Ventilatore fai-da-te che utilizza forniture mediche comuni: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Questo progetto fornisce istruzioni per l'assemblaggio di un ventilatore di fortuna da utilizzare in scenari di emergenza quando non sono disponibili abbastanza ventilatori commerciali, come l'attuale pandemia di COVID-19. Un vantaggio di questo design del ventilatore è che essenzialmente automatizza semplicemente l'uso di un dispositivo di ventilazione manuale che è già ampiamente utilizzato e accettato dalla comunità medica. Inoltre, può essere assemblato principalmente da componenti già disponibili nella maggior parte degli ambienti ospedalieri e non richiede la fabbricazione personalizzata di alcuna parte (ad esempio stampa 3D, taglio laser, ecc.).

Una maschera con valvola a sacco (BVM), nota anche come rianimatore manuale, è un dispositivo portatile utilizzato per fornire ventilazione a pressione positiva ai pazienti che necessitano di assistenza respiratoria. Sono utilizzati per fornire ventilazione temporanea ai pazienti quando i ventilatori meccanici non sono disponibili, ma non vengono utilizzati per lunghi periodi di tempo perché richiedono che un essere umano comprima la sacca a intervalli regolari di respirazione.

Questo ventilatore fai da te automatizza la spremitura di un BVM in modo che possa essere utilizzato per ventilare un paziente per un periodo di tempo indefinito. La spremitura si ottiene gonfiando/sgonfiando ripetutamente un bracciale per la pressione sanguigna avvolto attorno al BVM. La maggior parte degli ospedali è dotata di prese a muro per aria compressa e vuoto, che possono essere utilizzate rispettivamente per gonfiare e sgonfiare il bracciale per la pressione sanguigna. Un'elettrovalvola regola il flusso di aria compressa, che è controllata da un microcontrollore Arduino.

Oltre al BVM e al bracciale per la pressione sanguigna (entrambi sono già disponibili negli ospedali), questo design richiede meno di $ 100 di parti, che possono essere facilmente acquistate da venditori online come McMaster-Carr e Amazon. Vengono forniti i componenti suggeriti e i collegamenti per l'acquisto, ma è possibile scambiare molte delle parti con altri componenti simili se quelli elencati non sono disponibili.

Ringraziamenti:

Un ringraziamento speciale al Professor Ram Vasudevan dell'Università del Michigan per aver finanziato questo progetto e Mariama Runcie, M. D. della Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency presso il Massachusetts General Hospital e il Brigham and Women's Hospital per aver prestato la sua esperienza medica e fornito feedback sul concetto.

Voglio anche ringraziare Christopher Zahner, M. D. e Aisen Chacin, PhD dell'UTMB, che sono convergenti indipendentemente su un progetto simile prima di pubblicare questo Instructable (articolo di notizie). Sebbene il mio dispositivo non sia nuovo, spero che questo resoconto dettagliato di come è stato costruito si riveli utile ad altri che cercano di ricreare o migliorare il concetto.

Forniture

Componenti medici:

-Maschera con valvola a sacco, ~ $ 30 (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

- Polsino per la pressione sanguigna, ~ $ 17 (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Componenti elettronici:

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

-Elettrovalvola elettronica a 3 vie (12V), ~$30 (https://www.mcmaster.com/61975k413)

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

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

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

-Breadboard in miniatura, ~$1 (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-Cavo unipolare, ~ $ 15 per un intero set di colori diversi (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Altri componenti:

-Raccordo per tubo flessibile in ottone con filettature 10-32, ~ $ 4 (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) Raccordo per tubo spinato in plastica con filettature 1/4 NPT, ~$1 (https://www.mcmaster.com/5372k121)

-Distanziatore in plastica, <$1 (https://www.mcmaster.com/94639a258)

-(x2) Tubi di ossigeno resistenti allo schiacciamento, ~$10 (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Piccola scatola o altro contenitore per fungere da elettronica e alloggiamento della valvola

Passaggio 1: collegare l'elettronica

Usando il cavo a nucleo solido e la breadboard in miniatura, collega Arduino, TIP 120 e potenziometro come mostrato nello schema elettrico. Potresti anche voler incollare o incollare a caldo l'Arduino e la breadboard su un pezzo di cartone, in quanto ciò contribuirà a limitare lo strappo accidentale dei fili.

Notare che il resistore da 1k è opzionale. Funziona come un'assicurazione contro i cortocircuiti elettrici, ma se non ne hai uno in giro puoi semplicemente sostituirlo con un filo e tutto dovrebbe funzionare ancora bene.

