3D tištěný spirometr: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Autor: rabbitcreekSledovat více od autora:

Projekty Fusion 360 »

Spirometry jsou klasickým nástrojem pro analýzu vzduchu při jeho vyfukování z úst. Skládají se z trubice, do které fouknete, která zaznamenává objem a rychlost jednoho dechu, které jsou poté porovnány se sadou normálních hodnot založených na výšce, hmotnosti a pohlaví a slouží k sledování plicních funkcí. Nástroj, který jsem navrhl, přestože byl testován na přesnost průtokoměrem, není žádným certifikovaným zdravotnickým prostředkem, ale v jednom případě by určitě mohl projít jedním-poskytuje relativní reprodukovatelné a přesné účty standardních FEV1, FEVC a objemových grafů výkon a rychlost v čase. Navrhl jsem to tak, aby elektronika s drahým upoutaným senzorem byla omezena na jeden kus a snadno použitelná foukací trubice s přidruženými kanály nabitými virem byla v jiném. Zdá se, že to je jedna z nevýhod standardních strojů používaných klinicky - vyměnitelné kartonové náustky ve skutečnosti neodstraňují všechna rizika, když jsou viry přenášeny vzduchem a jste požádáni, abyste foukali dlouho a tvrdě do velmi drahého zařízení. Náklady na zařízení jsou nižší než 40 USD a kdokoli s 3D tiskárnou může dosáhnout tolik, kolik chce. Software Wifi jej připojí k aplikaci Blynk ve vašem smartphonu pro vizualizaci a umožní vám stáhnout si libovolná data.

Krok 1: Nakupte věci

V zásadě stavíme analogový senzor se skvělou kombinací obrazovky/mikrokontroléru. Důležitý je výběr správného senzoru. Několik dalších návrhů pro tato zařízení používalo senzory, které postrádají citlivost potřebnou k poskytnutí dat pro výpočet těchto dýchacích prvků. ESP32 má dobře známé problémy s nelinearitou svého ADC, ale to se nezdá být významné v dosahu této jednotky.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi bluetooth modul 1,14 palce Vývojová deska LCD $ 8 Bangood

2. SDP816-125PA tlakový senzor, CMOSens®, 125 Pa, analogový, diferenciál 30 $ Newark, Digikey

3. Lipo baterie - 600 mAh $ 2

4. Přepínač zapnutí / vypnutí-Tlačítko zapnutí / vypnutí Přepínač Adafruit

Krok 2: 3D tisk

Fusion 360 byl použit k návrhu dvou vnořovacích prvků spirometru. Venturiho trubice (ofukovací trubice) má různé provedení. Chcete -li použít Bernoulliho rovnici pro výpočet průtoku, musíte mít určité snížení objemu průtoku v měřicí trubici. Tento princip se používá v řadě snímačů průtoku pro všechny druhy kapalin s laminárním prouděním. Rozměry, které jsem použil ve Venturiho trubici, nepocházely z konkrétního zdroje, ale zdálo se, že fungují. Senzor používá k výpočtu objemu průtoku diferenční tlak napříč úzkými a širokými oblastmi trubek. Chtěl jsem, aby senzor mohl snadno a reverzibilně zapojit Venturiho trubici pro rychlou výměnu a vyjmutí, a proto jsem navrhl trubice tlakových senzorů tak, aby vedly ven z modelu a končily na jeho základně, kde by zabíraly s hroty hlav trubek senzoru. Senzor má vysokou/nízkou polaritu, která musí být udržována z oblastí vysokého/nízkého tlaku Venturiho trubice. Vysoký tlak je v přímém úseku a nízký tlak je nad křivkou omezení-stejně jako nad křídlem letadla. Tělo spirometru je pečlivě navrženo tak, aby poskytovalo šroubové držáky, které drží senzor na místě pomocí šroubů M3 (20 mm). Ty jsou umístěny v tepelně nastavitelných vložkách M3x4x5mm. Zbývající část konstrukce zajišťuje ukotvení TTGO do štěrbiny ve spodní části a okna pro obrazovku. Tlačítko a kryt tlačítka jsou vytištěny dvakrát a umožňují přístup k oběma tlačítkům na desce TTGO. Kryt je posledním kusem k tisku a je navržen tak, aby umožňoval přístup napájecího/nabíjecího konektoru k horní části desky TTGO. Všechny kusy jsou vytištěny v PLA bez podpěr.

Krok 3: Připojte to

Zapojení senzoru a ESP32 není moc. Senzor má čtyři vodiče a měli byste si stáhnout datový list senzoru, abyste se ujistili, že jsou kabely správné: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Napájení jde na 3,3 voltový výstup ESP32 a uzemnění a OCS jsou obě uzemněny. Analogový výstup snímače je připojen ke kolíku 33 na ESP. Vzhledem k tomu, že tato spojení had skrz úzký otvor ve skořápce, nepřipojujte je před sestavením jednotky. Baterie Lipo se vejde do zadní části pouzdra, takže si pořiďte takovou, která má odpovídající velikost pro mAh. TTGO má nabíjecí obvod s malým konektorem JST na zadní straně. Připojte k tomu baterii vypínačem, který přerušuje čáru pos.

