3D Baskılı Spirometre: 6 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Rabbitcreek tarafındanYazarın daha fazlasını izleyin:

Fusion 360 Projeleri »

Spirometreler, ağzınızdan üflenirken havanın ayrıştırılmasını gerçekleştiren klasik alettir. İçine üflediğiniz, bir nefesin hacmini ve hızını kaydeden ve daha sonra boy, ağırlık ve cinsiyete dayalı bir dizi normal değerle karşılaştırılan ve akciğer fonksiyonunu takip etmek için kullanılan bir tüpten oluşurlar. Tasarladığım cihaz, bir akış ölçer ile doğruluk açısından test edilmiş olmasına rağmen hiçbir şekilde onaylı bir tıbbi cihaz değildir, ancak bir tutamda kesinlikle tek sayılabilir - standart FEV1, FEVC ve hacim grafiklerinin göreceli tekrarlanabilir ve doğru hesaplarını verir. zaman içinde çıktı ve hız. Pahalı bağlı sensöre sahip elektronik aksamın tek bir parçayla sınırlandırılacağı ve ilişkili virüs yüklü kanalları olan kolayca atılabilir üfleme borusunun başka bir parçada olacağı şekilde tasarladım. Bu, klinikte kullanılan standart makinelerin dezavantajlarından biri gibi görünüyor -- değiştirilebilir karton ağızlıklar, virüsler havadayken ve sizden çok pahalı bir cihaza uzun ve sert bir şekilde üflemeniz istendiğinde tüm riskleri gerçekten ortadan kaldırmaz. Cihazın maliyeti 40 doların altında ve 3D yazıcısı olan herkes istediği kadar üretebiliyor. Wifi yazılımı, görselleştirme için akıllı telefonunuzdaki bir Blynk uygulamasına bağlar ve istediğiniz herhangi bir veriyi indirmenize izin verir.

1. Adım: Eşya Satın Alın

Esasen harika bir ekran/mikrodenetleyici kombinasyonuna sahip bir analog sensör oluşturuyoruz. Önemli olan doğru sensörü seçmektir. Bu cihazlar için diğer birkaç tasarım, bu solunum elemanlarını hesaplamak için verileri sağlamak için gerekli hassasiyetten yoksun sensörler kullanmıştır. ESP32'nin ADC'sinin doğrusal olmamasıyla ilgili iyi bilinen sorunları vardır, ancak bu, bu birimin aralığında önemli görünmemektedir.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi bluetooth Modülü 1.14 İnç LCD Geliştirme Kartı $8 Bangood

2. SDP816-125PA Basınç Sensörü, CMOSens®, 125 Pa, Analog, Diferansiyel 30 $ Newark, Digikey

3. Lipo Pil - 600mah 2 $

4. Açma/Kapama Anahtarı -- Açma-Kapama Güç Düğmesi / Buton Geçiş Anahtarı Adafruit

2. Adım: 3D Baskı

Spirometer'in iki yuvalama elemanını tasarlamak için Fusion 360 kullanıldı. Venturi tüpü (üfleme tüpü) çeşitli tasarımlara sahiptir. Akışın hesaplanmasında Bernoulli denklemini kullanmak için, ölçüm tüpündeki akış hacminde bir miktar azalma olması gerekir. Bu ilke, her türlü laminer akış sıvısı için çeşitli akış sensörlerinde kullanılır. Venturi tüpünde kullandığım boyutlar belirli bir kaynaktan değildi ama işe yarıyor gibiydiler. Sensör, akış hacmini hesaplamak için dar ve geniş boru alanlarındaki fark basıncını kullanır. Sensörün, hızlı değiştirme ve çıkarma için Venturi tüpünü kolayca ve tersine çevirebilmesini istedim, bu yüzden basınç sensörü tüplerini modelin dışına çıkacak ve sensör tüp kafalarının uçlarına geçecekleri tabanında bitecek şekilde tasarladım. Venturi tüpünün yüksek/düşük basınç alanlarından korunması gereken sensörde yüksek/düşük polarite vardır. Yüksek basınç düz kısımdadır ve düşük basınç, tıpkı bir uçak kanadı üzerinde olduğu gibi, kısıtlama eğrisinin üzerindedir. Spirometrenin gövdesi, sensörü M3 (20 mm) vidalarla yerinde tutmak için vida bağlantıları sağlamak üzere özenle tasarlanmıştır. Bunlar, ısı ayarlı M3x4x5mm uçlara yerleştirilmiştir. Tasarımın geri kalanı, TTGO'nun alttaki bir yuvaya ve ekran için bir pencereye sabitlenmesini sağlar. Düğme ve düğme kapağı iki kez basılır ve TTGO kartındaki iki düğmeye atma çantası erişimi sağlar. Kapak, yazdırılacak son parçadır ve TTGO kartının üstündeki güç/şarj fişine erişim sağlamak üzere tasarlanmıştır. Tüm parçalar desteksiz PLA'da basılmıştır.

