3D gedrucktes Spirometer - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

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Spirometer sind das klassische Instrument zur Analyse von Luft, die aus dem Mund geblasen wird. Sie bestehen aus einem Schlauch, in den Sie blasen, der das Volumen und die Geschwindigkeit eines Atemzugs aufzeichnet, die dann mit einer Reihe von Normalwerten basierend auf Größe, Gewicht und Geschlecht verglichen und zur Überwachung der Lungenfunktion verwendet werden. Das von mir entwickelte Instrument ist, obwohl es mit einem Durchflussmesser auf Genauigkeit getestet wurde, in keiner Weise ein zertifiziertes medizinisches Gerät, aber zur Not könnte es sicherlich als eines gelten - es liefert relativ reproduzierbare und genaue Angaben zu den Standard-FEV1, FEVC und Volumendiagrammen Leistung und Geschwindigkeit über die Zeit. Ich entwarf es so, dass die Elektronik mit dem teuren angebundenen Sensor auf ein Stück beschränkt war und das leicht zu entsorgende Blasrohr mit den dazugehörigen virenbeladenen Kanälen in einem anderen war. Dies scheint einer der Nachteile klinisch verwendeter Standardgeräte zu sein – austauschbare Mundstücke aus Pappe eliminieren nicht wirklich alle Risiken, wenn Viren in der Luft sind und Sie aufgefordert werden, lange und hart in ein sehr teures Gerät zu blasen. Die Kosten für das Gerät liegen unter 40 US-Dollar und jeder mit einem 3D-Drucker kann so viele herstellen, wie er möchte. Die Software Wifi verbindet es zur Visualisierung mit einer Blynk-App auf Ihrem Smartphone und ermöglicht Ihnen das Herunterladen beliebiger Daten.

Schritt 1: Sachen kaufen

Im Wesentlichen bauen wir einen analogen Sensor mit einer großartigen Kombination aus Bildschirm und Mikrocontroller. Wichtig ist die Auswahl des richtigen Sensors. Mehrere andere Designs für diese Geräte haben Sensoren verwendet, denen die erforderliche Empfindlichkeit fehlt, um die Daten zum Berechnen dieser Atmungselemente bereitzustellen. Der ESP32 hat bekannte Probleme mit der Nichtlinearität seines ADC, aber dies scheint im Bereich dieses Geräts nicht von Bedeutung zu sein.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi Bluetooth-Modul 1,14 Zoll LCD-Entwicklungsboard $ 8 Bangood

2. SDP816-125PA Drucksensor, CMOSens®, 125 Pa, analog, Differenz $30 Newark, Digikey

3. Lipo-Batterie -- 600 mAh $ 2

4. Ein/Aus-Schalter - Ein-Aus-Schalter / Druckknopf-Kippschalter Adafruit

Schritt 2: 3D-Druck

Fusion 360 wurde verwendet, um die beiden Verschachtelungselemente des Spirometers zu entwerfen. Das Venturirohr (Blasrohr) hat verschiedene Ausführungen. Um die Bernoulli-Gleichung zur Berechnung des Durchflusses verwenden zu können, muss das Durchflussvolumen im Messrohr etwas reduziert werden. Dieses Prinzip wird in einer Vielzahl von Strömungssensoren für alle Arten von Laminar-Flow-Flüssigkeiten verwendet. Die Abmessungen, die ich in der Venturi-Röhre verwendet habe, stammen aus keiner bestimmten Quelle, aber sie schienen einfach zu funktionieren. Der Sensor verwendet den Differenzdruck über die schmalen und breiten Rohrbereiche, um das Durchflussvolumen zu berechnen. Ich wollte, dass der Sensor das Venturi-Rohr zum schnellen Wechseln und Entfernen einfach und reversibel einrasten kann. Der Sensor hat eine hohe/niedrige Polarität, die von den Hoch-/Niederdruckbereichen des Venturi-Rohrs beibehalten werden muss. Der Hochdruck liegt im geraden Abschnitt und der Niederdruck liegt über der Kurve der Verengung – genau wie über einem Flugzeugflügel. Das Gehäuse des Spirometers wurde sorgfältig entworfen, um Schraubbefestigungen bereitzustellen, um den Sensor mit M3 (20 mm) Schrauben an Ort und Stelle zu halten. Diese werden in thermofixierten M3x4x5mm Einsätzen platziert. Der Rest des Designs sieht die Verankerung des TTGO in einem Schlitz am unteren Rand und einem Fenster für den Bildschirm vor. Die Taste und die Tastenabdeckung sind beide doppelt bedruckt und ermöglichen den Zugriff auf die beiden Tasten auf der TTGO-Platine. Die Abdeckung ist das letzte zu druckende Stück und soll den Zugang für den Netz-/Ladestecker zur Oberseite des TTGO-Boards ermöglichen. Alle Teile sind in PLA ohne Stützen gedruckt.

