DIY ventilátor pomocou bežného zdravotníckeho materiálu: 8 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Tento projekt poskytuje pokyny na montáž striedavého ventilátora na použitie v núdzových situáciách, keď nie je k dispozícii dostatok komerčných ventilátorov, ako je súčasná pandémia COVID-19. Výhodou tejto konštrukcie ventilátora je, že v podstate len automatizuje používanie ručného ventilačného zariadenia, ktoré je už široko používané a akceptované lekárskou komunitou. Navyše je možné ho zostaviť predovšetkým z komponentov, ktoré sú už k dispozícii vo väčšine nemocničných zariadení, a nevyžaduje si žiadnu vlastnú výrobu dielov (napr. 3D tlač, rezanie laserom atď.).

Vaková ventilová maska (BVM), známa tiež ako ručný resuscitátor, je ručné zariadenie používané na poskytovanie pozitívnej tlakovej ventilácie pacientom, ktorí potrebujú pomoc s dýchaním. Používajú sa na zaistenie dočasnej ventilácie pre pacientov, keď nie sú k dispozícii mechanické ventilátory, ale nepoužívajú sa dlhší čas, pretože vyžadujú, aby človek stláčal vrecko v pravidelných intervaloch dýchania.

Tento vlastnoručný ventilátor automatizuje stláčanie BVM, aby ho bolo možné použiť na ventiláciu pacienta na dobu neurčitú. Stláčanie sa dosahuje opakovaným nafukovaním/vyfukovaním manžety krvného tlaku omotanej okolo BVM. Väčšina nemocníc je vybavená vývodmi na stlačený vzduch a vákuom, ktoré je možné použiť na nafúknutie a vyfúknutie manžety krvného tlaku. Elektromagnetický ventil reguluje prietok stlačeného vzduchu, ktorý je riadený mikrokontrolérom Arduino.

Okrem BVM a manžety na krvný tlak (obidva sú už k dispozícii v nemocniciach) tento dizajn vyžaduje diely v hodnote menej ako 100 dolárov, ktoré je možné ľahko kúpiť u online predajcov, ako sú McMaster-Carr a Amazon. K dispozícii sú navrhované komponenty a odkazy na nákup, ale mnohé diely môžete zameniť za iné podobné komponenty, ak uvedené nie sú k dispozícii.

Poďakovanie:

Osobitné poďakovanie patrí profesorovi Ramovi Vasudevanovi z University of Michigan za financovanie tohto projektu a Mariame Runcie, MD z rezidencie Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency v Massachusetts General Hospital a Brigham and Women Hospital za požičanie jej lekárskych znalostí a poskytnutie spätnej väzby k konceptu.

Tiež chcem uznať Christophera Zahnera, MD a Aisena Chacina, PhD z UTMB, ktorí nezávisle konvergovali k podobnému dizajnu predtým, ako som uverejnil tento návod (spravodajský článok). Aj keď moje zariadenie nie je nové, dúfam, že toto podrobné účtovníctvo o tom, ako bolo postavené, bude užitočné pre ostatných, ktorí chcú koncept obnoviť alebo vylepšiť.

Zásoby

Lekárske komponenty:

-Maska ventilového vaku, ~ 30 dolárov (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

-manžeta na krvný tlak, ~ 17 dolárov (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Elektronické komponenty:

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

-3-cestný elektronický solenoidový ventil (12V), ~ 30 dolárov (https://www.mcmaster.com/61975k413)

-12 V nástenný adaptér, ~ 10 USD (https://www.amazon.com/gp/product/B01GD4ZQRS)

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

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

-Miniatúrna doska, ~ 1 dolár (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-Jednožilový drôt, ~ 15 dolárov za celú sadu rôznych farieb (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Ďalšie komponenty:

-Mosadzná armatúra s ostnatou hadicou so závitom 10-32, ~ 4 doláre (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) Plastová armatúra s ostnatou rúrkou so závitmi 1/4 NPT, ~ 1 dolár (https://www.mcmaster.com/5372k121)

-Plastová vložka, <1 dolár (https://www.mcmaster.com/94639a258)

-(x2) Kyslíkové skúmavky odolné voči rozdrveniu, ~ 10 dolárov (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Malý box alebo iný kontajner, ktorý bude slúžiť ako elektronika a teleso ventilu

Krok 1: Zapojte elektroniku

Pomocou drôtu s plným jadrom a miniatúrneho breadboardu pripojte Arduino, TIP 120 a potenciometer podľa schémy zapojenia. Môžete tiež chcieť pásku alebo horúce lepidlo Arduino a dosku na kus lepenky, pretože to pomôže obmedziť náhodné ťahanie za drôty.

