3D tlačený spirometer: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Od rabbitcreek Nasledovať viac od autora:

Projekty Fusion 360 »

Spirometre sú klasickým nástrojom na analýzu vzduchu pri jeho vyfukovaní z úst. Skladajú sa z trubice, do ktorej fúknete, ktorá zaznamenáva objem a rýchlosť jedného dychu a ktoré sa potom porovnajú so súborom normálnych hodnôt založených na výške, hmotnosti a pohlaví a používajú sa na sledovanie pľúcnych funkcií. Prístroj, ktorý som navrhol, napriek tomu, že bol testovaný na presnosť pomocou prietokomeru, nie je v žiadnom prípade certifikovaným zdravotníckym zariadením, ale v skratke by určite mohol vyhovovať jednému-poskytuje relatívne reprodukovateľné a presné účty štandardných FEV1, FEVC a objemových grafov. výkon a rýchlosť v priebehu času. Navrhol som to tak, aby elektronika s drahým uviazaným senzorom bola obmedzená na jeden kus a ľahko jednorazová fúkacia trubica so súvisiacimi kanálmi naloženými vírusom bola v inom. Zdá sa, že to je jedna z nevýhod štandardných klinicky používaných strojov - vymeniteľné kartónové náustky v skutočnosti neodstraňujú všetky riziká, keď sú vírusy prenášané vzduchom a vy ste požiadaní, aby ste dlho a silne fúkali do veľmi drahého zariadenia. Náklady na zariadenie sú nižšie ako 40 dolárov a ktokoľvek s 3D tlačiarňou ich môže vytvoriť toľko, koľko chce. Softvér Wifi ho prepojí s aplikáciou Blynk vo vašom smartfóne na vizualizáciu a umožní vám stiahnuť akékoľvek požadované údaje.

Krok 1: Kúpte si veci

V zásade staviame analógový snímač so skvelým kombináciou obrazovky/mikrokontroléra. Dôležitý je výber správneho senzora. Niekoľko ďalších návrhov týchto zariadení používalo senzory, ktorým chýba citlivosť potrebná na poskytnutie údajov na výpočet týchto dýchacích prvkov. ESP32 má dobre známe problémy s nelinearitou svojho ADC, ale zdá sa, že to nie je významné v rozsahu tejto jednotky.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi bluetooth modul 1,14 palcová vývojová doska LCD, 8 dolárov, Bangood

2. Snímač tlaku SDP816-125PA, CMOSens®, 125 Pa, analógový, diferenciál 30 dolárov Newark, Digikey

3. Lipo batéria - 600 mAh 2 doláre

4. Vypínač-Vypínač / Prepínač Zapnúť / Vypnúť Adafruit

Krok 2: 3D tlač

Na návrh dvoch vnorených prvkov spirometra bol použitý Fusion 360. Venturiho trubica (fúkacia trubica) má rôzne prevedenie. Aby ste mohli použiť Bernoulliho rovnicu na výpočet prietoku, musíte mať v meracej trubici určité zníženie objemu prietoku. Tento princíp sa používa v rôznych snímačoch prietoku pre všetky druhy kvapalín s laminárnym prúdením. Rozmery, ktoré som použil vo Venturiho trubici, nepochádzali z konkrétneho zdroja, ale zdalo sa, že fungujú. Senzor používa na výpočet prietoku diferenčný tlak v úzkych a širokých oblastiach rúr. Chcel som, aby senzor dokázal ľahko a reverzibilne zasunúť Venturiho trubicu na rýchlu výmenu a vybratie, a preto som navrhol rúrky snímača tlaku tak, aby vychádzali z modelu a končili na jeho základni, kde zaberajú hroty hlavičiek trubiek snímača. Senzor má vysokú/nízku polaritu, ktorú je potrebné udržiavať v oblastiach vysokého/nízkeho tlaku Venturiho trubice. Vysoký tlak je v priamom úseku a nízky tlak je nad krivkou obmedzenia-rovnako ako nad krídlom lietadla. Telo spirometra je starostlivo navrhnuté tak, aby poskytovalo skrutkové držiaky, ktoré držia snímač na mieste pomocou skrutiek M3 (20 mm). Sú umiestnené v tepelne upravených vložkách M3x4x5 mm. Zostávajúca časť konštrukcie umožňuje ukotvenie TTGO v štrbine v spodnej časti a v okne pre obrazovku. Tlačidlo a kryt gombíkov sú vytlačené dvakrát a umožňujú prístup k dvom tlačidlám na doske TTGO. Kryt je posledný kus na tlač a je navrhnutý tak, aby umožňoval prístup napájacej/nabíjacej zástrčky k hornej časti dosky TTGO. Všetky kusy sú vytlačené v PLA bez podpier.

