3D -trykt spirometer: 6 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Af rabbitcreekFølg mere af forfatteren:

Fusion 360 -projekter »

Spirometre er det klassiske instrument til at udføre parsing af luft, når den blæses ud af munden. De består af et rør, som du blæser ind i, som registrerer volumen og hastighed for et åndedrag, som derefter sammenlignes med et sæt normale værdier baseret på højde, vægt og køn og bruges til at følge lungefunktionen. Det instrument, jeg designede, selvom det er testet for nøjagtighed med et flowmåler, er ikke på nogen måde et certificeret medicinsk udstyr, men i en knivspids kan det bestemt passere et-hvilket giver relative reproducerbare og nøjagtige beretninger om standard FEV1, FEVC og volumediagrammer output og hastighed over tid. Jeg designede det, så elektronikken med den dyre bundne sensor var begrænset til ét stykke, og det let engangsslag med tilhørende virusbelastede kanaler var i et andet. Dette ser ud til at være en af ulemperne ved standardmaskiner, der bruges klinisk - udskiftelige papmundstykker eliminerer ikke rigtig alle risici, når vira er luftbårne, og du bliver bedt om at blæse langt og hårdt ind i et meget dyrt apparat. Omkostningerne ved enheden er under $ 40, og alle med en 3D -printer kan slå så mange ud, som de vil. Softwaren Wifi forbinder den med en Blynk -app på din smartphone til visualisering og giver dig mulighed for at downloade alle de data, du ønsker.

Trin 1: Køb ting

Grundlæggende bygger vi en analog sensor med en fantastisk kombination af skærm/mikrokontroller. Det er vigtigt at vælge den rigtige sensor. Flere andre designs til disse enheder har brugt sensorer, der mangler den følsomhed, der er nødvendig for at tilvejebringe data til beregning af disse vejrtrækningselementer. ESP32 har velkendte problemer med ikke -linearitet i dens ADC, men det ser ikke ud til at være betydningsfuldt inden for denne enheds rækkevidde.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi bluetooth-modul 1.14 tommer LCD Development Board $ 8 Bangood

2. SDP816-125PA Tryksensor, CMOSens®, 125 Pa, Analog, Differential $ 30 Newark, Digikey

3. Lipo -batteri - 600mah $ 2

4. Tænd / sluk-knap-Tænd / sluk-knap / trykknap-vippekontakt Adafruit

Trin 2: 3D -print

Fusion 360 blev brugt til at designe de to indlejringselementer i spirometeret. Venturirøret (slagrøret) har en række forskellige designs. For at bruge Bernoulli -ligningen til beregning af flow skal du have en vis reduktion i volumen af flow i målerøret. Dette princip bruges i en række forskellige strømningssensorer til alle slags laminære strømningsvæsker. De dimensioner, jeg brugte i Venturi -røret, stammede ikke fra en bestemt kilde, men de syntes bare at fungere. Sensoren bruger differenstrykket over de smalle og brede rørområder til at beregne flowmængde. Jeg ville have, at sensoren let og reversibelt kunne gå i indgreb med Venturi -røret for hurtig udskiftning og fjernelse, så jeg designet tryksensorrørene til at føre ud af modellen og ende ved dens bund, hvor de ville gå i indgreb med spidserne på sensorrørhovederne. Der er en høj/lav polaritet til sensoren, der skal opretholdes fra høj-/lavtryksområderne i Venturi -røret. Højtrykket er i den lige sektion, og lavtrykket er over kurven for begrænsningen-ligesom over en flyvinge. Spirometerets krop er omhyggeligt designet til at give skruemonteringer til at holde sensoren på plads med M3 (20 mm) skruer. Disse placeres i varmesættede M3x4x5mm skær. Resten af designet giver mulighed for forankring af TTGO i en åbning i bunden og et vindue til skærmen. Knappen og knapdækslet er begge trykt to gange og giver mulighed for kastet adgang til de to knapper på TTGO-kortet. Dækslet er det sidste stykke, der skal udskrives, og er designet til at give adgang til strøm-/opladningsstikket til toppen af TTGO -kortet. Alle stykker er trykt i PLA uden understøtninger.

Trin 3: Tilslut det

Der er ikke meget ved ledningerne til sensoren og ESP32. Sensoren har fire afledninger, og du skal downloade databladet til sensoren bare for at sikre, at du har ledningerne korrekte: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Strømmen går til 3,3 volt udgang fra ESP32 og jorden og OCS er begge forbundet til jorden. Sensorens analoge udgang er forbundet til pin 33 på ESP. Da disse forbindelser slanger gennem en smal åbning i skallen ikke forbinder dem før samlingen af enheden. Lipo -batteriet passer bagud i sagen, så køb et, der er passende størrelse til mAh. TTGO har et opladningskredsløb med et lille JST -stik på bagsiden. Tilslut batteriet til dette med tænd/sluk -kontakten, der bryder poslinjen.