Adım 3: Kablolayın

Sensörün ve ESP32'nin kablolaması için fazla bir şey yok. Sensörün dört ucu vardır ve uçların doğru olduğundan emin olmak için sensörün veri sayfasını indirmelisiniz: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Güç, cihazın 3,3 Volt çıkışına gider. ESP32, toprak ve OCS'nin ikisi de toprağa bağlıdır. Sensörün analog çıkışı, ESP'deki pim 33'e bağlanır. Bu bağlantılar gövdedeki dar bir açıklıktan geçtiği için ünitenin montajından önce bunları bağlamayın. Lipo pil, kasanın arkasına sığar, bu nedenle mAh için uygun boyutta bir pil alın. TTGO'nun arkasında küçük bir JST konektörü olan bir şarj devresi vardır. Poz hattını keserek açma/kapama anahtarı ile pili buna bağlayın.

Adım 4: Montaj

Üfleme tüpüne 3D baskı sonrası modifikasyon yapılır. Plastik akvaryum borularının iki bölümü, ünitenin alt deliklerine gidebildiği kadar yerleştirildi ve ardından makaslarla aynı hizada kırpıldı. Bu, sensör tüpü açıklıklarının kolayca eşleşmesi için elastik bir açıklık sağlar. Ana ünite, çerçevedeki iki deliğe ısı ayarlı pirinç eklerin takılmasını gerektirir. Sensör montaj delikleri, uygun boyutta bir bit ile 3 mm (20 mm uzunluk) vidalar için biraz büyütülmelidir. Sensörü iki vidayla monte edin ve TTGO kartının elektrik bağlantılarını tamamlayın. Açma/kapama anahtarını süper yapıştırıcı ile bağlayın ve monte edin. Kasa tam olarak onu tutmak için tasarlandığından Adafruit'ten olanı kullanın. İki düğme kasaya süper yapıştırıcı ile monte edilmiştir. TTGO kartındaki düğmelerin açıklıkların altında hizalandığından emin olun. Düğme, ardından süper yapıştırılmış düğme yuvasına takılır. Düğmeyi yuvasına yapıştırmadığınızdan emin olun, içinde serbestçe hareket etmesi gerekir. TTGO üst bölümünü sabitlemek için, yerinde tutmak için her iki omzun üzerine küçük sıcak tutkal damlaları yerleştirin. Pil kartın arkasına gider. Üst kısmı süper yapıştırarak montajı bitirin. Programlama ve pil şarjı için USB-C konektörüne kolay erişim olmalıdır.

Adım 5: Programlama

Bu enstrümanın yazılımı, sensörden analog değeri alır ve değerini volt olarak değiştirir ve bunu Paskal basınca dönüştürmek için sensör veri sayfasındaki formülü kullanır. Bundan, tüpten geçen havanın hacim/sn ve kütle/sn'yi belirlemek için Bernoullis formülünü kullanır. Daha sonra bunu bireysel nefeslerde analiz eder ve birkaç veri dizisindeki değerleri hatırlar ve verileri yerleşik ekranda sunar ve son olarak Blynk sunucusunu arar ve telefonunuza yükler. Veriler yalnızca siz başka bir nefes alana kadar hatırlanır. Bir spirometrenin klinik kullanımı genellikle hastadan mümkün olduğu kadar büyük bir nefes almasını ve mümkün olduğu kadar uzun ve sert bir şekilde üflemesini isteyerek yapılır. Boy, kilo ve cinsiyete dayalı yaygın olarak kullanılan algoritmalar daha sonra normal veya anormal olarak tanımlanır. Bu verilerin farklı düzenlemeleri de sunulmaktadır, yani FEV1/FEVC -- ilk saniyedeki hacme bölünmüş toplam hacim. Tüm parametreler Spirometreler ekranında ve zaman içindeki eforunuzun küçük bir grafiğinde sunulur. Veriler Wifi'ye yüklendiğinde ekran "Üfleme"ye döner. Güç kapatıldıktan sonra tüm veriler kaybolur.

