DIY-beademingsapparaat met gemeenschappelijke medische benodigdheden - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Dit project biedt instructies voor het samenstellen van een geïmproviseerde ventilator voor gebruik in noodscenario's wanneer er niet genoeg commerciële ventilatoren beschikbaar zijn, zoals de huidige COVID-19-pandemie. Een voordeel van dit beademingsontwerp is dat het in wezen alleen het gebruik van een handmatig beademingsapparaat automatiseert dat al op grote schaal wordt gebruikt en geaccepteerd door de medische gemeenschap. Bovendien kan het voornamelijk worden samengesteld uit componenten die al beschikbaar zijn in de meeste ziekenhuisomgevingen en vereist het geen aangepaste fabricage van onderdelen (bijv. 3D-printen, lasersnijden, enz.).

Een zakventielmasker (BVM), ook bekend als een handmatige beademingsballon, is een handapparaat dat wordt gebruikt om positieve drukbeademing te bieden aan patiënten die ademhalingshulp nodig hebben. Ze worden gebruikt om patiënten tijdelijk te ventileren wanneer mechanische ventilatoren niet beschikbaar zijn, maar worden gedurende langere tijd niet gebruikt omdat een mens met regelmatige ademhalingsintervallen in de zak moet knijpen.

Deze doe-het-zelf ventilator automatiseert het knijpen van een BVM zodat hiermee een patiënt voor onbepaalde tijd kan worden beademd. Knijpen wordt bereikt door herhaaldelijk opblazen/leeglopen van een bloeddrukmanchet die om de BVM is gewikkeld. De meeste ziekenhuizen zijn uitgerust met wandcontactdozen met perslucht en vacuüm, die kunnen worden gebruikt om respectievelijk de bloeddrukmanchet op te blazen en leeg te laten lopen. Een magneetventiel regelt de stroom perslucht, die wordt aangestuurd door een Arduino-microcontroller.

Afgezien van de BVM en bloeddrukmanchet (beide al verkrijgbaar in ziekenhuizen), vereist dit ontwerp minder dan $ 100 aan onderdelen, die gemakkelijk kunnen worden gekocht bij online verkopers zoals McMaster-Carr en Amazon. Er worden voorgestelde componenten en aankooplinks gegeven, maar u kunt veel van de onderdelen ruilen met andere vergelijkbare componenten als de vermelde onderdelen niet beschikbaar zijn.

Dankbetuigingen:

Speciale dank aan professor Ram Vasudevan van de Universiteit van Michigan voor de financiering van dit project en Mariama Runcie, M. D. van de Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency in het Massachusetts General Hospital en Brigham and Women's Hospital voor het verlenen van haar medische expertise en het geven van feedback over het concept.

Ik wil ook Christopher Zahner, M. D. en Aisen Chacin, PhD van UTMB erkennen die onafhankelijk samenkwamen op een soortgelijk ontwerp voordat ik dit Instructable (nieuwsartikel) plaatste. Hoewel mijn apparaat niet nieuw is, hoop ik dat deze gedetailleerde beschrijving van hoe het is gebouwd nuttig zal zijn voor anderen die het concept willen recreëren of verbeteren.

Benodigdheden

Medische componenten:

- Zakventielmasker, ~ $ 30 (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

-Bloeddrukmanchet, ~ $ 17 (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Elektronische componenten:

-Arduino Uno, ~$20 (https://www.amazon.com/Arduino-A000066-ARDUINO-UNO-R3/dp/B008GRTSV6)

-3-weg elektronisch magneetventiel (12V), ~$30 (https://www.mcmaster.com/61975k413)

-12 V muuradapter, ~$10 (https://www.amazon.com/gp/product/B01GD4ZQRS)

-10k Potentiometer, <$1 (https://www.amazon.com/gp/product/B07C3XHVXV)

-TIP120 Darlington-transistor, ~ $ 2 (https://www.amazon.com/Pieces-TIP120-Power-Darlington-Transistors/dp/B00NAY1IBS)

-Miniatuur breadboard, ~$1 (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-Eenaderige draad, ~ $ 15 voor een hele reeks verschillende kleuren (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Overige onderdelen:

- Messing prikkeldraad slangfitting met 10-32 schroefdraad, ~ $ 4 (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) Kunststof buisfitting met 1/4 NPT-schroefdraad, ~ $ 1 (https://www.mcmaster.com/5372k121)

-Plastic afstandhouder, <$1 (https://www.mcmaster.com/94639a258)

-(x2) Crush-resistente zuurstofslangen, ~ $ 10 (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Kleine doos of andere container om te dienen als elektronica en klepbehuizing

Stap 1: Sluit de elektronica aan

Gebruik de massieve kerndraad en het miniatuur breadboard om de Arduino, TIP 120 en potentiometer aan te sluiten zoals weergegeven in het bedradingsschema. Misschien wilt u de Arduino en het breadboard ook met tape of heet lijmen op een stuk karton, omdat dit het incidentele trekken aan de draden zal helpen beperken.

