3D-geprinte spirometer - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Door rabbitcreekVolg meer van de auteur:

Fusion 360-projecten »

Spirometers zijn het klassieke instrument om de lucht te ontleden die uit je mond wordt geblazen. Ze bestaan uit een buisje dat je erin blaast en dat het volume en de snelheid van één ademhaling registreert, die vervolgens worden vergeleken met een reeks normale waarden op basis van lengte, gewicht en geslacht en worden gebruikt om de longfunctie te volgen. Het instrument dat ik heb ontworpen, hoewel getest op nauwkeurigheid met een flowmeter, is op geen enkele manier een gecertificeerd medisch hulpmiddel, maar in een mum van tijd zou het zeker door kunnen gaan voor een - relatief reproduceerbare en nauwkeurige weergaven van de standaard FEV1, FEVC en grafieken van volume output en snelheid in de tijd. Ik ontwierp het zo dat de elektronica met de dure vastgebonden sensor tot één stuk was beperkt en de gemakkelijk wegwerpbare blaasbuis met bijbehorende met virus beladen kanalen in een ander. Dit lijkt een van de nadelen te zijn van standaardmachines die klinisch worden gebruikt - vervangbare kartonnen mondstukken elimineren niet echt alle risico's wanneer virussen in de lucht zijn en je wordt gevraagd lang en hard in een erg duur apparaat te blazen. De kosten van het apparaat zijn minder dan $ 40 en iedereen met een 3D-printer kan er zoveel maken als ze willen. De software Wifi koppelt het aan een Blynk-app op uw smartphone voor visualisatie en stelt u in staat om alle gewenste gegevens te downloaden.

Stap 1: spullen kopen

In wezen bouwen we een analoge sensor met een geweldige combinatie van scherm/microcontroller. Het belang is bij het kiezen van de juiste sensor. Verschillende andere ontwerpen voor deze apparaten hebben sensoren gebruikt die niet de gevoeligheid hebben die nodig is om de gegevens te leveren om deze ademhalingselementen te berekenen. De ESP32 heeft bekende problemen met niet-lineariteit van zijn ADC, maar dit lijkt niet significant te zijn in het bereik van dit apparaat.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi Bluetooth-module 1,14 inch LCD-ontwikkelbord $ 8 Bangood

2. SDP816-125PA Druksensor, CMOSens®, 125 Pa, analoog, differentieel $30 Newark, Digikey

3. Lipo-batterij - 600 mAh $ 2

4. Aan/uit-schakelaar -- Aan-uit-knop / drukknop-tuimelschakelaar Adafruit

Stap 2: 3D-afdrukken

Fusion 360 werd gebruikt om de twee nestelementen van de spirometer te ontwerpen. De Venturibuis (blaasbuis) heeft verschillende uitvoeringen. Om de Bernoulli-vergelijking te gebruiken voor de berekening van de stroom, moet u een vermindering van het stroomvolume in de meetbuis hebben. Dit principe wordt gebruikt in een verscheidenheid aan stromingssensoren voor alle soorten laminaire stromingsvloeistoffen. De afmetingen die ik in de Venturi-buis heb gebruikt, kwamen niet uit een bepaalde bron, maar ze leken gewoon te werken. De sensor gebruikt het drukverschil over de smalle en brede buisgebieden om het stroomvolume te berekenen. Ik wilde dat de sensor de venturibuis gemakkelijk en omkeerbaar kon koppelen voor snelle verwisseling en verwijdering, dus ontwierp ik de druksensorbuizen om uit het model te lopen en te eindigen bij de basis waar ze de uiteinden van de sensorbuiskoppen zouden raken. Er is een hoge/lage polariteit naar de sensor die moet worden gehandhaafd vanuit de hoge/lage drukgebieden van de venturibuis. De hoge druk bevindt zich in het rechte gedeelte en de lage druk bevindt zich boven de curve van de restrictie, net als bij een vliegtuigvleugel. De behuizing van de spirometer is zorgvuldig ontworpen om schroefbevestigingen te bieden om de sensor op zijn plaats te houden met M3 (20 mm) schroeven. Deze worden geplaatst in heat-set M3x4x5mm inzetstukken. De rest van het ontwerp voorziet in de verankering van de TTGO in een gleuf aan de onderkant en een venster voor het scherm. De knop en het knopdeksel zijn beide twee keer bedrukt en bieden toegang tot de twee knoppen op het TTGO-bord. De hoes is het laatste stuk dat moet worden afgedrukt en is ontworpen om toegang te geven tot de stroom-/oplaadstekker aan de bovenkant van het TTGO-bord. Alle stukken zijn gedrukt in PLA zonder steunen.