Všimnite si toho, že 1k odpor je voliteľný. Funguje to ako poistka proti elektrickým skratom, ale ak ho nemáte položený, stačí ho nahradiť drôtom a všetko by malo fungovať v poriadku.

Arduino nemôže poháňať ventil priamo, pretože vyžaduje viac energie, ako môžu dodať výstupné kolíky Arduina. Namiesto toho Arduino poháňa tranzistor TIP 120, ktorý funguje ako spínač na zapínanie a vypínanie ventilu.

Potenciometer funguje ako „gombík na úpravu dychovej frekvencie“. Vyladením nastavenia hrnca sa zmení napäťový signál na pin Arduino A0. Kód spustený na zariadení Arduino prevádza toto napätie na „rýchlosť dýchania“a nastavuje rýchlosť otvárania a zatvárania ventilu, aby sa s ním zhodovala.

Krok 2: Zapojte elektronický elektromagnetický ventil

Elektronický ventil sa nedodáva s pripojenými vodičmi, takže sa to musí vykonať ručne.

Najprv odstráňte horný kryt pomocou krížového skrutkovača, aby ste odhalili jeho tri skrutkové svorky V+, V- a GND (na fotografii zistíte, ktorý je ktorý)

Potom pripevnite drôty ich upnutím pomocou skrutiek. Navrhoval by som použiť oranžový alebo žltý vodič pre V+ (alebo akúkoľvek farbu, ktorú ste použili pre vodič 12 v predchádzajúcom kroku), modrú alebo čiernu pre V- a čiernu pre GND (alebo akúkoľvek farbu, ktorú ste použili pre vodič GND na predchádzajúci krok. Na V- a GND som použil čiernu farbu, ale na drôt GND som dal malý kúsok pásky, aby som ich mohol rozlíšiť.

Akonáhle sú drôty pripevnené, nasaďte kryt späť a zaskrutkujte ho na miesto.

Potom zapojte vodiče k doske, ako je znázornené v aktualizovanej schéme zapojenia.

Pre prehľadnosť je priložený aj schéma zapojenia, ale ak tento typ notácie nepoznáte, môžete ho jednoducho ignorovať:)

Krok 3: Nahrajte kód Arduino a otestujte elektroniku

Ak ho ešte nemáte, stiahnite si Arudino IDE alebo otvorte webový editor Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Ak používate webový editor Arduino Create, k náčrtu tohto projektu sa môžete dostať tu. Ak vo svojom počítači lokálne používate Arduino IDE, náčrt si môžete stiahnuť z tohto návodu.

Otvorte skicu, pripojte Arduino k počítaču pomocou kábla USB tlačiarne a nahrajte skicu do Arduina. Ak máte problémy s odovzdaním náčrtu, pomoc nájdete tu.

Teraz zapojte napájanie 12V. Ventil by mal pravidelne vydávať cvaknutie a rozsvietiť sa, ako je znázornené na videu. Ak otáčate potenciometrom v smere hodinových ručičiek, mal by sa prepínať rýchlejšie a pomalšie, ak ho otáčate proti smeru hodinových ručičiek. Ak to nie je správanie, ktoré vidíte, vráťte sa a skontrolujte všetky predchádzajúce kroky.

Krok 4: Pripojte konektory ostnatej trubice k ventilu

Ventil má tri porty: A, P a výfukový. Keď je ventil neaktívny, A je pripojený k výfuku a P je zatvorený. Keď je ventil aktívny, A je pripojené k P a výfuk je zatvorený. Pripojíme P k zdroju stlačeného vzduchu, A k manžete krvného tlaku a výfuku k vákuu. Pri tejto konfigurácii sa manžeta krvného tlaku nafúkne, keď je ventil aktívny, a vyfúkne sa, keď je ventil neaktívny.

Výfukový port je navrhnutý tak, aby bol otvorený iba atmosfére, ale musíme ho pripojiť k vákuu, aby sa manžeta krvného tlaku vyprázdnila rýchlejšie. Za týmto účelom najskôr odstráňte čierny plastový kryt pokrývajúci výfukový port. Potom umiestnite plastovú vložku na odkryté závity a na vrch pripevnite mosadzný ostnatý konektor.

Pripojte plastové ostnaté konektory k portom A a P. Utiahnite kľúčom, aby nedošlo k úniku.

Krok 5: Vytvorte kryt pre elektroniku

Pretože žiadny z drôtov nie je spájkovaný na svojom mieste, je dôležité ich chrániť pred náhodným potiahnutím a odpojením. To sa dá dosiahnuť ich umiestnením do ochranného krytu.

Na bývanie som použil malú kartónovú škatuľu (jedna z prepravných škatúľ McMaster, niektoré časti prišli). Môžete tiež použiť malý kontajner s tupperwarom alebo niečo elegantnejšie, ak si to želáte.

