3D -trykt spirometer: 6 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Av rabbitcreekFølg Mer av forfatteren:

Fusion 360 -prosjekter »

Spirometre er det klassiske instrumentet for å utføre parsing av luft når den blåses ut av munnen. De består av et rør som du blåser inn i som registrerer volumet og hastigheten til ett pust som deretter blir sammenlignet med et sett med normale verdier basert på høyde, vekt og kjønn og brukes til å følge lungefunksjonen. Instrumentet jeg designet, selv om det er testet for nøyaktighet med et strømningsmåler, er ikke på noen måte et sertifisert medisinsk utstyr, men i en klemme kan det absolutt gå forbi ett-gi relative reproduserbare og nøyaktige beretninger om standard FEV1, FEVC og volumgrafer. utgang og hastighet over tid. Jeg designet det slik at elektronikken med den dyre festede sensoren var begrenset til ett stykke og det lett disponible blåserøret med tilhørende virusbelastede kanaler var i et annet. Dette ser ut til å være en av ulempene med standardmaskiner som brukes klinisk - utskiftbare pappmunnstykker eliminerer egentlig ikke alle risikoer når virus blir luftbårne og du blir bedt om å blåse lenge og hardt inn i et veldig dyrt apparat. Kostnaden for enheten er under $ 40, og alle med en 3D -skriver kan slå ut så mange de vil. Programvaren Wifi kobler den til en Blynk -app på smarttelefonen din for visualisering og lar deg laste ned data du ønsker.

Trinn 1: Kjøp ting

I hovedsak bygger vi en analog sensor med en flott kombinasjon av skjerm/mikrokontroller. Viktigheten er å velge riktig sensor. Flere andre design for disse enhetene har brukt sensorer som mangler følsomhet som er nødvendig for å gi dataene for å beregne disse pusteelementene. ESP32 har velkjente problemer med ikke -lineæriteten til ADC, men dette ser ikke ut til å være vesentlig i området til denne enheten.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi bluetooth-modul 1,14 tommers LCD-utviklingstavle $ 8 Bangood

2. SDP816-125PA trykksensor, CMOSens®, 125 Pa, analog, differensial $ 30 Newark, Digikey

3. Lipo -batteri - 600 mah $ 2

4. På / Av-bryter-Av / på-knapp / trykknapp-bryter Adafruit

Trinn 2: 3D -utskrift

Fusion 360 ble brukt til å designe de to hekkeelementene i Spirometeret. Venturi -røret (blåserør) har en rekke design. For å bruke Bernoulli -ligningen for beregning av strømning må du ha en viss reduksjon i volumet av strømning i målerøret. Dette prinsippet brukes i en rekke strømningssensorer for alle slags laminære strømningsvæsker. Dimensjonene jeg brukte i Venturi -røret var fra ingen spesiell kilde, men de så bare ut til å fungere. Sensoren bruker differensialtrykket over de smale og brede rørområdene for å beregne strømningsvolum. Jeg ønsket at sensoren enkelt og reversibelt kunne koble inn Venturi -røret for rask endring og fjerning, så jeg designet trykksensorrørene slik at de ledet ut av modellen og ender ved foten hvor de vil koble spissene på sensorrørhodene. Det er en høy/lav polaritet til sensoren som må opprettholdes fra høyt/lavtrykksområdene i Venturi -røret. Høytrykket er i den rette delen og lavtrykket er over kurven for begrensningen-akkurat som over en flyvinge. Spirometerets kropp er nøye designet for å gi skruefester for å holde sensoren på plass med M3 (20 mm) skruer. Disse er plassert i varmesatte M3x4x5mm innlegg. Resten av designet gir forankring av TTGO i et spor nederst og et vindu for skjermen. Knappen og knappedekslet skrives ut to ganger og gir tilgang til de to knappene på TTGO-kortet. Dekselet er det siste stykket som skal skrives ut og er designet for å gi tilgang til strøm-/ladepluggen til toppen av TTGO -kortet. Alle brikkene er trykt i PLA uten støtte.

Trinn 3: Koble den

Det er ikke mye med ledningene til sensoren og ESP32. Sensoren har fire ledninger, og du bør laste ned databladet for sensoren bare for å være sikker på at ledningene er riktige: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Strømmen går til 3,3 volt utgang på ESP32 og bakken og OCS er begge koblet til bakken. Sensorens analoge utgang er koblet til pin 33 på ESP. Siden disse forbindelsene slanger seg gjennom en smal åpning i skallet, må du ikke koble dem til før enheten monteres. Lipo -batteriet passer bak i saken, så kjøp et som er passende størrelse for mAh. TTGO har en ladekrets med en liten JST -kontakt på baksiden. Koble batteriet til dette med av/på -bryteren som bryter pos -linjen.

