3D -tryckt spirometer: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:36

Av rabbitcreekFölj mer av författaren:

Fusion 360 -projekt »

Spirometrar är det klassiska instrumentet för att analysera luft när den blåses ur munnen. De består av ett rör som du blåser in i som registrerar volymen och hastigheten för ett andetag som sedan jämförs med en uppsättning normala värden baserat på höjd, vikt och kön och används för att följa lungfunktionen. Instrumentet jag konstruerade, även om det testats för noggrannhet med en flödesmätare, är inte på något sätt en certifierad medicinsk utrustning, men i en nypa kan det säkert passera för en-vilket ger relativa reproducerbara och exakta redogörelser för standard FEV1, FEVC och volymgrafer. utmatning och hastighet över tid. Jag konstruerade det så att elektroniken med den dyra bundna sensorn var begränsad till ett stycke och det lätt engångsblåsröret med tillhörande virusbelastade kanaler fanns i ett annat. Detta verkar vara en av nackdelarna med standardmaskiner som används kliniskt - utbytbara kartongmunstycken eliminerar inte riktigt alla risker när virus är luftburna och du blir ombedd att blåsa länge och hårt i en mycket dyr apparat. Kostnaden för enheten är under $ 40 och alla med en 3D -skrivare kan slå ut så många de vill. Programvaran Wifi ansluter den till en Blynk -app på din smartphone för visualisering och låter dig ladda ner all data du vill ha.

Steg 1: Köp saker

I huvudsak bygger vi en analog sensor med en bra kombination av skärm/mikrokontroller. Vikten är att välja rätt sensor. Flera andra konstruktioner för dessa enheter har använt sensorer som saknar den känslighet som krävs för att tillhandahålla data för att beräkna dessa andningselement. ESP32 har välkända problem med ADC: s olinearitet, men det verkar inte vara betydande inom denna enhets intervall.

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

2. SDP816-125PA trycksensor, CMOSens®, 125 Pa, analog, differens $ 30 Newark, Digikey

3. Lipo -batteri - 600 mah $ 2

4. På / Av-omkopplare-På-av-strömknapp / tryckknapp Växelbrytare Adafruit

Steg 2: 3D -utskrift

Fusion 360 användes för att utforma de två häckande elementen i Spirometern. Venturiröret (blåseröret) har en mängd olika utföranden. För att använda Bernoulli -ekvationen för beräkning av flöde måste du ha en viss minskning av flödesvolymen i mätröret. Denna princip används i en mängd flödessensorer för alla typer av laminära flödesvätskor. De dimensioner jag använde i Venturi -röret var från ingen särskild källa men de verkade bara fungera. Sensorn använder differenstrycket över de smala och breda rörområdena för att beräkna flödesvolym. Jag ville att sensorn enkelt och reversibelt skulle kunna koppla in Venturi -röret för snabb byte och borttagning så jag konstruerade trycksensorrören för att leda ut ur modellen och sluta vid basen där de skulle koppla in spetsarna på sensorrörhuvudena. Det finns en hög/låg polaritet på sensorn som måste bibehållas från hög-/lågtrycksområdena i Venturi -röret. Högtrycket är i det raka avsnittet och det låga trycket är över kurvan för begränsningen-precis som över en flygplansvinge. Spirometerns kropp är noggrant utformad för att ge skruvfästen för att hålla sensorn på plats med M3 (20 mm) skruvar. Dessa placeras i värmeinställda M3x4x5mm skär. Resten av konstruktionen ger förankring av TTGO i en plats längst ner och ett fönster för skärmen. Knapp- och knapplocket trycks båda två gånger och möjliggör åtkomst till de två knapparna på TTGO-kortet. Omslaget är det sista stycket att skriva ut och är utformat för att ge ström/laddningspluggen åtkomst till toppen av TTGO -kortet. Alla bitar är tryckta i PLA utan stöd.

Steg 3: Wire It

Det finns inte mycket att koppla in sensorn och ESP32. Sensorn har fyra ledningar och du bör ladda ner databladet för sensorn bara för att vara säker på att ledningarna är korrekta: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Strömmen går till 3.3 Volt -utgången från ESP32 och marken och OCS är båda anslutna till jord. Sensorns analoga utgång är ansluten till stift 33 på ESP. Eftersom dessa anslutningar ormar genom en smal öppning i skalet, anslut dem inte innan enheten monteras. Lipo -batteriet passar bakre i fodralet, så skaffa ett som har rätt storlek för mAh. TTGO har en laddningskrets med en liten JST -kontakt på baksidan. Anslut batteriet till detta med på/av -brytaren som bryter poslinjen.

