3D -painettu spirometri: 6 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Seuraa lisää tekijältä:

Fusion 360 -projektit »

Spirometrit ovat klassinen instrumentti ilman jäsentämiseen, kun se puhalletaan suustasi. Ne koostuvat puhallusputkesta, joka tallentaa yhden hengityksen äänenvoimakkuuden ja nopeuden, joita sitten verrataan normaaliin arvoon, joka perustuu pituuteen, painoon ja sukupuoleen ja jota käytetään keuhkojen toiminnan seuraamiseen. Suunnittelemani laite, vaikka sen tarkkuus on testattu virtausmittarilla, ei ole millään tavalla sertifioitu lääketieteellinen laite, mutta se voi pienessä määrin kulkea yhdeksi-antamalla suhteellisen toistettavan ja tarkan tilin standardin FEV1, FEVC ja tilavuuskaaviot teho ja nopeus ajan mittaan. Suunnittelin sen niin, että elektroniikka, jossa oli kallis sidottu anturi, rajoittui yhteen kappaleeseen ja helposti kertakäyttöinen puhallusputki ja siihen liittyvät viruksen kuormittamat kanavat olivat toisessa. Tämä näyttää olevan yksi kliinisesti käytettävien vakiokoneiden haitoista - vaihdettavat pahviset suukappaleet eivät todellakaan poista kaikkia riskejä, kun viruksia leviää ilmassa ja sinua pyydetään puhaltamaan pitkään ja kovasti erittäin kalliiseen laitteeseen. Laitteen hinta on alle 40 dollaria ja jokainen, jolla on 3D -tulostin, voi tuottaa niin paljon kuin haluaa. Wifi -ohjelmisto yhdistää sen älypuhelimesi Blynk -sovellukseen visualisointia varten ja voit ladata haluamasi tiedot.

Vaihe 1: Osta tavaraa

Pohjimmiltaan rakennamme analogisen anturin, jossa on upea näyttö/mikro -yhdistelmä. Tärkeintä on valita oikea anturi. Useat muut näiden laitteiden mallit ovat käyttäneet antureita, joista puuttuu herkkyys, joka tarvitaan tietojen antamiseen näiden hengityselinten laskemiseksi. ESP32: lla on hyvin tunnettuja ongelmia ADC: n epälineaarisuuden kanssa, mutta tämä ei näytä olevan merkittävä tämän laitteen alueella.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi bluetooth -moduuli 1,14 tuuman LCD-kehityskortti 8 dollaria Bangood

2. SDP816-125PA-paineanturi, CMOSens®, 125 Pa, analoginen, differentiaali $ 30 Newark, Digikey

3. Lipo -akku - 600 mAh 2 dollaria

4. On / Off-kytkin-On-Off-virtapainike / painonappikytkin Adafruit

Vaihe 2: 3D -tulostus

Fusion 360: tä käytettiin spirometrin kahden pesäelementin suunnitteluun. Venturi -putkella (puhallusputkella) on erilaisia malleja. Jos haluat käyttää Bernoullin yhtälöä virtauksen laskemiseen, virtausmäärän on oltava jonkin verran pienempi mittausputkessa. Tätä periaatetta käytetään erilaisissa virtausantureissa kaikenlaisille laminaarivirtausnesteille. Mitat, joita käytin Venturi -putkessa, eivät olleet tietystä lähteestä, mutta ne vain näyttivät toimivan. Anturi käyttää paine -eroa kapeilla ja leveillä putkialueilla virtausmäärän laskemiseen. Halusin, että anturi pystyy helposti ja palautuvasti kytkeytymään Venturi -putkeen nopeasti vaihdettavaksi ja poistettavaksi, joten suunnittelin paineanturiputket johtamaan mallista ja päättymään sen pohjaan, jossa ne kiinnittyvät anturiputkien päihin. Anturissa on korkea/matala napaisuus, joka on pidettävä yllä Venturi -putken korkea-/matalapainealueilta. Korkea paine on suorassa osassa ja matala paine on rajoituksen käyrän yläpuolella-aivan kuten lentokoneen siiven päällä. Spirometrin runko on suunniteltu huolellisesti ruuvikiinnikkeillä, jotka pitävät anturin paikallaan M3 (20 mm) ruuveilla. Nämä on sijoitettu lämmitykseen asetettuihin M3x4x5mm-teriin. Loput suunnittelusta mahdollistavat TTGO: n ankkuroinnin alareunaan ja näytön ikkunaan. Painike ja painikkeen kansi on painettu kaksi kertaa, ja ne mahdollistavat kotelon käytön TTGO-kortin molemmille painikkeille. Kansi on viimeinen tulostettava kappale, ja se on suunniteltu antamaan virta-/latauspistokkeen pääsy TTGO -levyn yläosaan. Kaikki kappaleet on painettu PLA -muodossa ilman tukia.