Trinn 4: Montering

Etter 3D -utskrift modifiseres det til blåserøret. To seksjoner av plastakvariumrør er montert i enhetens bunnhull så langt de kommer, og deretter trimmet de med klippere. Dette gir en elastisk åpning for sensorrøråpningene å enkelt parre seg med. Hovedenheten krever installasjon av varmesett messinginnsatser i de to hullene i rammen. Sensorens monteringshull må forstørres litt for 3 mm (20 mm lengde) skruer med en passende størrelse. Monter sensoren med to skruer og avslutt de elektriske tilkoblingene til TTGO -kortet. Koble til og monter på/av -bryteren med superlim. Bruk den fra Adafruit ettersom saken er designet for å holde den nøyaktig. De to knappene er montert på etuiet med superlim. Sørg for at knappene på TTGO -kortet står på linje under åpningene. Knappen er installert etterfulgt av knapphuset som er limt. Pass på at du ikke limer knappen til huset, den må bevege seg fritt i den. For å stabilisere TTGO øvre seksjon, legg små klatter med varmt lim på hver skulder for å holde den på plass. Batteriet går bak på brettet. Fullfør monteringen ved å lime toppen på. Det bør være lett tilgang til USB-C-kontakten for programmering og batterilading.

Trinn 5: Programmering

Programvaren for dette instrumentet tar inn den analoge verdien fra sensoren, endrer verdien til volt og bruker formelen fra sensordatabladet for å konvertere den til Pascals of pressure. Fra dette bruker den Bernoullis -formelen for å bestemme vol/sek og masse/sek av luft som går gjennom røret. Den analyserer dette deretter i individuelle åndedrag og husker verdiene i flere dataarrays og presenterer dataene på den innebygde skjermen og ringer til slutt Blynk -serveren og laster dem opp til telefonen. Dataene huskes bare til du trekker pusten igjen. Den kliniske bruken av et spirometer gjøres vanligvis ved å be pasienten om å ta et så stort pust som mulig og blåse det ut så lenge og hardt de kan. Vanlige algoritmer basert på høyde, vekt og kjønn blir deretter beskrevet som normale eller unormale. Ulike ordninger for disse dataene blir også presentert, dvs. FEV1/FEVC -totalt volum delt på volum i det første sekundet. Alle parameterne presenteres på Spirometers skjermen, samt en liten graf over innsatsen din i volum over tid. Når data er lastet opp til Wifi, går skjermen tilbake til "Blow". Alle data går tapt etter at strømmen er slått av.

Den første delen av koden krever at du legger inn ditt Blynk -token. Det neste krever Wifi -passord og nettverksnavn. Flyteområde_1 er arealet i kvadratmeter av spirometerrøret før innsnevring og Flyteområde_2 er arealet i tverrsnitt direkte ved innsnevringen. Endre disse hvis du vil redesigne røret. Vol og volSec er de to matrisene som holder volumøkningen over tid og hastigheten på luftbevegelsen. Sløyfefunksjonen starter med å beregne pustefrekvenser. Den neste delen leser sensoren og beregner trykk. Følgende if-setning prøver å finne ut om du er ferdig med slaget ditt-vanskeligere enn du tror, ofte faller trykket plutselig i et millisekund midt i slaget. Den neste delen beregner massestrømmen basert på trykket. Hvis et nytt åndedrag oppdages, fryses alle data og parametere beregnes og sendes til skjermen, etterfulgt av en graffunksjon og til slutt et Blynk -anrop for å laste opp dataene. Hvis det ikke oppdages en Blynk -tilkobling, går den tilbake til "Blow".

Trinn 6: Bruk den

Er dette instrumentet rimelig nøyaktig for det det påstås å gjøre? Jeg brukte en kalibrert strømningsmåler som er koblet til en luftkilde som passerte gjennom et 3D -trykt laminært luftkammer festet til spirometeret, og det forutslo nøyaktig luftstrømmen fra 5 lit/min til 20 lit/min. Mitt tidevannsvolum på maskinen er omtrent 500cc og veldig reproduserbart. Ved enhver klinisk testing må du huske på hva som er rimelig når det gjelder mottatt informasjonsfordel kontra innsats … du kan veie deg til nærmeste gram, men til hvilken fordel? Tatt i betraktning variabiliteten som er forbundet med frivillige testforsøk mot resultatet, kan det være tilstrekkelig for de fleste kliniske situasjoner. Den andre bekymringen er at noen mennesker med stor lungekapasitet kan overstige den øvre sensorgrensen. Jeg klarte ikke å gjøre dette, men det er mulig, men disse menneskene har sannsynligvis ikke lungeproblemer …

Den første skjermen viser FEV1 og FEVC. Den neste dataskjermen viser slagvarighet, FEV1/FEVC -forhold og MaxFlow i Lit/sek. Jeg maksimerte det med to skjermer som beskriver Vol over tid og Lit/sek over tid. Skivene viser FEV1 og FEVC og målernes utskriftstid og FEV1/FEVC. Men for de av dere som er kjent med Blynk, vet du at du kan gjøre dette som du vil i telefonappen og laste ned dataene til e -posten din med et trykk.

Knappene på siden av instrumentet er brutt ut hvis du vil programmere dem for å aktivere maskinen med et pust eller for å variere skjermytelsen eller for å endre Blynk-tilkoblingen hvis du vil bruke den offline. Knappene trekker pinnene 0 og 35 lavt, så bare skriv dette inn i programmet. COVID har angivelig etterlatt mange med langvarige lungeproblemer, og denne enheten kan være nyttig i de landene hvor tilgangen til dyrt medisinsk utstyr kan være begrenset. Du kan skrive ut og montere dette på et par timer og skrive ut sikre, forurensede deler av enheten for ingenting.

Andreplass i den batteridrevne konkurransen