Krok 3: Pripojte ho

Na zapojení senzora a ESP32 nie je veľa. Senzor má štyri zvody a mali by ste si stiahnuť technický list snímača, aby ste sa presvedčili, že sú vaše vodiče správne: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Napájanie ide na 3,3 voltový výstup ESP32 a uzemnenie a OCS sú spojené so zemou. Analógový výstup senzora je pripojený na pin 33 na ESP. Pretože tieto pripojenia hadia cez úzky otvor v škrupine, nespájajte ich pred montážou jednotky. Batéria Lipo zapadá do puzdra v zadnej časti, takže si kúpte takú, ktorá má primeranú veľkosť pre mAh. TTGO má nabíjací obvod s malým konektorom JST na zadnej strane. Pripojte k tomu batériu prepínačom zapnutia/vypnutia prerušením čiary pos.

Krok 4: Zostavenie

Úprava 3D tlače sa vykonáva na fúkacej trubici. Dve časti plastových akváriových hadičiek sú namontované do spodných otvorov jednotky, pokiaľ to ide, a potom sú zarovnané zarovnaním nožnicami. To poskytuje elastický otvor pre otvory trubice snímača, s ktorým sa dá ľahko spojiť. Hlavná jednotka vyžaduje inštaláciu teplovodivých mosadzných vložiek do dvoch otvorov v ráme. Otvory na upevnenie snímača je potrebné mierne zväčšiť pre skrutky 3 mm (dĺžka 20 mm) s bitom vhodnej veľkosti. Namontujte snímač dvoma skrutkami a dokončite elektrické pripojenia k doske TTGO. Pripojte a namontujte spínač zapnutia/vypnutia pomocou lepidla. Použite ten od Adafruit, pretože puzdro je navrhnuté tak, aby presne držalo. Dve tlačidlá sú pripevnené k puzdru pomocou superlepidla. Uistite sa, že tlačidlá na doske TTGO sú zarovnané pod otvormi. Nainštaluje sa tlačidlo, za ktorým sa nalepí kryt gombíka. Dbajte na to, aby ste tlačidlo neprilepili k puzdru, musí sa v ňom voľne pohybovať. Na stabilizáciu hornej časti TTGO položte na každé rameno malé kvapky horúceho lepidla, aby držali na mieste. Batéria ide pozadu k doske. Dokončite montáž lepením vrchnej časti. Ku konektoru USB-C na programovanie a nabíjanie batérie by mal byť ľahký prístup.

Krok 5: Programovanie

Softvér pre tento prístroj odoberá analógovú hodnotu zo snímača, mení jeho hodnotu na volty a pomocou vzorca z listu s údajmi snímača ho prevádza na tlaky v Pascaloch. Z toho používa Bernoullisov vzorec na určenie objemu/s a hmotnosti/s vzduchu prechádzajúceho trubicou. Potom to analyzuje do jednotlivých dychov a zapamätá si hodnoty vo viacerých dátových poliach a zobrazí údaje na vstavanej obrazovke a nakoniec zavolá na server Blynk a nahrá ho do telefónu. Údaje sa zapamätajú, iba kým sa nenadýchnete. Klinické použitie spirometra sa bežne vykonáva tak, že pacienta požiadate, aby sa čo najrýchlejšie nadýchol a vyfúkal ho tak dlho, ako len bude možné. Bežne používané algoritmy založené na výške, hmotnosti a pohlaví sú potom popísané ako normálne alebo abnormálne. Sú tiež uvedené rôzne usporiadania týchto údajov, tj FEV1/FEVC -celkový objem delený objemom v prvej sekunde. Všetky parametre sú uvedené na obrazovke spirometrov a tiež v malom grafe vášho úsilia v priebehu času. Po nahraní údajov do siete Wifi sa obrazovka vráti na „Blow“. Po vypnutí napájania sa stratia všetky údaje.