Merk op dat de weerstand van 1k optioneel is. Het werkt als verzekering tegen kortsluiting, maar als je er geen hebt liggen, kun je het gewoon vervangen door een draad en alles zou nog steeds goed moeten werken.

De Arduino kan de klep niet rechtstreeks aansturen omdat deze meer stroom nodig heeft dan de uitgangspinnen van de Arduino kunnen leveren. In plaats daarvan stuurt de Arduino de TIP 120-transistor aan, die fungeert als een schakelaar om de klep aan en uit te zetten.

De potentiometer fungeert als een "instelknop voor de ademhalingsfrequentie". Door de potinstelling te tweaken, verandert het spanningssignaal in de A0-pin van de Arduino. Code die op de Arduino draait, zet die spanning om in een "ademhalingssnelheid" en stelt de snelheid van het openen en sluiten van de klep in om deze aan te passen.

Stap 2: Sluit de elektronische magneetklep aan

De elektronische klep wordt niet geleverd met aangesloten draden, dus dit moet handmatig worden gedaan.

Verwijder eerst de bovenklep met een kruiskopschroevendraaier om de drie schroefaansluitingen, V+, V- en GND bloot te leggen (raadpleeg de foto om te bepalen welke welke is)

Bevestig vervolgens de draden door ze vast te klemmen met de schroeven. Ik zou willen voorstellen om oranje of gele draad te gebruiken voor de V+ (of welke kleur je ook hebt gebruikt voor de 12V-draad in de vorige stap), blauw of zwart voor V- en zwart voor GND (of welke kleur je ook hebt gebruikt voor de GND-draad op de vorige stap Ik gebruikte zwart voor zowel V- als GND, maar plakte een klein stukje tape op de GND-draad zodat ik ze kon onderscheiden.

Zodra de draden zijn bevestigd, plaatst u het deksel terug en schroeft u het op zijn plaats.

Sluit vervolgens de draden aan op het breadboard zoals weergegeven in het bijgewerkte bedradingsschema.

Voor de duidelijkheid is er ook een schakelschema bijgevoegd, maar als je niet bekend bent met dat type notatie kun je het gewoon negeren:)

Stap 3: Upload Arduino-code en test elektronica

Als je het nog niet hebt, download dan de Arudino IDE of open de Arduino-webeditor (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Als u de Arduino Create-webeditor gebruikt, kunt u hier toegang krijgen tot de schets voor dit project. Als u de Arduino IDE lokaal op uw computer gebruikt, kunt u de schets downloaden van deze Instructable.

Open de schets, sluit de Arduino aan op uw computer met behulp van een USB-printerkabel en upload de schets naar de Arduino. Als je problemen hebt met het uploaden van de schets, kun je hier hulp vinden.

Sluit nu de 12V-voeding aan. De klep moet periodiek een klikgeluid maken en oplichten, zoals te zien is in de video. Als u de potentiometerknop met de klok mee draait, moet deze sneller schakelen en langzamer als u hem tegen de klok in draait. Als dit niet het gedrag is dat u ziet, gaat u terug en controleert u alle voorgaande stappen.

Stap 4: Bevestig de buisconnectoren met weerhaken aan de klep

De klep heeft drie poorten: A, P en uitlaat. Wanneer de klep inactief is, is A aangesloten op uitlaat en is P gesloten. Als de klep actief is, is A verbonden met P en is de uitlaat gesloten. We gaan P aansluiten op een persluchtbron, A op de bloeddrukmanchet en Uitlaat op een vacuüm. Met deze configuratie wordt de bloeddrukmanchet opgeblazen als de klep actief is en leeg als de klep inactief is.

De uitlaatpoort is ontworpen om gewoon open te staan voor de atmosfeer, maar we moeten hem aansluiten op een vacuüm zodat de bloeddrukmanchet sneller leegloopt. Om dit te doen, verwijdert u eerst de zwarte plastic dop die de uitlaatpoort bedekt. Plaats vervolgens het plastic afstandsstuk over de blootgestelde schroefdraden en bevestig de messing prikkeldraadconnector bovenop.

Bevestig plastic connectoren met weerhaken op poorten A en P. Draai vast met een sleutel om te voorkomen dat er lekkage optreedt.

Stap 5: Maak behuizing voor elektronica

Aangezien geen van de draden op hun plaats is gesoldeerd, is het belangrijk om ze te beschermen tegen per ongeluk trekken en loskoppelen. Dit kan door ze in een beschermende behuizing te plaatsen.

Voor de behuizing heb ik een kleine kartonnen doos gebruikt (een van de McMaster-verzenddozen waarin sommige onderdelen kwamen). Je kunt ook een kleine tupperware-container gebruiken, of iets mooiers als je dat wilt.