L'Arduino non può pilotare direttamente la valvola perché richiede più potenza di quella che i pin di uscita dell'Arduino possono fornire. Invece, Arduino pilota il transistor TIP 120, che agisce come un interruttore per accendere e spegnere la valvola.

Il potenziometro funge da "manopola di regolazione della frequenza respiratoria". Modificando l'impostazione del potenziometro, il segnale di tensione viene modificato nel pin A0 di Arduino. Il codice in esecuzione su Arduino converte quella tensione in una "frequenza respiratoria" e imposta la velocità di apertura e chiusura della valvola in modo che corrisponda ad essa.

Passaggio 2: collegare l'elettrovalvola a solenoide

La valvola elettronica non viene fornita con alcun cavo collegato ad essa, quindi questa operazione deve essere eseguita manualmente.

Innanzitutto, rimuovere il coperchio superiore utilizzando un cacciavite a croce per esporre i suoi tre terminali a vite, V+, V- e GND (consultare la foto per determinare quale è quale)

Quindi, collegare i fili fissandoli con le viti. Suggerirei di usare un filo arancione o giallo per V+ (o qualsiasi colore tu abbia usato per il filo 12V nel passaggio precedente), blu o nero per V- e nero per GND (o qualunque colore tu abbia usato per il filo GND sul passaggio precedente Ho usato il nero sia per V- che per GND ma ho messo un pezzetto di nastro adesivo sul filo GND in modo da poterli distinguere.

Una volta che i fili sono collegati, rimetti il coperchio e avvitalo in posizione.

Quindi, collegare i fili alla breadboard come mostrato nello schema elettrico aggiornato.

Per chiarezza, è incluso anche uno schema circuitale, ma se non hai familiarità con quel tipo di notazione puoi semplicemente ignorarlo:)

Passaggio 3: caricare il codice Arduino e testare l'elettronica

Se non lo hai già, scarica l'IDE Arudino o apri l'editor web Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Se stai usando l'editor web Arduino Create, puoi accedere allo sketch per questo progetto qui. Se stai utilizzando l'IDE Arduino localmente sul tuo computer, puoi scaricare lo schizzo da questo Instructable.

Apri lo schizzo, collega Arduino al computer utilizzando un cavo per stampante USB e carica lo schizzo su Arduino. Se hai problemi a caricare lo schizzo, puoi trovare aiuto qui.

Ora collega l'alimentatore a 12V. La valvola dovrebbe emettere periodicamente un clic e accendersi, come mostrato nel video. Se ruoti la manopola del potenziometro in senso orario, dovrebbe cambiare più velocemente e più lentamente se la giri in senso antiorario. Se questo non è il comportamento che stai riscontrando, torna indietro e controlla tutti i passaggi precedenti.

Passaggio 4: collegare i connettori del tubo spinato alla valvola

La valvola ha tre porte: A, P e Scarico. Quando la valvola è inattiva, A è collegata a Scarico e P è chiusa. Quando la valvola è attiva, A è collegata a P e lo scarico è chiuso. Collegheremo P a una fonte di aria compressa, A al bracciale per la pressione sanguigna e Scarico a un vuoto. Con questa configurazione, il bracciale per la pressione sanguigna si gonfia quando la valvola è attiva e si sgonfia quando la valvola è inattiva.

La porta di scarico è progettata per essere aperta solo all'atmosfera, ma dobbiamo collegarla a un vuoto in modo che il bracciale per la pressione sanguigna si sgonfi più rapidamente. Per fare ciò, rimuovere prima il cappuccio di plastica nero che copre la porta di scarico. Quindi posizionare il distanziatore di plastica sui fili esposti e fissare il connettore spinato in ottone sulla parte superiore.

Collegare i connettori spinati in plastica alle porte A e P. Serrare con una chiave per evitare perdite.

Passaggio 5: creare un alloggiamento per l'elettronica

Poiché nessuno dei fili è saldato in posizione, è importante proteggerli da strattoni e scollegamenti accidentali. Questo può essere fatto mettendoli in un alloggiamento protettivo.

Per l'alloggiamento, ho usato una piccola scatola di cartone (una delle scatole di spedizione di McMaster sono arrivate alcune delle parti). Puoi anche usare un piccolo contenitore tupperware, o qualcosa di più elaborato, se lo desideri.

