia częstości oddechów. Następna sekcja odczytuje czujnik i oblicza ciśnienie. Poniższe zdanie if próbuje dowiedzieć się, czy skończyłeś z ciosem – trudniejsze niż myślisz, często ciśnienie spada nagle na milisekundę w samym środku ciosu. Następna sekcja oblicza przepływ masowy na podstawie ciśnienia. W przypadku wykrycia nowego oddechu wszystkie dane są zamrażane, a parametry obliczane i przesyłane na ekran, po czym następuje funkcja wykresu i na koniec wywołanie Blynk w celu przesłania danych. Jeśli nie zostanie wykryte żadne połączenie Blynk, powróci do „Blow”.

Krok 6: Korzystanie z niego

Czy ten instrument jest dość dokładny w tym, co ma robić? Użyłem skalibrowanego przepływomierza podłączonego do źródła powietrza przechodzącego przez wydrukowaną w 3D laminarną komorę powietrzną przymocowaną do spirometru i dokładnie przewidział w granicach rozsądku przepływ powietrza od 5 l/min do 20 l/min. Moja spoczynkowa objętość oddechowa na urządzeniu wynosi około 500 cm3 i jest bardzo powtarzalna. Przy każdym badaniu klinicznym musisz pamiętać, co jest rozsądne, jeśli chodzi o korzyści uzyskane w informacjach w porównaniu z wysiłkiem… możesz zważyć się z dokładnością do grama, ale do jakiej korzyści? Biorąc pod uwagę zmienność nieodłączną od dobrowolnych wysiłków testowych w kierunku wyniku, może to być adekwatne w większości sytuacji klinicznych. Innym problemem jest to, że niektóre osoby o dużej pojemności płuc mogą przekroczyć górny limit czujnika. Nie mogłem tego zrobić, ale jest to możliwe, ale ci ludzie prawdopodobnie nie będą mieli problemów z płucami…

Pierwszy ekran przedstawia FEV1 i FEVC. Kolejny ekran danych przedstawia czas trwania nadmuchu, stosunek FEV1/FEVC i MaxFlow w lit/sek. Wymaksowałem to za pomocą dwóch ekranów wyszczególniających Vol w czasie i Lit/s w czasie. Tarcze naśladują FEV1 i FEVC, a liczniki czasu trwania wydruku i FEV1/FEVC. Ale ci, którzy znają Blynk, wiedzą, że możesz to zrobić w dowolny sposób w aplikacji telefonu i jednym dotknięciem pobrać dane na e-mail.

Przyciski z boku urządzenia są wyłamane na wypadek, gdybyś chciał je zaprogramować do aktywacji maszyny za pomocą oddechu, zmiany wyjścia ekranu lub zmiany połączenia Blynk, jeśli chcesz go używać w trybie offline. Przyciski ściągają piny 0 i 35 w dół, więc po prostu wpisz to do programu. COVID rzekomo pozostawił wiele osób z przewlekłymi problemami z płucami, a to urządzenie może być pomocne w tych krajach, w których dostęp do drogiego sprzętu medycznego może być ograniczony. Możesz to wydrukować i zmontować w kilka godzin i wydrukować bezpieczną wymianę zanieczyszczonych sekcji urządzenia za darmo.

Drugie miejsce w konkursie na baterie