Respirator DIY przy użyciu zwykłych materiałów medycznych: 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Ten projekt zawiera instrukcje dotyczące montażu prowizorycznego wentylatora do użytku w sytuacjach awaryjnych, gdy nie ma wystarczającej liczby wentylatorów komercyjnych, takich jak obecna pandemia COVID-19. Zaletą tego projektu respiratora jest to, że zasadniczo automatyzuje on korzystanie z ręcznego urządzenia wentylacyjnego, które jest już szeroko stosowane i akceptowane przez środowisko medyczne. Co więcej, można go składać głównie z komponentów, które są już dostępne w większości ustawień szpitalnych i nie wymaga niestandardowej produkcji żadnych części (np. Druk 3D, cięcie laserowe itp.).

Maska z zaworem worka (BVM), znana również jako resuscytator ręczny, to ręczne urządzenie służące do zapewnienia wentylacji z dodatnim ciśnieniem pacjentom, którzy potrzebują wspomagania oddychania. Służą do zapewnienia tymczasowej wentylacji pacjentom, gdy wentylatory mechaniczne są niedostępne, ale nie są używane przez dłuższy czas, ponieważ wymagają one ściskania worka przez człowieka w regularnych odstępach czasu.

Ten respirator dla majsterkowiczów automatyzuje wyciskanie BVM, dzięki czemu może być używany do wentylacji pacjenta przez nieograniczony czas. Ściskanie uzyskuje się poprzez wielokrotne pompowanie/opróżnianie mankietu do pomiaru ciśnienia krwi owiniętego wokół BVM. Większość szpitali jest wyposażona w ścienne wyloty sprężonego powietrza i próżni, które można wykorzystać do odpowiednio napompowania i opróżnienia mankietu do pomiaru ciśnienia krwi. Elektrozawór reguluje przepływ sprężonego powietrza, którym steruje mikrokontroler Arduino.

Oprócz BVM i mankietu do pomiaru ciśnienia krwi (oba są już dostępne w szpitalach), ten projekt wymaga części o wartości mniejszej niż 100 USD, które można łatwo kupić od sprzedawców internetowych, takich jak McMaster-Carr i Amazon. Dostępne są sugerowane komponenty i linki do zakupu, ale możesz zamienić wiele części na inne podobne komponenty, jeśli te wymienione na liście nie są dostępne.

Podziękowanie:

Specjalne podziękowania dla profesora Rama Vasudevana z University of Michigan za sfinansowanie tego projektu oraz dr Mariama Runcie z Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency w Massachusetts General Hospital i Brigham and Women's Hospital za użyczenie jej wiedzy medycznej i przekazanie opinii na temat koncepcji.

Chcę również rozpoznać Christophera Zahnera, MD i Aisen Chacin, PhD z UTMB, którzy niezależnie zbiegli się w podobnym projekcie, zanim opublikowałem ten Instructable (artykuł z wiadomościami). Chociaż moje urządzenie nie jest nowatorskie, mam nadzieję, że to szczegółowe sprawozdanie z tego, jak zostało zbudowane, przyda się innym, którzy chcą odtworzyć lub ulepszyć tę koncepcję.

Kieszonkowe dzieci

Komponenty medyczne:

-Maska z zaworem worka, ~30 USD (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

- Mankiet do pomiaru ciśnienia krwi, ~ 17 USD (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Części elektroniczne:

-Arduino Uno, ~ 20 USD (https://www.amazon.com/Arduino-A000066-ARDUINO-UNO-R3/dp/B008GRTSV6)

-3-drogowy elektroniczny zawór elektromagnetyczny (12V), ~30 USD (https://www.mcmaster.com/61975k413)

-12 V adapter ścienny, ~10 USD (https://www.amazon.com/gp/product/B01GD4ZQRS)

-10k Potencjometr, <$1 (https://www.amazon.com/gp/product/B07C3XHVXV)

-TIP120 Tranzystor Darlington, ~ 2 USD (https://www.amazon.com/Pieces-TIP120-Power-Darlington-Transistors/dp/B00NAY1IBS)

- Miniaturowa płytka do krojenia chleba, ~ 1 USD (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-Drut jednożyłowy, ~15 USD za cały zestaw różnych kolorów (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Inne składniki:

-Mosiężna końcówka węża kolczastego z gwintami 10-32, ~ 4 USD (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) Plastikowa końcówka do rurki z zadziorami z gwintem 1/4 NPT, ~ 1 USD (https://www.mcmaster.com/5372k121)

-Przekładka plastikowa, <1 USD (https://www.mcmaster.com/94639a258)

-(x2) Rurki tlenowe odporne na zgniatanie, ~10 USD (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Małe pudełko lub inny pojemnik służący jako elektronika i obudowa zaworu

Krok 1: Podłącz elektronikę

Używając drutu litego i miniaturowej płytki stykowej, podłącz Arduino, TIP 120 i potencjometr, jak pokazano na schemacie elektrycznym. Możesz również przykleić Arduino i płytkę stykową do kawałka kartonu taśmą lub na gorąco, ponieważ pomoże to ograniczyć przypadkowe szarpanie przewodów.