Vaihe 3: Johdotus

Anturin ja ESP32: n johdotuksessa ei ole paljon. Anturissa on neljä johtoa, ja sinun on ladattava anturin tietolomake vain varmistaaksesi, että johdot ovat oikein: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Virta menee laitteen 3,3 voltin lähtöön ESP32 sekä maa ja OCS on molemmat kytketty maahan. Anturin analoginen lähtö on kytketty ESP: n nastaan 33. Koska nämä liitännät käärivät kuoren kapean aukon läpi, älä yhdistä niitä ennen yksikön kokoamista. Lipo -akku sopii kotelon taakse, joten hanki akku, joka on sopivan kokoinen mAh: lle. TTGO: ssa on latauspiiri, jonka takana on pieni JST -liitin. Kytke akku tähän virtakytkimellä, joka rikkoo pos.

Vaihe 4: Kokoonpano

3D -tulostuksen jälkeinen muokkaus tehdään puhallusputkeen. Kaksi muovista akvaarioletkua on asennettu laitteen pohjareikiin niin pitkälle kuin ne menevät ja leikataan sitten leikkaamalla. Tämä tarjoaa joustavan aukon anturiputken aukkoille, joiden kanssa se on helppo yhdistää. Päälaite vaatii lämmönsäädettyjen messinkisäleiden asentamisen kehyksen kahteen reikään. Anturin kiinnitysreikiä on suurennettava hieman 3 mm: n (pituus 20 mm) ruuveille sopivan kokoisella ruuvilla. Asenna anturi kahdella ruuvilla ja viimeistele sähköliitännät TTGO -korttiin. Liitä ja asenna virtakytkin superliimalla. Käytä Adafruutin tuotetta, koska kotelo on suunniteltu pitämään se täsmälleen. Kaksi painiketta on kiinnitetty koteloon superliimalla. Varmista, että TTGO -kortin painikkeet ovat aukkojen alla. Painike asennetaan ja sen jälkeen painekotelo, joka on liimattu. Varmista, ettet liimaa nappia koteloon, sen on liikuttava vapaasti sen sisällä. TTGO: n yläosan vakauttamiseksi aseta pienet kuumat liimat kummallekin olkapäälle pitämään se paikallaan. Akku menee levyn taakse. Viimeistele kokoonpano liimalla yläosa päälle. USB-C-liittimen pitäisi olla helposti saatavilla ohjelmointia ja akun lataamista varten.

Vaihe 5: Ohjelmointi

Tämän laitteen ohjelmisto ottaa analogisen arvon anturista muuttaa sen arvoksi volttia ja käyttää anturin tietolomakkeen kaavaa muuntamaan sen painepaskaliksi. Tästä se käyttää Bernoullisin kaavaa putken läpi kulkevan ilman tilavuus/sek ja massa/sek. Sen jälkeen se analysoi tämän yksittäisiksi hengitykseksi ja muistaa useiden tietoryhmien arvot ja esittää tiedot sisäänrakennetulla näytöllä ja lopulta soittaa Blynk -palvelimelle ja lataa sen puhelimeesi. Tiedot muistetaan vain, kunnes otat toisen hengenveton. Spirometrin kliininen käyttö tehdään tavallisesti pyytämällä potilasta vetämään mahdollisimman suuri hengitys ja puhaltamaan se ulos niin kauan kuin mahdollista. Yleisesti käytettyjä algoritmeja, jotka perustuvat pituuteen, painoon ja sukupuoleen, kuvataan sitten normaaliksi tai epänormaaliksi. Esitetään myös näiden tietojen erilaiset järjestelyt eli FEV1/FEVC -kokonaistilavuus jaettuna tilavuudella ensimmäisen sekunnin aikana. Kaikki parametrit näkyvät spirometrit -näytössä sekä pieni kaavio voimasta ajan mittaan. Kun tiedot on ladattu Wifi -verkkoon, näyttö palaa Blow -tilaan. Kaikki tiedot katoavat virran katkaisun jälkeen.