Do nádoby najskôr rozložte ventil, Arduino a miniatúrne doštičku. Potom do nádoby vypichnite/vyvŕtajte otvory pre napájací kábel 12V a vzduchové trubice. Akonáhle sú otvory hotové, horúce lepidlo, pásku alebo zips zaviažte ventil, Arduino a dosku na požadované miesta.

Krok 6: Omotajte manžetu krvného tlaku okolo BVM

Odpojte nafukovaciu žiarovku z manžety krvného tlaku (mali by ste ju môcť iba vytiahnuť). V nasledujúcom kroku bude táto trubica pripojená k elektronickému ventilu.

Omotajte manžetu krvného tlaku okolo BVM. Uistite sa, že je manžeta čo najtesnejšia bez toho, aby sa vak zrútil.

Krok 7: Pripojte vzduchové trubice

Posledným krokom je pripojenie manžety krvného tlaku, zdroja stlačeného vzduchu a zdroja vákua k elektronickému ventilu.

Pripojte manžetu krvného tlaku k terminálu A ventilu.

Pomocou kyslíkovej trubice pripojte koncovku P ventilu k zdroju stlačeného vzduchu. Väčšina nemocníc by mala mať k dispozícii vývody stlačeného vzduchu pri tlaku 4 bary (58 psi) (zdroj).

Pomocou ďalšej kyslíkovej trubice pripojte výfukový terminál ventilu k zdroju vákua. Väčšina nemocníc by mala mať k dispozícii vákuové vývody pri 400 mmHg (7,7 psi) pod atmosférou (zdroj).

Zariadenie je teraz kompletné okrem potrebných trubíc/adaptérov na pripojenie vývodu BVM k pacientovým pľúcam. Nie som zdravotnícky pracovník, takže som tieto komponenty do návrhu nezahrnul, ale predpokladá sa, že budú k dispozícii v akomkoľvek nemocničnom prostredí.

Krok 8: Otestujte zariadenie

Pripojte zariadenie. Ak je všetko správne zapojené, manžeta krvného tlaku by sa mala pravidelne nafúknuť a vyfúknuť, ako je znázornené na videu.

Nie som zdravotnícky pracovník, takže nemám prístup k nemocničným vývodom stlačeného vzduchu alebo vákua. Preto som na otestovanie zariadenia u mňa doma použil malý vzduchový kompresor a vákuovú pumpu. Regulátor tlaku na kompresore som nastavil na 4 bary (58 psi) a vákuum na -400 mmHg (-7,7 psi), aby som čo najlepšie simuloval nemocničné vývody.

Niektoré zrieknutia sa zodpovednosti a veci, ktoré je potrebné zvážiť:

-Dýchaciu frekvenciu je možné nastaviť otočením potenciometra (medzi 12-40 dychmi za minútu). Použitím nastavenia stlačeného vzduchu/vákua som si všimol, že pri dychových frekvenciách vyšších ako ~ 20 dychov za minútu manžeta krvného tlaku nemá čas na úplné vypustenie medzi dychmi. Toto nemusí byť problém pri použití nemocničných vzduchových výstupov, ktoré, ako predpokladám, môžu poskytovať vyššie prietoky bez veľkého poklesu tlaku, ale nie som si istý.

-Ventil vaku nie je pri každom nádychu úplne stlačený. To môže mať za následok nedostatočné pumpovanie vzduchu do pľúc pacienta. Testovanie na figuríne lekárskych dýchacích ciest by mohlo odhaliť, či je to tak. Ak je to tak, možno by to bolo možné napraviť predĺžením času nafukovania počas každého dychu, čo by vyžadovalo úpravu kódu Arduino.

-Netestoval som maximálnu tlakovú kapacitu manžety na krvný tlak. 4 bary je oveľa vyšší ako tlak, ktorý sa bežne používa na meranie krvného tlaku. Počas môjho testovania sa manžeta krvného tlaku nerozbila, ale to neznamená, že by sa to nemohlo stať, ak by sa tlak v manžete nechal úplne vyrovnať pred defláciou.

-A BVM je navrhnutý tak, aby poskytoval vzduchovú podporu bez akýchkoľvek ďalších hadičiek medzi ventilom a nosom/ústami pacienta. Preto by pre skutočnú aplikáciu mala byť dĺžka hadičky medzi BVM a pacientom minimálna.

-Táto konštrukcia ventilátora nie je schválená FDA a mala by byť považovaná iba za možnosť POSLEDNÉHO REZERVÁCIE. Bol zámerne navrhnutý tak, aby sa dal ľahko zostaviť z nemocničného vybavenia a komerčných dielov v situáciách, kde lepšie/sofistikovanejšie alternatívy jednoducho nie sú k dispozícii. Vylepšenia sa odporúčajú!