Leg eerst de klep, Arduino en miniatuur breadboard in de container. Prik/boor vervolgens gaten in de houder voor de 12V stroomkabel en luchtslangen. Zodra de gaten klaar zijn, kunt u met hete lijm, tape of ritssluiting de klep, Arduino en breadboard op de gewenste plaatsen vastmaken.

Stap 6: Wikkel bloeddrukmanchet rond BVM

Koppel de inflatielamp los van de bloeddrukmanchet (u zou hem er gewoon af moeten kunnen trekken). In de volgende stap wordt deze buis aangesloten op de elektronische klep.

Wikkel de bloeddrukmanchet om de BVM. Zorg ervoor dat de manchet zo strak mogelijk zit zonder de zak in te klappen.

Stap 7: Bevestig luchtslangen

De laatste stap is het aansluiten van de bloeddrukmanchet, de persluchtbron en de vacuümbron op de elektronische klep.

Sluit de bloeddrukmanchet aan op de A-aansluiting van het ventiel.

Sluit met behulp van een zuurstofslang de P-aansluiting van de klep aan op de persluchtbron. De meeste ziekenhuizen zouden persluchtuitgangen moeten hebben met een druk van 4 bar (58 psi) (bron).

Sluit met een andere zuurstofslang de uitlaataansluiting van de klep aan op de vacuümbron. De meeste ziekenhuizen zouden vacuümuitgangen beschikbaar moeten hebben met een temperatuur van 400 mmHg (7,7 psi) onder de atmosfeer (bron).

Het apparaat is nu compleet met uitzondering van de benodigde slangen/adapters om de uitgang van de BVM aan te sluiten op de longen van een patiënt. Ik ben geen beroepsbeoefenaar in de gezondheidszorg, dus ik heb die component niet in het ontwerp opgenomen, maar er wordt aangenomen dat ze in elke ziekenhuisomgeving beschikbaar zouden zijn.

Stap 8: Test het apparaat

Sluit het apparaat aan. Als alles goed is aangesloten, moet de bloeddrukmanchet periodiek worden opgeblazen en weer leeglopen, zoals te zien is in de video.

Ik ben geen beroepsbeoefenaar in de gezondheidszorg, dus ik heb geen toegang tot perslucht- of vacuümuitgangen in het ziekenhuis. Daarom heb ik een kleine luchtcompressor en vacuümpomp gebruikt om het apparaat in mijn huis te testen. Ik heb de drukregelaar op de compressor ingesteld op 4 bar (58 psi) en het vacuüm op -400 mmHg (-7,7 psi) om de ziekenhuisuitgangen zo goed mogelijk te simuleren.

Enkele disclaimers en aandachtspunten:

-De ademhalingssnelheid kan worden aangepast door de potentiometer te draaien (tussen 12-40 ademhalingen per minuut). Bij gebruik van mijn opstelling met perslucht/vacuüm merkte ik dat bij ademhalingsfrequenties van meer dan ~20 ademhalingen per minuut de bloeddrukmanchet geen tijd heeft om volledig leeg te lopen tussen ademhalingen. Dit is misschien geen probleem bij het gebruik van ziekenhuisluchtuitlaten waarvan ik aanneem dat ze hogere stroomsnelheden kunnen leveren zonder zoveel drukverlies, maar ik weet het niet zeker.

-De zakklep wordt niet volledig samengedrukt tijdens elke ademhaling. Dit kan ertoe leiden dat er onvoldoende lucht in de longen van de patiënt wordt gepompt. Testen op een medische luchtwegpop zou kunnen uitwijzen of dit het geval is. Als dit het geval is, kan dit mogelijk worden verholpen door de inflatietijd tijdens elke ademhaling te verlengen, waarvoor de Arduino-code moet worden bewerkt.

-Ik heb de maximale drukcapaciteit van de bloeddrukmanchet niet getest. 4 bar is veel hoger dan de druk die normaal gesproken nodig is bij het meten van de bloeddruk. De bloeddrukmanchet brak niet tijdens mijn testen, maar dat betekent niet dat het niet zou kunnen gebeuren als de druk in de manchet volledig gelijk zou worden voordat hij leegliep.

-Een BVM is ontworpen om luchtondersteuning te bieden zonder extra slangen tussen de klep en de neus/mond van de patiënt. Voor een echte toepassing moet de lengte van de slang tussen de BVM en de patiënt dus tot een minimum worden beperkt.

-Dit ventilatorontwerp is niet goedgekeurd door de FDA en mag alleen worden beschouwd als een LAATSTE RESORT-optie. Het is met opzet zo ontworpen dat het eenvoudig te monteren is uit ziekenhuisapparatuur en commerciële onderdelen voor situaties waar betere/geperfectioneerde alternatieven simpelweg niet beschikbaar zijn. Verbeteringen worden aangemoedigd!