Spirometro stampato in 3D: 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

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Progetti Fusion 360 »

Gli spirometri sono lo strumento classico per eseguire l'analisi dell'aria quando viene espulsa dalla bocca. Sono costituiti da un tubo in cui si soffia che registra il volume e la velocità di un respiro che vengono poi confrontati con un insieme di valori normali basati su altezza, peso e sesso e vengono utilizzati per seguire la funzione polmonare. Lo strumento che ho progettato, sebbene testato per la precisione con un flussometro non è in alcun modo un dispositivo medico certificato, ma in un pizzico potrebbe certamente passare per uno - dando resoconti relativi riproducibili e accurati dello standard FEV1, FEVC e grafici di volume resa e velocità nel tempo. L'ho progettato in modo che l'elettronica con il costoso sensore collegato fosse confinata in un pezzo e il tubo di soffiaggio facilmente usa e getta con i canali carichi di virus associati fosse in un altro. Questo sembra essere uno degli svantaggi delle macchine standard utilizzate clinicamente: i bocchini di cartone sostituibili non eliminano davvero tutti i rischi quando i virus sono nell'aria e ti viene chiesto di soffiare a lungo e con forza in un apparato molto costoso. Il costo del dispositivo è inferiore a $ 40 e chiunque abbia una stampante 3D può produrne quante ne vuole. Il software Wifi lo collega a un'app Blynk sul tuo smartphone per la visualizzazione e ti consente di scaricare tutti i dati che desideri.

Passaggio 1: acquista roba

In sostanza, stiamo costruendo un sensore analogico con un'ottima combinazione schermo/microcontrollore. L'importanza sta nella scelta del sensore giusto. Diversi altri progetti per questi dispositivi hanno utilizzato sensori che non hanno la sensibilità necessaria per fornire i dati per calcolare questi elementi respiratori. L'ESP32 ha problemi ben noti con la non linearità del suo ADC, ma questo non sembra essere significativo nella gamma di questa unità.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 Modulo WiFi bluetooth Scheda di sviluppo LCD da 1,14 pollici $ 8 Bangood

2. Sensore di pressione SDP816-125PA, CMOSens®, 125 Pa, analogico, differenziale $ 30 Newark, Digikey

3. Batteria Lipo -- 600mAh $2

4. Interruttore On/Off -- Pulsante di accensione/spegnimento/Interruttore a levetta a pulsante Adafruit

Passaggio 2: stampa 3D

Fusion 360 è stato utilizzato per progettare i due elementi di nidificazione dello spirometro. Il tubo Venturi (tubo di soffiaggio) ha una varietà di design. Per utilizzare l'equazione di Bernoulli per il calcolo del flusso è necessario avere una riduzione del volume del flusso nel tubo di misura. Questo principio è utilizzato in una varietà di sensori di flusso per tutti i tipi di fluidi a flusso laminare. Le dimensioni che ho usato nel tubo Venturi non provenivano da una fonte particolare, ma sembravano funzionare. Il sensore utilizza la pressione differenziale tra le aree del tubo stretto e largo per calcolare il volume del flusso. Volevo che il sensore fosse in grado di innestare facilmente e in modo reversibile il tubo Venturi per una rapida sostituzione e rimozione, quindi ho progettato i tubi del sensore di pressione in modo che uscissero dal modello e finissero alla sua base dove avrebbero agganciato le punte delle teste dei tubi del sensore. C'è una polarità alta/bassa al sensore che deve essere mantenuta dalle aree di alta/bassa pressione del tubo Venturi. L'alta pressione è nella sezione diritta e la bassa pressione è sopra la curva della restrizione, proprio come sull'ala di un aereo. Il corpo dello spirometro è accuratamente progettato per fornire supporti a vite per mantenere il sensore in posizione con viti M3 (20 mm). Questi sono inseriti in inserti M3x4x5mm termofissati. Il resto del design prevede l'ancoraggio del TTGO in uno slot in basso e una finestra per lo schermo. Il pulsante e il coperchio del pulsante sono entrambi stampati due volte e consentono l'accesso con custodia ai due pulsanti sulla scheda TTGO. La copertina è l'ultimo pezzo da stampare ed è progettata per consentire l'accesso per la spina di alimentazione/ricarica alla parte superiore della scheda TTGO. Tutti i pezzi sono stampati in PLA senza supporti.

Passaggio 3: collegalo

Non c'è molto nel cablaggio del sensore e dell'ESP32. Il sensore ha quattro cavi e dovresti scaricare la scheda tecnica del sensore solo per assicurarti di avere i cavi corretti: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf L'alimentazione va all'uscita a 3.3 Volt del ESP32 e terra e OCS sono entrambi collegati a terra. L'uscita analogica del sensore è collegata al pin 33 dell'ESP. Poiché questi collegamenti si snodano attraverso una stretta apertura nel guscio, non collegarli prima dell'assemblaggio dell'unità. La batteria Lipo si inserisce nella parte posteriore della custodia, quindi prendine una delle dimensioni appropriate per i mAh. Il TTGO ha un circuito di ricarica con un minuscolo connettore JST sul retro. Collegare la batteria a questo con l'interruttore on/off interrompendo la linea pos.