Stap 3: bedraad het

Er is niet veel aan de bedrading van de sensor en de ESP32. De sensor heeft vier draden en u moet het gegevensblad voor de sensor downloaden om er zeker van te zijn dat de draden correct zijn: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf De stroom gaat naar de 3,3 Volt-uitgang van de ESP32 en de grond en OCS zijn beide verbonden met aarde. De analoge uitgang van de sensor wordt aangesloten op pin 33 op de ESP. Aangezien deze verbindingen door een smalle opening in de schaal kronkelen, sluit u ze niet aan voordat u de unit in elkaar zet. De Lipo-batterij past aan de achterkant in de behuizing, dus koop er een die geschikt is voor de mAh. De TTGO heeft een oplaadcircuit met een kleine JST-connector aan de achterkant. Sluit de accu hierop aan waarbij de aan/uit schakelaar de pos lijn doorbreekt.

Stap 4: Montage

Na 3D-printen wordt de blaasbuis aangepast. Twee secties plastic aquariumslangen worden zo ver mogelijk in de onderste gaten van het apparaat gestoken en vervolgens gelijk met de tondeuse afgesneden. Dit zorgt voor een elastische opening waar de openingen van de sensorbuis gemakkelijk in passen. De hoofdeenheid vereist de installatie van warmtegeharde messing inzetstukken in de twee gaten in het frame. De montagegaten van de sensor moeten iets worden vergroot voor de 3 mm (20 mm lengte) schroeven met een bit van de juiste maat. Monteer de sensor met twee schroeven en maak de elektrische aansluitingen op het TTGO-bord af. Verbind en monteer de aan/uit-schakelaar met secondelijm. Gebruik die van Adafruit, want de hoes is ontworpen om hem precies vast te houden. De twee knoppen zijn met secondelijm aan de behuizing bevestigd. Zorg ervoor dat de knoppen op het TTGO-bord onder de openingen zijn uitgelijnd. De knop wordt geïnstalleerd, gevolgd door de knopbehuizing die is vastgelijmd. Zorg ervoor dat u de knop niet op de behuizing plakt, deze moet er vrij in kunnen bewegen. Om het bovenste gedeelte van de TTGO te stabiliseren, plaatst u kleine klodders hete lijm op beide schouders om het op zijn plaats te houden. De batterij gaat achter het bord. Werk de montage af door de bovenkant erop te lijmen. Er moet gemakkelijke toegang zijn tot de USB-C-connector voor programmeren en opladen van de batterij.

Stap 5: Programmeren

De software voor dit instrument neemt de analoge waarde van de sensor op, verandert de waarde in volt en gebruikt de formule van het sensorgegevensblad om deze om te zetten in Pascal van druk. Hieruit gebruikt het de Bernoullis-formule om het volume/sec en de massa/sec lucht die door de buis gaat te bepalen. Het analyseert dit vervolgens in individuele ademhalingen en onthoudt de waarden in verschillende gegevensarrays en presenteert de gegevens op het ingebouwde scherm en roept uiteindelijk de Blynk-server op en uploadt deze naar uw telefoon. De gegevens worden alleen onthouden totdat u weer ademhaalt. Het klinische gebruik van een spirometer wordt gewoonlijk gedaan door de patiënt te vragen zo diep mogelijk in te ademen en zo lang en hard mogelijk uit te blazen. Veelgebruikte algoritmen op basis van lengte, gewicht en geslacht worden dan beschreven als normaal of abnormaal. Verschillende rangschikkingen van deze gegevens worden ook gepresenteerd, namelijk FEV1/FEVC --totaal volume gedeeld door volume in de eerste seconde. Alle parameters worden weergegeven op het scherm Spirometers, evenals een kleine grafiek van uw inspanning in volume in de loop van de tijd. Wanneer gegevens zijn geüpload naar Wifi, keert het scherm terug naar "Blow". Alle gegevens gaan verloren nadat de stroom is uitgeschakeld.