Prvá časť kódu vyžaduje, aby ste zadali svoj token Blynk. Ďalší vyžaduje heslo Wifi a názov siete. Float area_1 je plocha v spmrometrickej trubici v štvorcových metroch pred zúžením a Float area_2 je plocha v priereze priamo pri zúžení. Zmeňte ich, ak chcete tubu prepracovať. Vol a volSec sú dve polia, ktoré držia nárast objemu v čase a rýchlosti pohybu vzduchu. Funkcia slučky začína výpočtom dychových frekvencií. V ďalšej časti sa číta snímač a vypočítava tlak. Nasledujúce vyhlásenie if sa pokúša zistiť, či ste s úderom skončili-je to ťažšie, ako si myslíte, často tlak náhle klesne na milisekundu priamo uprostred úderu. V ďalšej časti je vypočítaný hmotnostný prietok na základe tlaku. Ak sa zistí nový dych, všetky údaje sa zmrazia a parametre sa vypočítajú a odošlú na obrazovku, nasleduje funkcia grafov a nakoniec hovor Blynka na nahranie údajov. Ak nie je zistené žiadne pripojenie Blynk, vráti sa do režimu „Blow“.

Krok 6: Používanie

Je tento nástroj primerane presný na to, čo údajne robí? Použil som kalibrovaný prietokomer pripojený k zdroju vzduchu, ktorý prešiel cez 3D tlačenú laminárnu vzduchovú komoru pripevnenú k spirometru a presne v rámci toho predpovedal prietok vzduchu od 5 l/min do 20 l/min. Môj pokojový dychový objem na stroji je asi 500 ccm a je veľmi reprodukovateľný. Pri každom klinickom testovaní musíte mať na pamäti, čo je rozumné z hľadiska získaného informačného prínosu oproti úsiliu … môžete sa vážiť na najbližší gram, ale k akému prínosu? Vzhľadom na variabilitu spojenú s dobrovoľným testovaním úsilia k výsledku môže byť adekvátna pre väčšinu klinických situácií. Ďalšou obavou je, že niektorí ľudia s obrovskou kapacitou pľúc môžu prekročiť horný limit senzora. Nedokázal som to, ale je to možné, ale títo ľudia pravdepodobne nebudú mať problémy s pľúcami …

Prvá obrazovka predstavuje FEV1 a FEVC. Nasledujúca obrazovka s údajmi zobrazuje trvanie úderu, pomer FEV1/FEVC a MaxFlow v litroch/sek. Maximalizoval som to pomocou dvoch obrazoviek s podrobnosťami o Vol v priebehu času a Lit/s v priebehu času. Ciferníky sú vzorom pre FEV1 a FEVC a dobu tlače meračov a FEV1/FEVC. Ale pre tých, ktorí poznáte Blynk, viete, že to môžete urobiť ľubovoľným spôsobom v aplikácii pre telefón a stiahnuť údaje do svojho e -mailu dotykom.

Tlačidlá na boku nástroja sú prerušované v prípade, že ich chcete naprogramovať na aktiváciu stroja dychom alebo na zmenu výstupu obrazovky alebo na zmenu pripojenia Blynk, ak ho chcete používať offline. Tlačidlá ťahajú kolíky 0 a 35 nízko, takže to jednoducho napíšte do programu. COVID údajne zanechal mnohých s pretrvávajúcimi problémami s pľúcami a toto zariadenie môže byť nápomocné v krajinách, kde môže byť obmedzený prístup k drahému zdravotníckemu vybaveniu. Môžete to vytlačiť a zmontovať za niekoľko hodín a vytlačiť bezpečné náhradné kontaminované časti zariadenia zadarmo.

Druhé miesto v súťaži na batérie