Krok 4: Sestavení

Úprava 3D tisku se provádí na foukací trubici. Dvě části plastových akvarijních hadiček jsou zasunuty do spodních otvorů jednotky tak daleko, jak jen to jde, a poté jsou zarovnané v jedné rovině s nůžkami. To poskytuje elastický otvor pro otvory trubice senzoru, se kterým se lze snadno spojit. Hlavní jednotka vyžaduje instalaci teplovodních mosazných vložek do dvou otvorů v rámu. Otvory pro upevnění senzoru je třeba u šroubů 3 mm (délka 20 mm) mírně zvětšit bitem příslušné velikosti. Namontujte snímač dvěma šrouby a dokončete elektrická připojení k desce TTGO. Připojte a namontujte hlavní vypínač pomocí lepidla. Použijte ten od Adafruit, protože pouzdro je navrženo tak, aby přesně drželo. Dvě tlačítka jsou k pouzdru připevněna superglue. Ujistěte se, že tlačítka na desce TTGO jsou zarovnána pod otvory. Tlačítko se nainstaluje a následně se nalepí kryt tlačítka. Ujistěte se, že nedržíte knoflík na jeho pouzdře, musí se v něm volně pohybovat. Chcete -li stabilizovat horní část TTGO, položte na každé rameno malé kousky horkého lepidla, aby držely na místě. Baterie jde pozadu k desce. Dokončete montáž přilepením horní části. Ke konektoru USB-C pro programování a nabíjení baterie by měl být snadný přístup.

Krok 5: Programování

Software pro tento nástroj převezme analogovou hodnotu ze senzoru, změní jeho hodnotu na volty a pomocí vzorce z datového listu senzoru jej převede na pascaly tlaku. Z toho používá Bernoullisův vzorec k určení objemu/s a hmotnosti/s vzduchu procházejícího trubicí. Poté to analyzuje do jednotlivých dechů a zapamatuje si hodnoty v několika datových polích a zobrazí data na vestavěné obrazovce a nakonec zavolá na server Blynk a nahraje jej do vašeho telefonu. Data jsou zapamatována, dokud se znovu nenadechnete. Klinické použití spirometru se běžně provádí tak, že pacienta požádáte, aby se co nejvíce nadechl a vydechl tak dlouho a tvrdě, jak jen mohl. Běžně používané algoritmy založené na výšce, hmotnosti a pohlaví jsou pak popsány jako normální nebo abnormální. Jsou také uvedena různá uspořádání těchto dat, tj. FEV1/FEVC -celkový objem dělený objemem v první sekundě. Všechny parametry jsou uvedeny na obrazovce spirometrů a také v malém grafu vašeho úsilí v průběhu času. Po nahrání dat do Wifi se obrazovka vrátí na „Blow“. Po vypnutí napájení dojde ke ztrátě všech dat.

První část kódu vyžaduje, abyste zadali svůj token Blynk. Další vyžaduje heslo Wifi a název sítě. Float area_1 je plocha v sq m trubice spirometru před zúžením a Float area_2 je oblast v příčném řezu přímo u zúžení. Změňte je, pokud chcete trubku přepracovat. Vol a volSec jsou dvě pole, která v průběhu času zvyšují objem a rychlost pohybu vzduchu. Funkce smyčky začíná výpočtem dechových frekvencí. Další část čte snímač a vypočítává tlak. Následující příkaz if se pokusí zjistit, zda jste s úderem hotovi-obtížnější, než si myslíte, často tlak náhle klesne na milisekundu přímo uprostřed úderu. Další část vypočítává hmotnostní průtok na základě tlaku. Pokud je detekován nový dech, všechna data jsou zmrazena a parametry vypočítány a odeslány na obrazovku, následuje funkce grafů a nakonec volání Blynk k nahrání dat. Pokud není detekováno žádné připojení Blynk, vrátí se do „Blow“.

Krok 6: Použití

Je tento nástroj dostatečně přesný pro to, co údajně dělá? Použil jsem kalibrovaný průtokoměr připojený ke zdroji vzduchu procházejícímu 3D tištěnou laminární vzduchovou komorou připojenou ke spirometru a přesně v rámci toho předvídal průtok vzduchu od 5 litrů/20 do 20 litrů/min. Můj klidový dechový objem na stroji je asi 500 ccm a je velmi reprodukovatelný. Při jakémkoli klinickém testování musíte mít na paměti, co je rozumné z hlediska přínosu informací versus úsilí … můžete se vážit na nejbližší gram, ale k jakému prospěchu? S ohledem na variabilitu, která je vlastní dobrovolnému testování směrem k výsledku, může být adekvátní pro většinu klinických situací. Další obavou je, že někteří lidé s obrovskou plicní kapacitou mohou překonat horní limit senzoru. Nedokázal jsem to, ale je to možné, ale tito lidé pravděpodobně nebudou mít plicní problémy …

První obrazovka představuje FEV1 a FEVC. Na další datové obrazovce je zobrazena doba trvání úderu, poměr FEV1/FEVC a MaxFlow v litrech/s. Maximalizoval jsem to pomocí dvou obrazovek s podrobnostmi o Vol v průběhu času a Lit/s v průběhu času. Ciferníky vysmívají FEV1 a FEVC a dobu tisku měřičů a FEV1/FEVC. Ale pro ty z vás, kteří znají Blynk, vědí, že to můžete udělat libovolným způsobem v aplikaci pro telefon a stáhnout data do svého e -mailu dotykem.

Tlačítka na boku nástroje jsou vylomená v případě, že je chcete naprogramovat pro aktivaci stroje dechem nebo pro změnu výstupu obrazovky nebo pro změnu připojení Blynk, pokud jej chcete používat offline. Tlačítka táhnou piny 0 a 35 nízko, takže to jednoduše zapište do programu. COVID údajně zanechal mnohé s přetrvávajícími plicními problémy a toto zařízení může být užitečné v zemích, kde může být omezen přístup k drahému lékařskému vybavení. Můžete to vytisknout a sestavit za pár hodin a vytisknout bezpečné náhradní kontaminované části zařízení pro nic za nic.

Druhé místo v soutěži napájené bateriemi