Per prima cosa, disponi la valvola, Arduino e la breadboard in miniatura nel contenitore. Quindi praticare dei fori nel contenitore per il cavo di alimentazione da 12 V e i tubi dell'aria. Una volta che i fori sono finiti, colla a caldo, nastro adesivo o fascetta con cerniera la valvola, Arduino e la breadboard nei punti desiderati.

Passaggio 6: avvolgere il bracciale per la pressione sanguigna intorno a BVM

Scollegare il bulbo di gonfiaggio dal bracciale per la pressione sanguigna (dovresti essere in grado di rimuoverlo semplicemente). Nella fase successiva, questo tubo sarà collegato alla valvola elettronica.

Avvolgere il bracciale per la pressione sanguigna attorno al BVM. Assicurati che il polsino sia il più stretto possibile senza far crollare la borsa.

Passaggio 7: collegare i tubi dell'aria

Il passaggio finale consiste nel collegare il bracciale per la pressione sanguigna, la fonte di aria compressa e la fonte di vuoto alla valvola elettronica.

Collegare il bracciale per la misurazione della pressione sanguigna al terminale A della valvola.

Utilizzando un tubo dell'ossigeno, collegare il terminale P della valvola alla fonte di aria compressa. La maggior parte degli ospedali dovrebbe disporre di prese d'aria compressa disponibili a una pressione di 4 bar (58 psi) (fonte).

Utilizzando un altro tubo dell'ossigeno, collegare il terminale di scarico della valvola alla fonte del vuoto. La maggior parte degli ospedali dovrebbe avere prese del vuoto disponibili a 400 mmHg (7,7 psi) sotto l'atmosfera (fonte).

Il dispositivo è ora completo ad eccezione dei tubi/adattatori necessari per collegare l'uscita del BVM ai polmoni di un paziente. Non sono un operatore sanitario, quindi non ho incluso quei componenti nella progettazione, ma si presume che sarebbero disponibili in qualsiasi ambiente ospedaliero.

Passaggio 8: testare il dispositivo

Collega il dispositivo. Se tutto è collegato correttamente, il bracciale per la pressione sanguigna dovrebbe gonfiarsi e sgonfiarsi periodicamente, come mostrato nel video.

Non sono un operatore sanitario, quindi non ho accesso all'aria compressa dell'ospedale o alle prese del vuoto. Pertanto, ho utilizzato un piccolo compressore d'aria e una pompa a vuoto per testare il dispositivo a casa mia. Ho impostato il regolatore di pressione sul compressore a 4 bar (58 psi) e il vuoto a -400 mmHg (-7,7 psi) per simulare al meglio le prese dell'ospedale.

Alcuni disclaimer e cose da considerare:

-La frequenza respiratoria può essere regolata ruotando il potenziometro (tra 12-40 respiri al minuto). Usando la mia configurazione di aria compressa/vuoto, ho notato che per frequenze di respirazione superiori a ~ 20 respiri al minuto il bracciale per la pressione sanguigna non ha il tempo di sgonfiarsi completamente tra un respiro e l'altro. Questo potrebbe non essere un problema quando si utilizzano prese d'aria ospedaliere che presumo possano fornire portate più elevate senza un calo di pressione, ma non lo so per certo.

-La valvola a sacca non è completamente compressa durante ogni respiro. Ciò può comportare il pompaggio di aria insufficiente nei polmoni del paziente. I test su un manichino medico delle vie aeree potrebbero rivelare se questo è il caso. In tal caso, è possibile rimediare aumentando il tempo di gonfiaggio durante ogni respiro, il che richiederebbe la modifica del codice Arduino.

-Non ho testato la capacità massima di pressione per il bracciale per la pressione sanguigna. 4 bar sono molto più alti della pressione normalmente richiesta per la misurazione della pressione sanguigna. Il bracciale per la pressione sanguigna non si è rotto durante i miei test, ma ciò non significa che non potrebbe accadere se la pressione nel bracciale è stata lasciata equalizzare completamente prima di sgonfiarsi.

-Un BVM è progettato per fornire supporto aereo senza tubi aggiuntivi tra la valvola e il naso/bocca del paziente. Pertanto, per un'applicazione reale, la lunghezza del tubo tra il BVM e il paziente dovrebbe essere ridotta al minimo.

-Questo design del ventilatore non è approvato dalla FDA e deve essere considerato solo come un'opzione LAST RESORT. È stato progettato intenzionalmente per essere facile da assemblare da apparecchiature ospedaliere e parti commerciali per situazioni in cui semplicemente non sono disponibili alternative migliori/più sofisticate. I miglioramenti sono incoraggiati!