Steg 4: Montering

Efter 3D -utskriftsmodifiering görs till blåseröret. Två sektioner av plastakvariumrör är monterade i enhetens bottenhål så långt de går och trimmas sedan i linje med klippare. Detta ger en elastisk öppning för sensorrörets öppningar att enkelt para sig med. Huvudenheten kräver installation av värmehärdade mässingsinsatser i de två hålen i ramen. Sensorns monteringshål måste förstoras något för 3 mm (20 mm längd) skruvar med en bit av lämplig storlek. Montera sensorn med två skruvar och avsluta de elektriska anslutningarna till TTGO -kortet. Anslut och montera på/av -knappen med superlim. Använd den från Adafruit eftersom väskan är utformad för att hålla den exakt. De två knapparna är monterade på fodralet med superlim. Se till att knapparna på TTGO -kortet ligger i linje under öppningarna. Knappen installeras följt av knapphöljet som är överlimmat. Se till att du inte klistrar fast knappen på dess hölje, den måste röra sig fritt inuti den. För att stabilisera TTGO -övre sektionen, placera små klickar med varmt lim på endera axeln för att hålla den på plats. Batteriet går bakom kortet. Avsluta monteringen genom att överlimma toppen. Det ska finnas enkel åtkomst till USB-C-kontakten för programmering och batteriladdning.

Steg 5: Programmering

Programvaran för detta instrument tar in det analoga värdet från sensorn ändrar dess värde till volt och använder formeln från sensordatabladet för att omvandla det till Pascals of pressure. Från detta använder den Bernoullis -formeln för att bestämma volym/sek och massa/sek för luft som går genom röret. Den analyserar sedan detta i individuella andetag och kommer ihåg värdena i flera datarrayer och presenterar data på den inbyggda skärmen och till sist ringer Blynk -servern och laddar upp den till din telefon. Uppgifterna kommer bara ihåg tills du tar ett andetag. Den kliniska användningen av en spirometer görs vanligtvis genom att be patienten att ta ett så stort andetag som möjligt och blåsa ut det så länge och hårt som de kan. Vanligt använda algoritmer baserade på höjd, vikt och kön beskrivs sedan som normala eller onormala. Olika arrangemang av dessa data presenteras också, dvs FEV1/FEVC -total volym dividerat med volym under den första sekunden. Alla parametrar presenteras på skärmen Spirometrar samt en liten graf över din insats i volym över tid. När data har laddats upp till Wifi återgår skärmen till "Blow". All data går förlorad efter att strömmen stängts av.

Den första delen av koden kräver att du anger din Blynk -token. Nästa kräver Wifi -lösenord och nätverksnamn. Float area_1 är arean i kvadratmeter av spirometerröret före smalning och Float area_2 är arean i tvärsnitt direkt vid förträngningen. Ändra dessa om du vill göra om röret. Vol och volSec är de två matriser som håller volymökning över tid och hastighet för luftrörelse. Slingfunktionen börjar med att beräkna andningsfrekvensen. Nästa avsnitt läser sensorn och beräknar trycket. Följande if-uttalande försöker ta reda på om du är klar med ditt slag-svårare än du tror, ofta sjunker trycket plötsligt i en millisekund mitt i slaget. Nästa avsnitt beräknar massflödet baserat på trycket. Om ett nytt andetag detekteras fryses alla data och parametrar beräknas och skickas till skärmen, följt av en graffunktion och slutligen ett Blynk -samtal för att ladda upp data. Om ingen Blynk -anslutning upptäcks återgår den till "Blow".

Steg 6: Använda den

Är detta instrument någorlunda korrekt för vad det påstås göra? Jag använde en kalibrerad flödesmätare ansluten till en luftkälla som passerade genom en 3D -tryckt laminär luftkammare fäst vid spirometern och den förutspådde exakt inom skäl luftflöde från 5 lit/min till 20 lit/min. Min vilande tidvattenvolym på maskinen är cirka 500cc och mycket reproducerbar. Med alla kliniska tester måste du tänka på vad som är rimligt när det gäller informationsfördelar som mottagits kontra ansträngning … du kan väga dig till närmaste gram men till vilken nytta? Med tanke på den variation som finns i frivilliga testinsatser mot resultatet kan det vara tillräckligt för de flesta kliniska situationer. Det andra problemet är att vissa personer med enorm lungkapacitet kan toppa den övre sensorgränsen. Jag kunde inte göra detta men det är möjligt, men dessa människor kommer sannolikt inte att ha lungproblem …

Den första skärmen visar FEV1 och FEVC. Nästa dataskärm visar slaglängd, FEV1/FEVC -förhållande och MaxFlow i Lit/sek. Jag maximerade det med två skärmar som beskriver Vol över tiden och Lit/sek över tiden. Urtavlorna hämtar FEV1 och FEVC och mätarnas utskriftstid och FEV1/FEVC. Men för er som känner till Blynk vet att ni kan göra det som ni vill i telefonappen och ladda ner data till din e -post med en touch.

Knapparna på instrumentets sida är utbrutna om du vill programmera dem för att aktivera maskinen med ett andetag eller för att variera skärmutmatningen eller för att ändra Blynk-anslutningen om du vill använda den offline. Knapparna drar stiften 0 och 35 låga så skriv bara in detta i programmet. COVID har uppenbarligen lämnat många med långvariga lungproblem och den här enheten kan vara till hjälp i de länder där tillgången till dyr medicinsk utrustning kan vara begränsad. Du kan skriva ut och montera detta på ett par timmar och skriva ut säkert förorenade delar av enheten för ingenting.

Tvåa i den batteridrivna tävlingen