DIY -ventilator med vanliga medicinska tillbehör: 8 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Detta projekt ger instruktioner för montering av en make-shift-ventilator för användning i nödsituationer när det inte finns tillräckligt med kommersiella ventilatorer, till exempel den aktuella COVID-19-pandemin. En fördel med denna ventilatordesign är att den i huvudsak automatiserar användningen av en manuell ventilationsanordning som redan används allmänt och accepteras av det medicinska samhället. Dessutom kan den monteras främst från komponenter som redan finns i de flesta sjukhusinställningar och det kräver ingen anpassad tillverkning av några delar (t.ex. 3d -utskrift, laserskärning, etc.).

En påsventilmask (BVM), även känd som en manuell återupplivning, är en handhållen enhet som används för att ge ventilation med positivt tryck till patienter som behöver andningshjälp. De används för att tillhandahålla tillfällig ventilation till patienter när mekaniska ventilatorer inte är tillgängliga, men används inte under längre perioder eftersom de kräver att en människa klämmer i påsen med regelbundna andningsintervaller.

Denna DIY -ventilator automatiserar klämningen av en BVM så att den kan användas för att ventilera en patient på obestämd tid. Klämning uppnås genom att upprepade gånger blåsa upp/tömma en blodtrycksmanschett som lindas runt BVM. De flesta sjukhus är utrustade med tryckluft och vakuumuttag, som kan användas för att blåsa upp och tömma blodtrycksmanschetten. En magnetventil reglerar flödet av tryckluft, som styrs av en Arduino -mikrokontroller.

Annat än BVM och blodtrycksmanschetten (som båda redan finns på sjukhus), kräver denna design mindre än $ 100 delar, som enkelt kan köpas från onlinesäljare som McMaster-Carr och Amazon. Föreslagna komponenter och inköpslänkar finns, men du kan byta många av delarna med andra liknande komponenter om de som anges inte är tillgängliga.

Erkännanden:

Ett särskilt tack till professor Ram Vasudevan vid University of Michigan för finansieringen av detta projekt och Mariama Runcie, MD från Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency på Massachusetts General Hospital och Brigham och Women's Hospital för att ha lånat ut sin medicinska expertis och gett feedback om konceptet.

Jag vill också känna igen Christopher Zahner, M. D. och Aisen Chacin, doktorand från UTMB som självständigt konvergerade på en liknande design innan jag lade upp denna Instructable (nyhetsartikel). Även om min enhet inte är ny, hoppas jag att denna detaljerade redovisning av hur den byggdes kommer att vara användbar för andra som vill återskapa eller förbättra konceptet.

Tillbehör

Medicinska komponenter:

-Bagventilmask, ~ $ 30 (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

-Blodtrycksmanschett, ~ $ 17 (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Elektroniska komponenter:

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

3-vägs elektronisk magnetventil (12V), ~ $ 30 (https://www.mcmaster.com/61975k413)

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

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

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

-Miniature breadboard, ~ $ 1 (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-En enda kärntråd, ~ $ 15 för en hel uppsättning olika färger (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Andra komponenter:

-Slangkoppling av mässing med 10-32 gängor, ~ $ 4 (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) Plastgaffelrörsbeslag med 1/4 NPT -gängor, ~ $ 1 (https://www.mcmaster.com/5372k121)

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

-(x2) Krossbeständiga syrerör, ~ $ 10 (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Liten låda eller annan behållare för att fungera som elektronik och ventilhus

Steg 1: Anslut elektroniken

Anslut Arduino, TIP 120 och potentiometern med hjälp av den massiva kärntråden och miniatyrbrödbrädan enligt kopplingsschemat. Du kanske också vill tejpa eller hetlimma Arduino och brödbräda till en kartongbit, eftersom detta hjälper till att begränsa oavsiktlig dragning på trådarna.

Observera att 1k -motståndet är valfritt. Det fungerar som försäkring mot elektriska shorts, men om du inte har en liggande kan du bara byta ut den mot en kabel och allt ska fortfarande fungera bra.