Koodin ensimmäinen osa edellyttää Blynk -tunnuksen syöttämistä. Seuraava vaatii Wifi -salasanan ja verkon nimen. Kellutusalue_1 on spirometriputken pinta -ala neliömetreinä ennen kaventumista ja Kellutusalue_2 on poikkileikkausalue suoraan kaventumisen kohdalla. Vaihda nämä, jos haluat suunnitella putken uudelleen. Vol ja volSec ovat kaksi matriisia, jotka pitävät äänenvoimakkuuden kasvun ajan myötä ja ilman liikkeen nopeuden. Silmukkatoiminto alkaa hengitystaajuuksien laskemisesta. Seuraavassa osassa luetaan anturi ja lasketaan paine. Jos lausunto yrittää selvittää, oletko tehnyt iskusi-tämä on vaikeampaa kuin luulet, usein paine laskee yhtäkkiä millisekunnin ajan iskun keskellä. Seuraavassa osassa lasketaan massavirta paineen perusteella. Jos uusi hengitys havaitaan, kaikki tiedot jäädytetään ja parametrit lasketaan ja lähetetään näytölle, jota seuraa piirtotoiminto ja lopuksi Blynk -puhelu tietojen lataamiseksi. Jos Blynk -yhteyttä ei havaita, se palaa "Blow" -tilaan.

Vaihe 6: Käytä sitä

Onko tämä laite kohtuullisen tarkka sen tarkoitusperien kannalta? Käytin kalibroitua virtausmittaria, joka oli kytketty ilmalähteeseen, joka kulki spirometriin kiinnitetyn 3D -tulostetun laminaarisen ilmakammion läpi, ja se ennusti tarkasti ilmavirran 5 litrasta/minuuttiin 20 litraan minuutissa. Lepovirtausvolyymini koneessa on noin 500 cc ja hyvin toistettavissa. Kaikissa kliinisissä testeissä sinun on pidettävä mielessä, mikä on järkevää saadun informaation edun ja vaivan välillä… voit punnita itsesi lähimpään grammaan, mutta mitä hyötyä? Kun otetaan huomioon vapaaehtoisen testauksen tuloksiin liittyvä vaihtelevuus, se voi olla riittävä useimmissa kliinisissä tilanteissa. Toinen huolenaihe on, että jotkut ihmiset, joilla on valtava keuhkojen kapasiteetti, voivat ylittää anturin ylärajan. En voinut tehdä tätä, mutta se on mahdollista, mutta näillä ihmisillä ei todennäköisesti ole keuhko -ongelmia …

Ensimmäisessä näytössä on FEV1 ja FEVC. Seuraavassa datanäytössä esitetään iskun kesto, FEV1/FEVC -suhde ja MaxFlow lit/sek. Maksoin sen kahdella näytöllä, joissa kerrottiin Vol ajan ja Lit/sek ajan kuluessa. Kellot näyttävät FEV1- ja FEVC -arvot ja mittarien tulostusajan sekä FEV1/FEVC. Mutta ne, jotka tuntevat Blynkin, tietävät, että voit tehdä tämän haluamallasi tavalla puhelinsovelluksessa ja ladata tiedot sähköpostiin kosketuksella.

Soittimen sivussa olevat painikkeet ovat murtuneet, jos haluat ohjelmoida ne aktivoimaan koneen hengähdystauolla tai muuttaa näytön ulostuloa tai muuttaa Blynk-yhteyttä, jos haluat käyttää sitä offline-tilassa. Painikkeet vetävät nastat 0 ja 35 matalalle, joten kirjoita tämä vain ohjelmaan. COVID on väittänyt jättäneensä monet viivästyneisiin keuhko -ongelmiin, ja tämä laite voi olla hyödyllinen maissa, joissa kalliiden lääkinnällisten laitteiden saatavuus voi olla rajoitettua. Voit tulostaa ja koota tämän parissa tunnissa ja tulostaa turhaan saastuneet laitteen osat.

Toinen sija akkukäyttöisessä kilpailussa