Espiròmetre imprès en 3D: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Per rabbitcreek Segueix més de l'autor:

Projectes Fusion 360 »

Els espiròmetres són l’instrument clàssic per realitzar l’anàlisi de l’aire mentre es treu de la boca. Consisteixen en un tub al qual bufeu que registra el volum i la velocitat d’una respiració que després es compara amb un conjunt de valors normals basats en l’alçada, el pes i el sexe i s’utilitzen per seguir la funció pulmonar. L’instrument que vaig dissenyar, tot i que he provat la precisió amb un mesurador de cabal, no és de cap manera un dispositiu mèdic certificat, però en un cert pessic podria passar-ne un, donant comptes relatius i exactes dels FEV1, FEVC i gràfics de volum. sortida i velocitat en el temps. El vaig dissenyar de manera que l’electrònica amb el costós sensor lligat estigués confinat en una peça i el tub de bufat fàcilment disponible amb els canals carregats de virus associats quedés en una altra. Sembla que aquest és un dels inconvenients de les màquines estàndard que s’utilitzen clínicament: les boques de cartró reemplaçables no eliminen realment tots els riscos quan els virus es transmeten a l’aire i se us demana que bufeu molt i durament en un aparell molt car. El cost del dispositiu és inferior a 40 dòlars i qualsevol persona que tingui una impressora 3D en pot sortir tants com vulgui. El programari Wifi el connecta a una aplicació Blynk del telèfon intel·ligent per visualitzar-lo i us permet descarregar les dades que vulgueu.

Pas 1: comprar coses

Essencialment, estem construint un sensor analògic amb un gran combinat de pantalla / microcontrolador. La importància està a l’hora d’escollir el sensor adequat. Diversos dissenys per a aquests dispositius han utilitzat sensors que no tenen la sensibilitat necessària per proporcionar les dades per calcular aquests elements respiratoris. L'ESP32 té problemes ben coneguts amb la no linealitat del seu ADC, però això no sembla ser significatiu en el rang d'aquesta unitat.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 Mòdul bluetooth WiFi 1,14 polzades Tauler de desenvolupament LCD 8 $ Bangood

2. Sensor de pressió SDP816-125PA, CMOSens®, 125 Pa, analògic, diferencial $ 30 Newark, Digikey

3. Bateria Lipo: 600 mAh, 2 dòlars

4. Interruptor d'encès / apagat: interruptor d'encesa / botó d'encesa / polsador de commutació Adafruit

Pas 2: impressió 3D

Fusion 360 es va utilitzar per dissenyar els dos elements de nidificació de l’espiròmetre. El tub Venturi (tub de bufat) té diversos dissenys. Per utilitzar l'equació de Bernoulli per al càlcul del cabal, heu de reduir el volum de cabal al tub de mesura. Aquest principi s’utilitza en diversos sensors de flux per a tot tipus de fluids de flux laminar. Les dimensions que vaig fer servir al tub Venturi no provenien d’una font concreta, però semblaven funcionar. El sensor utilitza la pressió diferencial a través de les àrees de tub estret i ample per calcular el volum de cabal. Volia que el sensor pogués accionar fàcilment i reversiblement el tub Venturi per canviar-lo i eliminar-lo ràpidament, de manera que vaig dissenyar els tubs del sensor de pressió perquè sortissin del model i acabessin a la seva base on es posessin en contacte amb les puntes dels caps del tub del sensor. El sensor té una polaritat alta / baixa que s’ha de mantenir des de les zones de pressió alta / baixa del tub Venturi. L’alta pressió es troba en la secció recta i la baixa és superior a la corba de la restricció, igual que sobre una ala d’avió. El cos de l’espiròmetre està dissenyat acuradament per proporcionar muntatges de cargol per mantenir el sensor al seu lloc amb cargols M3 (20 mm). Es col·loquen en insercions M3x4x5mm de calor. La resta del disseny preveu l'ancoratge del TTGO en una ranura a la part inferior i una finestra per a la pantalla. El botó i la tapa del botó s’imprimeixen dues vegades i permeten l’accés de la funda als dos botons del tauler TTGO. La coberta és l’última peça que s’ha imprès i està dissenyada per donar accés al connector d’alimentació / càrrega a la part superior de la placa TTGO. Totes les peces s’imprimeixen en PLA sense suports.

Pas 3: connecteu-lo

El cablejat del sensor i de l’ESP32 no té gaire. El sensor té quatre cables i heu de descarregar el full de dades del sensor només per assegurar-vos que teniu els cables correctes: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf La potència passa a la sortida de 3,3 volts del ESP32 i la terra i OCS estan connectats a terra. La sortida analògica del sensor està connectada al pin 33 de l’ESP. Com que aquestes connexions serpentegen a través d’una obertura estreta a la carcassa, no les connecteu abans del muntatge de la unitat. La bateria Lipo s’adapta posteriorment a la funda, així que obtingueu-ne una de la mida adequada per al mAh. El TTGO té un circuit de càrrega amb un petit connector JST a la part posterior. Connecteu-hi la bateria amb l’interruptor d’encesa / apagada que trenca la línia pos.