Zauważ, że rezystor 1k jest opcjonalny. Działa jako zabezpieczenie przed zwarciami elektrycznymi, ale jeśli go nie masz, możesz po prostu zastąpić go drutem i wszystko powinno nadal działać.

Arduino nie może bezpośrednio sterować zaworem, ponieważ wymaga większej mocy niż mogą dostarczyć piny wyjściowe Arduino. Zamiast tego Arduino steruje tranzystorem TIP 120, który działa jak przełącznik do włączania i wyłączania zaworu.

Potencjometr działa jak „pokrętło regulacji szybkości oddychania”. Poprawienie ustawienia potencjometru powoduje zmianę sygnału napięcia na pin A0 Arduino. Kod działający na Arduino konwertuje to napięcie na „częstotliwość oddychania” i ustawia prędkość otwierania i zamykania zaworu, aby dopasować ją.

Krok 2: Podłącz elektroniczny zawór elektromagnetyczny

Zawór elektroniczny nie jest dostarczany z podłączonymi do niego przewodami, więc należy to zrobić ręcznie.

Najpierw zdejmij górną pokrywę za pomocą śrubokręta krzyżakowego, aby odsłonić trzy zaciski śrubowe, V +, V- i GND (sprawdź zdjęcie, aby określić, który jest który)

Następnie przymocuj przewody, zaciskając je śrubami. Sugerowałbym użycie pomarańczowego lub żółtego przewodu dla V + (lub dowolnego koloru użytego do przewodu 12 V w poprzednim kroku), niebieskiego lub czarnego dla V- i czarnego dla GND (lub dowolnego koloru użytego do przewodu GND na poprzedni krok Użyłem czarnego zarówno dla V-, jak i GND, ale nałożyłem kawałek taśmy na przewód GND, abym mógł je odróżnić.

Po podłączeniu przewodów załóż z powrotem pokrywę i przykręć ją na miejscu.

Następnie podłącz przewody do płytki stykowej, jak pokazano na zaktualizowanym schemacie okablowania.

Dla jasności dołączono również schemat obwodu, ale jeśli nie znasz tego typu notacji, możesz go po prostu zignorować:)

Krok 3: Prześlij kod Arduino i przetestuj elektronikę

Jeśli jeszcze go nie masz, pobierz Arudino IDE lub otwórz edytor WWW Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Jeśli używasz edytora internetowego Arduino Create, możesz uzyskać dostęp do szkicu tego projektu tutaj. Jeśli używasz Arduino IDE lokalnie na swoim komputerze, możesz pobrać szkic z tej instrukcji.

Otwórz szkic, podłącz Arduino do komputera za pomocą kabla USB drukarki i prześlij szkic do Arduino. Jeśli masz problemy z przesłaniem szkicu, pomoc znajdziesz tutaj.

Teraz podłącz zasilanie 12V. Zawór powinien co jakiś czas wydawać dźwięk kliknięcia i zapalać się, jak pokazano na filmie. Jeśli obrócisz pokrętło potencjometru zgodnie z ruchem wskazówek zegara, powinno ono przełączać się szybciej, a wolniej, jeśli obrócisz je w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Jeśli nie jest to zachowanie, które widzisz, wróć i sprawdź wszystkie poprzednie kroki.

Krok 4: Przymocuj złączki kolczaste do zaworu

Zawór ma trzy porty: A, P i wydech. Gdy zawór jest nieaktywny, A jest podłączony do Wywiewu, a P jest zamknięty. Gdy zawór jest aktywny, A jest połączone z P, a wydech jest zamknięty. Podłączymy P do źródła sprężonego powietrza, A do mankietu do pomiaru ciśnienia krwi, a wydech do podciśnienia. W tej konfiguracji mankiet do pomiaru ciśnienia krwi będzie się nadmuchiwał, gdy zastawka jest aktywna, a opróżnia się, gdy zastawka jest nieaktywna.

Port wydechowy jest zaprojektowany tak, aby był otwarty do atmosfery, ale musimy podłączyć go do próżni, aby mankiet do pomiaru ciśnienia krwi szybciej się opróżniał. Aby to zrobić, najpierw zdejmij czarną plastikową zaślepkę zakrywającą port wydechowy. Następnie umieść plastikową przekładkę na odsłoniętych gwintach i przymocuj mosiężne złącze kolczaste na górze.

Podłącz plastikowe złącza z zadziorami do portów A i P. Dokręć kluczem, aby upewnić się, że nie ma wycieków.

Krok 5: Stwórz obudowę dla elektroniki

Ponieważ żaden z przewodów nie jest lutowany na miejscu, ważne jest, aby chronić je przed przypadkowym szarpnięciem i rozłączeniem. Można to zrobić umieszczając je w obudowie ochronnej.

Do obudowy użyłem małego kartonowego pudła (w jednym z pudełek wysyłkowych McMastera niektóre części weszły). Możesz również użyć małego pojemnika na tupperware lub czegoś bardziej wyszukanego, jeśli chcesz.