Kodun ilk bölümü, Blynk jetonunuzu girmenizi gerektirir. Bir sonraki, Wifi şifresi ve ağ adı gerektirir. Kayan alan_1, spirometre tüpünün daralmadan önceki m2 cinsinden alanıdır ve Kayan alan_2, doğrudan daralmadaki enine kesitteki alandır. Tüpü yeniden tasarlamak istiyorsanız bunları değiştirin. Vol ve volSec, zaman içinde hacim artışını ve hava hareketinin hızını tutan iki dizidir. Döngü işlevi, solunum hızlarının hesaplanmasıyla başlar. Sonraki bölüm sensörü okur ve basıncı hesaplar. Aşağıdaki if ifadesi, darbenizin bitip bitmediğini anlamaya çalışır - düşündüğünüzden daha zor, genellikle darbenin tam ortasında basınç bir milisaniye için aniden düşer. Sonraki bölüm, basınca dayalı olarak kütle akışını hesaplar. Yeni bir nefes algılanırsa, tüm veriler dondurulur ve parametreler hesaplanır ve ekrana gönderilir, ardından bir grafik işlevi ve son olarak verileri yüklemek için bir Blynk çağrısı yapılır. Hiçbir Blynk bağlantısı algılanmazsa, "Blow" konumuna geri döner.

Adım 6: Kullanmak

Bu araç, yapmak istediği şey için makul ölçüde doğru mu? Spirometreye bağlı 3D baskılı laminer hava odasından geçen bir hava kaynağına bağlı kalibre edilmiş bir akış ölçer kullandım ve bu, 5 lit/dk'dan 20 lit/dk'ya kadar hava akışını doğru bir şekilde tahmin etti. Makinedeki dinlenme gelgit hacmim yaklaşık 500cc ve çok tekrarlanabilir. Herhangi bir klinik testte, çabaya karşı alınan bilgi yararı açısından neyin makul olduğunu aklınızda tutmanız gerekir … kendinizi en yakın grama göre tartabilirsiniz ama ne fayda? Sonuca yönelik istemli test çabasının doğasında var olan değişkenlik göz önüne alındığında, çoğu klinik durum için yeterli olabilir. Diğer bir endişe ise, büyük akciğer kapasitesine sahip bazı kişilerin üst sensör limitini aşabilmesidir. Bunu yapamadım ama mümkün, ama bu insanların akciğer problemleri olması muhtemel değil…

İlk ekran FEV1 ve FEVC'yi sunar. Sonraki veri ekranı, Darbe Süresini, FEV1/FEVC oranını ve Lit/Sn. cinsinden MaxFlow'u sunar. Zaman içinde Vol ve zaman içinde Lit/sn ayrıntılarını veren iki ekranla maksimuma çıkardım. Kadranlar FEV1 ve FEVC'yi ve sayaçlar yazdırma süresini ve FEV1/FEVC'yi taklit eder. Ancak Blynk'e aşina olanlarınız, bunu telefon uygulamasında istediğiniz şekilde yapabileceğinizi ve verileri bir dokunuşla e-postanıza indirebileceğinizi bilir.

Cihazın yan tarafında bulunan butonlar, makineyi bir nefes ile aktif hale getirmek veya ekran çıkışını değiştirmek veya offline olarak kullanmak istiyorsanız Blynk bağlantısını değiştirmek için programlamak istemeniz durumunda kırıktır. Düğmeler 0 ve 35 numaralı pinleri aşağı çeker, bu yüzden bunu programa yazmanız yeterlidir. COVID'in birçok kişiyi kalıcı akciğer sorunlarıyla karşı karşıya bıraktığı iddia ediliyor ve bu cihaz, pahalı tıbbi ekipmana erişimin sınırlı olabileceği ülkelerde yardımcı olabilir. Bunu birkaç saat içinde yazdırabilir ve monte edebilir ve cihazın güvenli bir şekilde değiştirilen kirlenmiş bölümlerini hiçbir şey için yazdırabilirsiniz.

Pille Çalışan Yarışmada İkincilik