Passaggio 4: assemblaggio

La modifica post stampa 3D viene eseguita sul tubo di soffiaggio. Due sezioni di tubi di plastica per acquari sono inserite nei fori inferiori dell'unità fino in fondo e quindi tagliate a filo con le forbici. Ciò fornisce un'apertura elastica con cui le aperture del tubo del sensore possono accoppiarsi facilmente. L'unità principale richiede l'installazione di inserti in ottone termoindurente nei due fori del telaio. I fori di montaggio del sensore devono essere leggermente allargati per le viti da 3 mm (20 mm di lunghezza) con una punta di dimensioni adeguate. Montare il sensore con due viti e terminare i collegamenti elettrici alla scheda TTGO. Collegare e montare l'interruttore on/off con la supercolla. Usa quello di Adafruit poiché la custodia è progettata per tenerlo esattamente. I due pulsanti sono montati sulla custodia con supercolla. Assicurati che i pulsanti sulla scheda TTGO siano allineati sotto le aperture. Il pulsante viene installato seguito dall'alloggiamento del pulsante che è super incollato. Assicurati di non incollare il pulsante al suo alloggiamento, deve muoversi liberamente al suo interno. Per stabilizzare la parte superiore del TTGO, posiziona piccole gocce di colla a caldo su entrambe le spalle per tenerla in posizione. La batteria va posteriormente alla scheda. Terminate l'assemblaggio incollando la parte superiore. Dovrebbe esserci un facile accesso al connettore USB-C per la programmazione e la ricarica della batteria.

Passaggio 5: programmazione

Il software per questo strumento acquisisce il valore analogico dal sensore, ne modifica il valore in volt e utilizza la formula del foglio dati del sensore per convertirlo in Pascal di pressione. Da questo usa la formula di Bernoullis per determinare il vol/sec e la massa/sec dell'aria che passa attraverso il tubo. Quindi analizza questo in singoli respiri e ricorda i valori in diversi array di dati e presenta i dati sullo schermo integrato e infine chiama il server Blynk e lo carica sul telefono. I dati vengono ricordati solo fino a quando non fai un altro respiro. L'uso clinico di uno spirometro è comunemente fatto chiedendo al paziente di fare un respiro il più grande possibile ed espirarlo il più a lungo e con forza possibile. Gli algoritmi comunemente usati basati su altezza, peso e sesso vengono quindi descritti come normali o anormali. Vengono anche presentate diverse disposizioni di questi dati, ad esempio FEV1/FEVC --volume totale diviso per volume nel primo secondo. Tutti i parametri sono presentati sulla schermata Spirometri così come un piccolo grafico del tuo sforzo in vol nel tempo. Quando i dati sono stati caricati su Wifi, lo schermo torna su "Blow". Tutti i dati vengono persi dopo l'interruzione dell'alimentazione.

La prima sezione del codice richiede di inserire il token Blynk. Il prossimo richiede la password Wifi e il nome della rete. Float area_1 è l'area in mq del tubo spirometrico prima del restringimento e Float area_2 è l'area in sezione trasversale direttamente al restringimento. Cambia questi se vuoi ridisegnare il tubo. Vol e volSec sono i due array che mantengono l'aumento di volume nel tempo e la velocità del movimento dell'aria. La funzione loop inizia con il calcolo della frequenza respiratoria. La sezione successiva legge il sensore e calcola la pressione. La seguente dichiarazione if cerca di capire se hai finito con il tuo colpo: più difficile di quanto pensi, spesso la pressione scende improvvisamente per un millisecondo proprio nel mezzo del colpo. La sezione successiva calcola il flusso di massa in base alla pressione. Se viene rilevato un nuovo respiro, tutti i dati vengono congelati e i parametri calcolati e inviati allo schermo, seguiti da una funzione grafica e infine da una chiamata Blynk per caricare i dati. Se non viene rilevata alcuna connessione Blynk, tornerà a "Blow".

Passaggio 6: utilizzo

Questo strumento è ragionevolmente accurato per ciò che pretende di fare? Ho usato un flussometro calibrato collegato a una fonte d'aria passata attraverso una camera d'aria laminare stampata in 3D attaccata allo spirometro e ha previsto con precisione il flusso d'aria entro limiti ragionevoli da 5 lit/min a 20 lit/min. Il mio volume corrente a riposo sulla macchina è di circa 500 cc ed è molto riproducibile. Con qualsiasi test clinico devi tenere a mente ciò che è ragionevole in termini di beneficio di informazioni ricevuto rispetto allo sforzo … puoi pesarti al grammo più vicino ma con quale beneficio? Considerando la variabilità inerente allo sforzo di test volontario verso il risultato, può essere adeguato per la maggior parte delle situazioni cliniche. L'altra preoccupazione è che alcune persone con un'enorme capacità polmonare potrebbero superare il limite superiore del sensore. Non sono stato in grado di farlo, ma è possibile, ma è improbabile che queste persone abbiano problemi ai polmoni…

La prima schermata presenta FEV1 e FEVC. La schermata successiva dei dati presenta la Durata del colpo, il rapporto FEV1/FEVC e MaxFlow in Lit/Sec. L'ho massimizzato con due schermate che dettagliano Vol nel tempo e Lit/sec nel tempo. I quadranti simulano FEV1 e FEVC e i contatori stampano la durata e FEV1/FEVC. Ma per quelli di voi che hanno familiarità con Blynk, sappiate che potete farlo come volete sull'app del telefono e scaricare i dati sulla vostra e-mail con un tocco.

I pulsanti a lato dello strumento sono sfondati nel caso si voglia programmarli per attivare la macchina con un soffio o per variare l'uscita dello schermo o per cambiare la connessione Blynk se si vuole utilizzarla offline. I pulsanti tirano i pin 0 e 35 in basso, quindi scrivi questo nel programma. Il COVID ha presumibilmente lasciato molti con problemi polmonari persistenti e questo dispositivo potrebbe essere utile in quei paesi in cui l'accesso a costose apparecchiature mediche potrebbe essere limitato. Puoi stampare e assemblare questo in un paio d'ore e stampare sezioni contaminate sostitutive sicure del dispositivo per niente.

Secondo classificato nel concorso a batteria