Arduino kan inte driva ventilen direkt eftersom den kräver mer ström än Arduinos utgångsstiften kan leverera. Istället driver Arduino TIP 120 -transistorn, som fungerar som en omkopplare för att slå på och av ventilen.

Potentiometern fungerar som en "justeringsratt för andningsfrekvens". Justering av krukinställningen ändrar spänningssignalen till Arduinos A0 -stift. Kod som körs på Arduino omvandlar spänningen till en "andningsfrekvens" och ställer in ventilens öppning och stängning för att matcha den.

Steg 2: Anslut den elektroniska magnetventilen

Den elektroniska ventilen levereras inte med några ledningar anslutna till den, så detta måste göras manuellt.

Ta först bort topplocket med en Phillips-skruvmejsel för att avslöja dess tre skruvterminaler, V+, V- och GND (se bilden för att avgöra vilken som är vilken)

Fäst sedan trådarna genom att klämma fast dem med skruvarna. Jag föreslår att du använder orange eller gul tråd för V+ (eller vilken färg du använde för 12V-ledningen i föregående steg), blå eller svart för V- och svart för GND (eller vilken färg du använde för GND-tråden på föregående steg. Jag använde svart för både V- och GND men satte en liten bit tejp på GND-kabeln så att jag kunde skilja dem.

När trådarna är fästa, sätt tillbaka locket och skruva fast det.

Anslut sedan ledningarna till brödbrädan enligt det uppdaterade kopplingsschemat.

För tydlighetens skull ingår också ett kretsschema, men om du inte är bekant med den typen av notering kan du bara ignorera det:)

Steg 3: Ladda upp Arduino -kod och testelektronik

Om du inte redan har det, ladda ner Arudino IDE eller öppna Arduino webbredigerare (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Om du använder Arduino Create -webbredigeraren kan du komma åt skissen för detta projekt här. Om du använder Arduino IDE lokalt på din dator kan du ladda ner skissen från denna instruktionsbok.

Öppna skissen, anslut Arduino till din dator med en USB -skrivarkabel och ladda upp skissen till Arduino. Om du har problem med att ladda upp skissen kan du hitta hjälp här.

Anslut nu 12V strömförsörjningen. Ventilen bör regelbundet göra ett klickljud och tändas, som visas i videon. Om du vrider potentiometervredet medurs bör det växla snabbare och långsammare om du vrider det moturs. Om detta inte är beteendet du ser, gå tillbaka och kontrollera alla föregående steg.

Steg 4: Fäst taggade rörkontakter på ventilen

Ventilen har tre portar: A, P och avgas. När ventilen är inaktiv är A ansluten till avgas och P stängs. När ventilen är aktiv kopplas A till P och avgaserna stängs. Vi ska ansluta P till en tryckluftskälla, A till blodtrycksmanschetten och avgas till ett vakuum. Med denna konfiguration kommer blodtrycksmanschetten att blåsa upp när ventilen är aktiv och tömmas när ventilen är inaktiv.

Avgasporten är utformad för att bara vara öppen för atmosfären, men vi måste ansluta den till ett vakuum så att blodtrycksmanschetten tömmer ut snabbare. För att göra detta, ta först bort den svarta plastkåpan som täcker avgasporten. Placera sedan plastdistansen över de exponerade trådarna och fäst mässingskontakten ovanpå.

Fäst plastkontakter med portar A och P. Dra åt med en skiftnyckel så att inga läckor uppstår.

Steg 5: Skapa bostäder för elektronik

Eftersom ingen av ledningarna är lödda på plats är det viktigt att skydda dem från att av misstag dras och kopplas bort. Detta kan göras genom att placera dem i ett skyddshölje.

För höljet använde jag en liten kartong (en av McMaster -fraktlådorna kom in några delar). Du kan också använda en liten tupperware -behållare eller något snyggare om du vill.