Schritt 3: Verdrahten Sie es

An der Verkabelung des Sensors und des ESP32 ist nicht viel dran. Der Sensor hat vier Kabel und Sie sollten das Datenblatt für den Sensor herunterladen, um sicherzustellen, dass die Kabel korrekt sind: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Die Stromversorgung geht an den 3,3-Volt-Ausgang des ESP32 und Masse und OCS sind beide mit Masse verbunden. Der Analogausgang des Sensors ist mit Pin 33 am ESP verbunden. Da sich diese Anschlüsse durch eine schmale Öffnung im Gehäuse schlängeln, verbinden Sie sie nicht vor dem Zusammenbau des Geräts. Der Lipo-Akku passt nach hinten in das Gehäuse, also besorgen Sie sich einen, der für die mAh geeignet ist. Der TTGO hat eine Ladeschaltung mit einem winzigen JST-Anschluss auf der Rückseite. Schließen Sie die Batterie an diese an, wobei der Ein / Aus-Schalter die Pos-Linie unterbricht.

Schritt 4: Montage

Nach dem 3D-Druck wird das Blasrohr modifiziert. In die unteren Löcher des Gerätes werden zwei Abschnitte Aquarienschlauch aus Kunststoff bis zum Anschlag eingesteckt und anschließend mit einer Schere bündig abgeschnitten. Dies stellt eine elastische Öffnung bereit, mit der die Sensorrohröffnungen leicht zusammenpassen. Das Hauptgerät erfordert die Installation von thermofixierten Messingeinsätzen in den beiden Löchern im Rahmen. Die Sensorbefestigungslöcher müssen für die 3mm (20 mm Länge) Schrauben mit einem entsprechend großen Bit etwas vergrößert werden. Montieren Sie den Sensor mit zwei Schrauben und stellen Sie die elektrischen Verbindungen zur TTGO-Platine fertig. Verbinden und montieren Sie den Ein-/Ausschalter mit Sekundenkleber. Verwenden Sie das von Adafruit, da das Gehäuse genau darauf ausgelegt ist, es zu halten. Die beiden Knöpfe sind mit Sekundenkleber am Gehäuse befestigt. Stellen Sie sicher, dass die Tasten auf der TTGO-Platine unter den Öffnungen ausgerichtet sind. Der Taster wird montiert, gefolgt vom Tastengehäuse, das mit Sekundenkleber verklebt wird. Achten Sie darauf, dass Sie den Knopf nicht an sein Gehäuse kleben, er muss sich darin frei bewegen. Um das TTGO-Oberteil zu stabilisieren, geben Sie kleine Tupfer Heißkleber auf beide Schultern, um es in Position zu halten. Die Batterie geht hinter das Board. Beenden Sie die Montage, indem Sie die Oberseite aufkleben. Der USB-C-Anschluss sollte zum Programmieren und Aufladen des Akkus leicht zugänglich sein.

Schritt 5: Programmierung

Die Software für dieses Instrument nimmt den Analogwert vom Sensor auf, ändert seinen Wert in Volt und verwendet die Formel aus dem Sensordatenblatt, um ihn in Pascal Druck umzuwandeln. Daraus wird die Bernoullis-Formel verwendet, um das Volumen/Sek. und die Masse/Sek. der Luft zu bestimmen, die durch das Rohr strömt. Es analysiert dies dann in einzelne Atemzüge und merkt sich die Werte in mehreren Datenarrays und präsentiert die Daten auf dem eingebauten Bildschirm und ruft schließlich den Blynk-Server an und lädt sie auf Ihr Telefon hoch. Die Daten werden nur gespeichert, bis Sie einen weiteren Atemzug nehmen. Die klinische Anwendung eines Spirometers erfolgt üblicherweise, indem der Patient gebeten wird, so tief wie möglich einzuatmen und so lange und kräftig wie möglich auszublasen. Häufig verwendete Algorithmen basierend auf Größe, Gewicht und Geschlecht werden dann als normal oder abnormal beschrieben. Es werden auch verschiedene Anordnungen dieser Daten dargestellt, zB FEV1/FEVC – Gesamtvolumen geteilt durch Volumen in der ersten Sekunde. Alle Parameter werden auf dem Spirometer-Bildschirm sowie eine kleine Grafik Ihrer Anstrengung in Vol über die Zeit angezeigt. Wenn Daten auf Wifi hochgeladen wurden, kehrt der Bildschirm zu "Blow" zurück. Alle Daten gehen verloren, wenn der Strom abgeschaltet wird.