Het eerste deel van de code vereist dat u uw Blynk-token invoert. De volgende vereist een wifi-wachtwoord en netwerknaam. Float area_1 is het gebied in vierkante meter van de spirometerbuis voorafgaand aan vernauwing en Float area_2 is het gebied in dwarsdoorsnede direct bij de vernauwing. Verander deze als je de tube opnieuw wilt ontwerpen. Vol en volSec zijn de twee arrays die de volumetoename in de tijd en de snelheid van de luchtbeweging vasthouden. De lusfunctie begint met het berekenen van de ademhalingsfrequenties. Het volgende gedeelte leest de sensor en berekent de druk. De volgende if-verklaring probeert erachter te komen of je klaar bent met je klap - moeilijker dan je denkt, vaak daalt de druk plotseling gedurende een milliseconde, precies in het midden van de klap. De volgende sectie berekent de massastroom op basis van de druk. Als een nieuwe ademhaling wordt gedetecteerd, worden alle gegevens bevroren en worden parameters berekend en naar het scherm verzonden, gevolgd door een grafische functie en ten slotte een Blynk-oproep om de gegevens te uploaden. Als er geen Blynk-verbinding wordt gedetecteerd, keert het terug naar "Blow".

Stap 6: Het gebruiken

Is dit instrument redelijk nauwkeurig voor wat het beweert te doen? Ik gebruikte een gekalibreerde flowmeter die was aangesloten op een luchtbron die door een 3D-geprinte laminaire luchtkamer was bevestigd die aan de spirometer was bevestigd en deze voorspelde redelijkerwijs nauwkeurig de luchtstroom van 5 liter/min tot 20 liter/min. Mijn rustteugvolume op de machine is ongeveer 500cc en zeer reproduceerbaar. Bij elke klinische test moet u in gedachten houden wat redelijk is in termen van ontvangen informatievoordeel versus inspanning … u kunt uzelf tot op de gram nauwkeurig wegen, maar tot welk voordeel? Gezien de variabiliteit die inherent is aan vrijwillige testinspanningen in de richting van de uitkomst, kan deze geschikt zijn voor de meeste klinische situaties. De andere zorg is dat sommige mensen met een enorme longcapaciteit de bovenste sensorlimiet kunnen overschrijden. Ik was niet in staat om dit te doen, maar het is mogelijk, maar deze mensen hebben waarschijnlijk geen longproblemen…

Het eerste scherm toont FEV1 en FEVC. Het volgende gegevensscherm geeft de blaasduur, FEV1/FEVC-verhouding en MaxFlow in Lit/Sec weer. Ik heb het gemaximaliseerd met twee schermen met details over Vol in de loop van de tijd en Lit/sec in de loop van de tijd. De wijzerplaten spotten FEV1 en FEVC en de meters printen de duur en FEV1/FEVC. Maar voor degenen onder u die bekend zijn met Blynk, weet dat u dit op elke gewenste manier kunt doen in de telefoon-app en de gegevens met een aanraking naar uw e-mail kunt downloaden.

De knoppen aan de zijkant van het instrument zijn uitgebroken voor het geval u ze wilt programmeren om de machine met een ademteug te activeren of om de schermuitvoer te variëren of om de Blynk-verbinding te wijzigen als u deze offline wilt gebruiken. De knoppen trekken pinnen 0 en 35 laag, dus schrijf dit gewoon in het programma. COVID heeft naar verluidt velen met aanhoudende longproblemen achtergelaten en dit apparaat kan nuttig zijn in die landen waar de toegang tot dure medische apparatuur mogelijk beperkt is. U kunt dit in een paar uur afdrukken en monteren en voor niets veilige vervangende besmette delen van het apparaat afdrukken.

Tweede plaats in de batterijgevoede wedstrijd