Pas 4: Muntatge

La modificació posterior a la impressió 3D es fa al tub de bufat. Dues seccions de tubs de plàstic per a aquaris s'instal·len als forats inferiors de la unitat fins a arribar i es retallen a ras amb talls. Això proporciona una obertura elàstica perquè les obertures del tub del sensor s’uneixin fàcilment. La unitat principal requereix la instal·lació d’insercions de llautó de jocs de calor als dos forats del marc. Els forats de muntatge del sensor s’han d’ampliar lleugerament per als cargols de 3 mm (20 mm de longitud) amb una broca de mida adequada. Munteu el sensor amb dos cargols i completeu les connexions elèctriques a la placa TTGO. Connecteu i monteu l’interruptor d’encès / apagat amb superglue. Utilitzeu el d'Adafruit, ja que la funda està dissenyada per mantenir-la exactament. Els dos botons estan muntats a la caixa amb superglue. Assegureu-vos que els botons del tauler TTGO s’alineen sota les obertures. El botó s'instal·la seguit de la carcassa del botó que està supergluejat. Assegureu-vos que no enganxeu el botó a la seva carcassa, sinó que ha de moure-s’hi lliurement. Per estabilitzar la secció superior de TTGO, col·loqueu petites gotes de cola calenta a cada espatlla per mantenir-la al seu lloc. La bateria va posterior a la placa. Acabeu el conjunt superposant la part superior. Hauria d’haver fàcil accés al connector USB-C per a la programació i la càrrega de la bateria.

Pas 5: programació

El programari d’aquest instrument pren el valor analògic del sensor canvia el seu valor a volts i utilitza la fórmula del full de dades del sensor per convertir-lo en Pascals de pressió. A partir d’aquesta utilitza la fórmula de Bernoullis per determinar el vol / seg i la massa / seg d’aire que travessa el tub. A continuació, ho analitza en respiracions individuals i recorda els valors de diverses matrius de dades i presenta les dades a la pantalla integrada i, finalment, crida al servidor Blynk i les penja al vostre telèfon. Les dades només es recorden fins que respireu. L’ús clínic d’un espiròmetre es fa habitualment demanant al pacient que respiri el màxim possible i que el bufi el màxim de temps possible. Els algoritmes d’ús comú basats en l’alçada, el pes i el sexe es descriuen llavors com a normals o anormals. També es presenten diferents disposicions d’aquestes dades, és a dir, FEV1 / FEVC - volum total dividit per volum en el primer segon. Tots els paràmetres es presenten a la pantalla dels espiròmetres, així com un petit gràfic del vostre esforç en vol al llarg del temps. Quan les dades s'han carregat a Wifi, la pantalla torna a "Blow". Totes les dades es perden després d’apagar l’alimentació.

La primera secció del codi requereix que introduïu el vostre testimoni Blynk. El següent requereix una contrasenya Wifi i un nom de xarxa. La superfície flotant_1 és l'àrea en metres quadrats del tub de l'espiròmetre abans de reduir-se i la zona flotant_2 és l'àrea en secció transversal directament a l'estretor. Canvieu-les si voleu redissenyar el tub. Vol i volSec són les dues matrius que mantenen l’augment del volum al llarg del temps i la velocitat del moviment de l’aire. La funció de bucle comença amb el càlcul de les taxes de respiració. La següent secció llegeix el sensor i calcula la pressió. A continuació, la sentència if intenta esbrinar si heu acabat el cop; més difícil del que es pensa, sovint la pressió baixa sobtadament durant un mil·lisegon al centre del cop. La següent secció calcula el cabal massiu en funció de la pressió. Si es detecta una nova respiració, totes les dades es congelen i es calculen els paràmetres i s’envien a la pantalla, seguit d’una funció gràfica i, finalment, una trucada de Blynk per carregar les dades. Si no es detecta cap connexió Blynk, tornarà a "Blow".

Pas 6: utilitzar-lo

És aquest instrument raonablement precís pel que pretén fer? Vaig utilitzar un mesurador de cabal calibrat connectat a una font d’aire que passava per una cambra d’aire laminar impresa en 3D connectada a l’espiròmetre i que va predir amb precisió dins del motiu el flux d’aire de 5 litres / min a 20 litres / min. El meu volum de marea en repòs a la màquina és d’uns 500cc i molt reproduïble. Amb qualsevol prova clínica, heu de tenir en compte el que és raonable pel que fa al benefici d'informació rebut en comparació amb l'esforç … Podeu pesar-vos fins al gram més proper, però amb quin benefici? Tenint en compte la variabilitat inherent a l'esforç de proves volitives cap al resultat, pot ser adequada per a la majoria de situacions clíniques. L’altra preocupació és que algunes persones amb una gran capacitat pulmonar poden superar el límit superior del sensor. No he pogut fer això, però és possible, però és probable que aquestes persones no tinguin problemes pulmonars …

La primera pantalla presenta FEV1 i FEVC. La següent pantalla de dades presenta Durada de bufat, relació FEV1 / FEVC i MaxFlow en litres / segon. Ho vaig maximitzar amb dues pantalles que detallaven Vol amb el pas del temps i Lit / s amb el pas del temps. Els dials simulen FEV1 i FEVC i la durada d’impressió dels comptadors i FEV1 / FEVC. Però per a aquells que estigueu familiaritzats amb Blynk, sabeu que podeu fer-ho de la manera que vulgueu a l'aplicació del telèfon i baixar les dades al vostre correu electrònic amb un toc.

Els botons laterals de l’instrument estan trencats per si voleu programar-los per activar la màquina amb aire, per variar la sortida de la pantalla o per canviar la connexió Blynk si voleu utilitzar-la fora de línia. Els botons treuen els pins 0 i 35 de manera que només cal escriure-ho al programa. COVID suposadament ha deixat molts problemes persistents de pulmó i aquest dispositiu pot ser útil en aquells països on l’accés a un equip mèdic car pot ser limitat. Podeu imprimir-lo i muntar-lo en un parell d’hores i imprimir seccions contaminades del dispositiu de reemplaçament segur per res.

Accèssit al concurs amb bateria