Trin 4: Montering

Efter 3D -udskrivning ændres udførelsen til blæserøret. To sektioner af plastik akvariumrør er monteret i enhedens bundhuller, så langt de kan gå, og derefter trimmet med skæreklippere. Dette giver en elastisk åbning til sensorrørsåbningerne, der let kan parres med. Hovedenheden kræver installation af varmesæt messingindsatser i de to huller i rammen. Sensorens monteringshuller skal forstørres lidt til 3 mm (20 mm længde) skruerne med en passende størrelse bit. Monter sensoren med to skruer, og afslut de elektriske forbindelser til TTGO -kortet. Tilslut og monter tænd/sluk -kontakten med superlim. Brug den fra Adafruit, da kassen er designet til at holde den nøjagtigt. De to knapper er monteret på kassen med superlim. Sørg for, at knapperne på TTGO -pladen ligger på linje under åbningerne. Knappen installeres efterfulgt af knaphuset, der er overlimet. Sørg for, at du ikke limer knappen til dens hus, den skal bevæge sig frit inde i den. For at stabilisere TTGO øvre sektion anbringes små klatter varm lim på hver skulder for at holde den på plads. Batteriet går bagud på tavlen. Afslut samlingen ved at superlimme toppen på. Der skal være let adgang til USB-C-stikket til programmering og batteriopladning.

Trin 5: Programmering

Softwaren til dette instrument optager den analoge værdi fra sensoren, ændrer dens værdi til volt og bruger formlen fra sensorens datablad til at konvertere den til Pascal tryk. Ud fra dette bruger den Bernoullis -formel til at bestemme vol/sek og masse/sek af luft, der går gennem røret. Det analyserer derefter dette i individuelle vejrtrækninger og husker værdierne i flere dataarays og præsenterer dataene på den indbyggede skærm og ringer til sidst til Blynk -serveren og uploader dem til din telefon. Dataene huskes kun, indtil du trækker vejret igen. Den kliniske brug af et spirometer foretages sædvanligvis ved at bede patienten om at tage et så stort åndedrag som muligt og blæse det ud så længe og hårdt som muligt. Almindeligt anvendte algoritmer baseret på højde, vægt og køn beskrives derefter som normale eller unormale. Forskellige arrangementer af disse data præsenteres også, dvs. FEV1/FEVC -total volumen divideret med volumen i det første sekund. Alle parametre præsenteres på skærmen Spirometre samt en lille graf over din indsats i volumen over tid. Når data er blevet uploadet til Wifi, vender skærmen tilbage til "Blow". Alle data går tabt, efter at strømmen er slukket.

Det første afsnit af koden kræver, at du indtaster dit Blynk -token. Det næste kræver Wifi -adgangskode og netværksnavn. Float area_1 er arealet i kvadratmeter af spirometerrøret før indsnævring og Float area_2 er arealet i tværsnit direkte ved indsnævringen. Skift disse, hvis du vil redesigne røret. Vol og volSec er de to arrays, der holder volumenforøgelse over tid og hastighed for luftbevægelse. Loop -funktionen starter med at beregne vejrtrækningshastigheder. Det næste afsnit læser sensoren og beregner trykket. Følgende if-sætning forsøger at finde ud af, om du er færdig med dit slag-sværere end du tror, ofte falder trykket pludselig i et millisekund lige midt i slaget. Det næste afsnit beregner massestrømmen baseret på trykket. Hvis et nyt åndedrag opdages, fryses alle data og parametre beregnes og sendes til skærmen, efterfulgt af en graffunktion og til sidst et Blynk -opkald for at uploade dataene. Hvis der ikke registreres nogen Blynk -forbindelse, vender den tilbage til "Blow".

Trin 6: Brug det

Er dette instrument rimeligt nøjagtigt, hvad det påstås at gøre? Jeg brugte en kalibreret flowmåler, der er forbundet til en luftkilde, der passerede gennem et 3D -trykt laminært luftkammer, der var fastgjort til spirometeret, og det forudsagde nøjagtigt inden for grund luftstrøm fra 5 lit/min til 20 lit/min. Min hvilende tidevandsvolumen på maskinen er omkring 500cc og meget reproducerbar. Ved enhver klinisk test skal du huske på, hvad der er rimeligt med hensyn til modtaget informationsfordel mod indsats … du kan veje dig selv til det nærmeste gram, men til hvilken fordel? I betragtning af den variation, der er forbundet med frivillige testindsatser mod resultatet, kan det være tilstrækkeligt i de fleste kliniske situationer. Den anden bekymring er, at nogle mennesker med enorm lungekapacitet kan overgå den øvre sensorgrænse. Jeg kunne ikke gøre dette, men det er muligt, men disse mennesker har sandsynligvis ikke lungeproblemer …

Den første skærm viser FEV1 og FEVC. Den næste dataskærm viser slagvarighed, FEV1/FEVC -forhold og MaxFlow i Lit/sek. Jeg maksimerede det med to skærme, der beskriver Vol over tid og Lit/sek over tid. Skiverne viser FEV1 og FEVC og målernes udskrivningstid og FEV1/FEVC. Men for dem af jer, der kender Blynk, ved du, at du kan gøre dette som du vil i telefonappen og downloade dataene til din e -mail med et tryk.

Knapperne på siden af instrumentet er brudt ud, hvis du vil programmere dem til at aktivere maskinen med et åndedrag eller for at variere skærmoutput eller for at ændre Blynk-forbindelsen, hvis du vil bruge den offline. Knapperne trækker stifter 0 og 35 lavt, så skriv bare dette ind i programmet. COVID har angiveligt efterladt mange med langvarige lungeproblemer, og denne enhed kan være nyttig i de lande, hvor adgangen til dyrt medicinsk udstyr kan være begrænset. Du kan udskrive og samle dette på et par timer og udskrive sikre udskiftede kontaminerede dele af enheden for ingenting.

Nummer to i den batteridrevne konkurrence