Lägg först ut ventilen, Arduino och miniatyrbrödbrädan i behållaren. Peta/borra sedan hål i behållaren för 12V strömkabel och luftrör. När hålen är färdiga, bind lim, tejp eller dragkedja fast ventilen, Arduino och brödbrädan på önskade platser.

Steg 6: Linda blodtrycksmanschetten runt BVM

Koppla bort inflationslampan från blodtrycksmanschetten (du borde bara kunna dra av den). I nästa steg kommer detta rör att anslutas till den elektroniska ventilen.

Linda blodtrycksmanschetten runt BVM. Se till att manschetten är så tät som möjligt utan att påsen faller ihop.

Steg 7: Fäst luftslangar

Det sista steget är att ansluta blodtrycksmanschetten, tryckluftskällan och vakuumkällan till den elektroniska ventilen.

Anslut blodtrycksmanschetten till ventilens A -terminal.

Använd ett syrgasrör, anslut ventilens P -terminal till tryckluftskällan. De flesta sjukhus bör ha tryckluftsuttag tillgängliga vid ett tryck på 4 bar (58 psi) (källa).

Använd ett annat syrgasrör, anslut ventilens avgasterminal till vakuumkällan. De flesta sjukhus bör ha vakuumuttag tillgängliga vid 400 mmHg (7,7 psi) under atmosfären (källa).

Enheten är nu komplett förutom de nödvändiga rören/adaptrarna för att ansluta BVM -uttaget till en patients lungor. Jag är inte sjukvårdspersonal så jag inkluderade inte den komponenten i designen, men det antas att de skulle finnas tillgängliga i alla sjukhusmiljöer.

Steg 8: Testa enheten

Anslut enheten. Om allt är korrekt anslutet bör blodtrycksmanschetten blåsa upp och tömmas regelbundet, som visas i videon.

Jag är inte sjukvårdspersonal, så jag har inte tillgång till tryckluft eller dammsugare på sjukhuset. Därför använde jag en liten luftkompressor och vakuumpump för att testa enheten i mitt hem. Jag ställde in tryckregulatorn på kompressorn till 4 bar (58 psi) och vakuumet till -400 mmHg (-7,7 psi) för att simulera sjukhusutloppen så bra som möjligt.

Några ansvarsfriskrivningar och saker att tänka på:

-Andningsfrekvensen kan justeras genom att vrida potentiometern (mellan 12-40 andetag per minut). Med hjälp av min tryckluft/vakuuminställning märkte jag att för andningshastigheter som är större än ~ 20 andetag per minut har blodtrycksmanschetten inte tid att tömmas helt mellan andetagen. Detta kanske inte är ett problem när jag använder sjukhusluftuttag som jag antar kan leverera högre flödeshastigheter utan så mycket tryckfall, men jag vet inte säkert.

-Påsventilen är inte helt komprimerad under varje andetag. Detta kan leda till att otillräcklig luft pumpas in i patienternas lungor. Test på en medicinsk luftvägsduk kan avslöja om så är fallet. Om så är fallet kan detta eventuellt åtgärdas genom att öka inflationstiden under varje andetag, vilket skulle kräva redigering av Arduino -koden.

-Jag testade inte den maximala tryckkapaciteten för blodtrycksmanschetten. 4 bar är mycket högre än det tryck som normalt ingår i blodtrycksmätningen. Blodtrycksmanschetten gick inte sönder under min testning, men det betyder inte att det inte kunde hända om trycket i manschetten fick utjämnas helt innan tömning.

-En BVM är utformad för att ge luftstöd utan extra slangar mellan ventilen och patientens näsa/mun. För en verklig tillämpning bör således slanglängden mellan BVM och patienten hållas till ett minimum.

-Denna ventilatordesign är inte FDA -godkänd och bör endast betraktas som ett alternativ för SENASTE RESORT. Det var avsiktligt utformat för att vara enkelt att montera från sjukhusutrustning och kommersiella delar för situationer där bättre/mer sofistikerade alternativ helt enkelt inte är tillgängliga. Förbättringar uppmuntras!