Im ersten Abschnitt des Codes müssen Sie Ihren Blynk-Token eingeben. Das nächste erfordert ein WLAN-Passwort und einen Netzwerknamen. Float area_1 ist die Fläche in m² des Spirometerröhrchens vor der Verengung und Float area_2 ist die Querschnittsfläche direkt an der Verengung. Ändern Sie diese, wenn Sie das Rohr neu gestalten möchten. Vol und volSec sind die beiden Arrays, die die Volumenzunahme über die Zeit und die Geschwindigkeit der Luftbewegung halten. Die Schleifenfunktion beginnt mit der Berechnung der Atemfrequenz. Der nächste Abschnitt liest den Sensor und berechnet den Druck. Die folgende if-Anweisung versucht herauszufinden, ob Sie mit Ihrem Schlag fertig sind – schwieriger als Sie denken, oft fällt der Druck mitten im Schlag plötzlich für eine Millisekunde ab. Der nächste Abschnitt berechnet den Massenstrom basierend auf dem Druck. Wenn ein neuer Atemzug erkannt wird, werden alle Daten eingefroren und die Parameter berechnet und an den Bildschirm gesendet, gefolgt von einer grafischen Funktion und schließlich einem Blynk-Aufruf zum Hochladen der Daten. Wenn keine Blynk-Verbindung erkannt wird, kehrt es zu "Blow" zurück.

Schritt 6: Verwenden Sie es

Ist dieses Instrument für das, was es vorgibt, einigermaßen genau? Ich habe einen kalibrierten Durchflussmesser verwendet, der an eine Luftquelle angeschlossen ist, die durch eine am Spirometer befestigte 3D-gedruckte laminare Luftkammer geleitet wird, und es hat einen Luftstrom von 5 bis 20 Liter pro Minute genau vorhergesagt. Mein ruhendes Atemzugvolumen auf der Maschine beträgt etwa 500 ccm und ist sehr reproduzierbar. Bei jeder klinischen Prüfung muss man bedenken, was in Bezug auf Informationsnutzen gegenüber Aufwand sinnvoll ist … man kann sich aufs Gramm genau abwägen, aber zu welchem Nutzen? In Anbetracht der Variabilität, die dem freiwilligen Testaufwand in Bezug auf das Ergebnis innewohnt, kann dies für die meisten klinischen Situationen angemessen sein. Die andere Sorge ist, dass einige Menschen mit einer großen Lungenkapazität die obere Sensorgrenze übersteigen könnten. Ich war nicht in der Lage, dies zu tun, aber es ist möglich, aber diese Leute haben wahrscheinlich keine Lungenprobleme …

Der erste Bildschirm zeigt FEV1 und FEVC. Der nächste Datenbildschirm zeigt die Schlagdauer, das FEV1/FEVC-Verhältnis und den MaxFlow in Lit/Sek. Ich habe es mit zwei Bildschirmen maximiert, die Vol im Laufe der Zeit und Lit / Sek im Laufe der Zeit detailliert darstellen. Die Zifferblätter bilden FEV1 und FEVC nach und die Messgeräte drucken Dauer und FEV1/FEVC. Aber für diejenigen unter Ihnen, die mit Blynk vertraut sind, können Sie dies in der Telefon-App beliebig tun und die Daten mit einer Berührung in Ihre E-Mail herunterladen.

Die Tasten an der Seite des Gerätes sind ausgebrochen, falls Sie sie zum Aktivieren des Gerätes mit einem Atemzug oder zum Variieren der Bildschirmausgabe oder zum Ändern der Blynk-Verbindung programmieren möchten, wenn Sie diese offline verwenden möchten. Die Tasten ziehen die Pins 0 und 35 nach unten, also schreiben Sie dies einfach in das Programm. COVID hat angeblich viele mit anhaltenden Lungenproblemen zurückgelassen, und dieses Gerät kann in Ländern hilfreich sein, in denen der Zugang zu teuren medizinischen Geräten möglicherweise eingeschränkt ist. Sie können dies in wenigen Stunden ausdrucken und zusammenbauen und kontaminierte Abschnitte des Geräts umsonst als sicheren Ersatz drucken.

Zweiter im batteriebetriebenen Wettbewerb