Najpierw rozłóż zawór, Arduino i miniaturową płytkę stykową w pojemniku. Następnie wywiercić/wywiercić otwory w pojemniku na kabel zasilający 12V i przewody powietrza. Po wykończeniu otworów przyklej na gorąco, taśmę lub zamka błyskawicznego zawór, Arduino i płytkę stykową w żądanych miejscach.

Krok 6: Załóż mankiet do pomiaru ciśnienia wokół BVM

Odłącz gruszkę do napełniania od mankietu do pomiaru ciśnienia krwi (powinieneś być w stanie ją po prostu ściągnąć). W następnym kroku rurka ta zostanie podłączona do zaworu elektronicznego.

Owiń mankiet do pomiaru ciśnienia krwi wokół BVM. Upewnij się, że mankiet jest tak ciasny, jak to możliwe, bez zapadania się torby.

Krok 7: Podłącz przewody powietrza

Ostatnim krokiem jest podłączenie mankietu do pomiaru ciśnienia krwi, źródła sprężonego powietrza i źródła podciśnienia do zaworu elektronicznego.

Podłącz mankiet do pomiaru ciśnienia krwi do końcówki A zaworu.

Za pomocą przewodu tlenowego podłącz końcówkę P zaworu do źródła sprężonego powietrza. Większość szpitali powinna mieć dostępne wyloty sprężonego powietrza pod ciśnieniem 4 barów (58 psi) (źródło).

Używając innego przewodu tlenowego, podłącz końcówkę wydechową zaworu do źródła podciśnienia. Większość szpitali powinna mieć dostępne wyloty próżniowe pod ciśnieniem 400 mmHg (7,7 psi) poniżej atmosfery (źródło).

Urządzenie jest teraz kompletne, z wyjątkiem niezbędnych rurek/adapterów do podłączenia wylotu BVM do płuc pacjenta. Nie jestem pracownikiem służby zdrowia, więc nie uwzględniłem tych elementów w projekcie, ale zakłada się, że będą one dostępne w każdym szpitalu.

Krok 8: Przetestuj urządzenie

Podłącz urządzenie. Jeśli wszystko jest prawidłowo podłączone, mankiet do pomiaru ciśnienia krwi powinien okresowo napełniać się i opróżniać, jak pokazano na filmie.

Nie jestem pracownikiem służby zdrowia, więc nie mam dostępu do szpitalnych gniazd sprężonego powietrza ani podciśnienia. Dlatego do przetestowania urządzenia w moim domu użyłem małej sprężarki powietrza i pompy próżniowej. Ustawiłem regulator ciśnienia na sprężarce na 4 bary (58 psi), a podciśnienie na -400 mmHg (-7,7 psi), aby jak najlepiej symulować wyloty szpitalne.

Kilka zastrzeżeń i rzeczy do rozważenia:

-Częstość oddychania można regulować obracając potencjometr (od 12-40 oddechów na minutę). Używając mojej konfiguracji sprężonego powietrza/podciśnienia, zauważyłem, że przy częstości oddechów powyżej ~20 oddechów na minutę mankiet do pomiaru ciśnienia krwi nie ma czasu na całkowite opróżnienie między oddechami. Może to nie stanowić problemu przy korzystaniu ze szpitalnych wylotów powietrza, które, jak zakładam, mogą zapewnić wyższe natężenia przepływu bez tak dużego spadku ciśnienia, ale nie wiem na pewno.

- Zawór worka nie jest całkowicie ściśnięty podczas każdego oddechu. Może to spowodować pompowanie niewystarczającej ilości powietrza do płuc pacjenta. Badanie na manekinie medycznym dróg oddechowych może ujawnić, czy tak jest. Jeśli tak, można temu zaradzić, zwiększając czas napełniania podczas każdego oddechu, co wymagałoby edycji kodu Arduino.

-Nie testowałem maksymalnej wytrzymałości mankietu do pomiaru ciśnienia krwi. 4 bary są znacznie wyższe niż ciśnienie, które jest zwykle wymagane przy pomiarze ciśnienia krwi. Mankiet do pomiaru ciśnienia krwi nie pękł podczas moich testów, ale to nie znaczy, że nie mogło się to zdarzyć, gdyby ciśnienie w mankiecie mogło się w pełni wyrównać przed opróżnieniem.

-BVM został zaprojektowany, aby zapewnić wsparcie powietrzne bez dodatkowych rurek między zaworem a nosem/ustami pacjenta. Dlatego w przypadku rzeczywistego zastosowania długość rurki między BVM a pacjentem powinna być ograniczona do minimum.

- Ta konstrukcja respiratora nie jest zatwierdzona przez FDA i powinna być traktowana tylko jako opcja OSTATNIA OCHRONA. Został on celowo zaprojektowany tak, aby był łatwy w montażu ze sprzętu szpitalnego i części komercyjnych w sytuacjach, w których lepsze/bardziej wyrafinowane alternatywy są po prostu niedostępne. Zachęcamy do wprowadzania ulepszeń!