DIY-Beatmungsgerät mit üblichen medizinischen Geräten - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Dieses Projekt enthält Anweisungen zum Zusammenbau eines provisorischen Beatmungsgeräts für den Einsatz in Notfallszenarien, wenn nicht genügend kommerzielle Beatmungsgeräte verfügbar sind, wie beispielsweise bei der aktuellen COVID-19-Pandemie. Ein Vorteil dieses Beatmungsgerätedesigns besteht darin, dass es im Wesentlichen nur die Verwendung eines manuellen Beatmungsgeräts automatisiert, das bereits weit verbreitet und von der medizinischen Gemeinschaft akzeptiert wird. Außerdem kann es hauptsächlich aus Komponenten zusammengebaut werden, die in den meisten Krankenhausumgebungen bereits verfügbar sind, und es erfordert keine kundenspezifische Fertigung von Teilen (z. B. 3D-Druck, Laserschneiden usw.).

Eine Beutelventilmaske (BVM), auch bekannt als manueller Beatmungsbeutel, ist ein tragbares Gerät, das zur Beatmung von Patienten verwendet wird, die Atemunterstützung benötigen. Sie werden verwendet, um Patienten vorübergehend zu beatmen, wenn mechanische Beatmungsgeräte nicht verfügbar sind, werden jedoch nicht über längere Zeiträume verwendet, da ein Mensch den Beutel in regelmäßigen Atemintervallen zusammendrücken muss.

Dieses DIY-Beatmungsgerät automatisiert das Zusammendrücken eines BVM, sodass es für eine unbegrenzte Zeit zur Beatmung eines Patienten verwendet werden kann. Das Zusammendrücken wird durch wiederholtes Aufblasen/Entleeren einer um das BVM gewickelten Blutdruckmanschette erreicht. Die meisten Krankenhäuser sind mit Druckluft- und Vakuumanschlüssen ausgestattet, die zum Aufblasen bzw. Entleeren der Blutdruckmanschette verwendet werden können. Ein Magnetventil regelt den Druckluftstrom, der von einem Arduino-Mikrocontroller gesteuert wird.

Abgesehen von der BVM und der Blutdruckmanschette (beide sind bereits in Krankenhäusern erhältlich) erfordert dieses Design Teile im Wert von weniger als 100 US-Dollar, die problemlos bei Online-Verkäufern wie McMaster-Carr und Amazon erworben werden können. Es werden empfohlene Komponenten und Kauflinks bereitgestellt, aber Sie können viele der Teile gegen andere ähnliche Komponenten austauschen, wenn die aufgeführten nicht verfügbar sind.

Danksagungen:

Besonderer Dank gilt Professor Ram Vasudevan von der University of Michigan für die Finanzierung dieses Projekts und Mariama Runcie, M. D. von der Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency am Massachusetts General Hospital und Brigham and Women's Hospital für ihre medizinische Expertise und ihr Feedback zum Konzept.

Ich möchte auch Christopher Zahner, M. D. und Aisen Chacin, PhD von UTMB anerkennen, die unabhängig voneinander auf ein ähnliches Design konvergierten, bevor ich dieses Instructable (Nachrichtenartikel) veröffentlichte. Obwohl mein Gerät nicht neu ist, hoffe ich, dass sich diese detaillierte Beschreibung seiner Konstruktion für andere als nützlich erweisen wird, die das Konzept neu erstellen oder verbessern möchten.

Lieferungen

Medizinische Komponenten:

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

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

Elektronische Bauteile:

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

-3-Wege-Elektromagnetventil (12V), ~$30 (https://www.mcmaster.com/61975k413)

-12-V-Wandadapter, ~ $ 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)

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

-Einadriger Draht, ~ $ 15 für einen ganzen Satz verschiedener Farben (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Andere Komponenten:

-Messing-Schlauchanschluss mit 10-32-Gewinde, ~ $ 4 (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) Kunststoff-Schlauchverschraubung mit 1/4 NPT-Gewinde, ~ $ 1 (https://www.mcmaster.com/5372k121)

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

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

-Kleiner Kasten oder anderer Behälter als Elektronik- und Ventilgehäuse

Schritt 1: Verdrahten Sie die Elektronik

Verbinden Sie mit dem massiven Kerndraht und dem Miniatur-Steckbrett den Arduino, TIP 120 und das Potentiometer wie im Schaltplan gezeigt. Sie können das Arduino und das Steckbrett auch mit Klebeband oder Heißkleber auf ein Stück Pappe kleben, da dies dazu beiträgt, versehentliches Ziehen an den Drähten zu begrenzen.

Beachten Sie, dass der 1k-Widerstand optional ist. Es dient als Versicherung gegen elektrische Kurzschlüsse, aber wenn Sie keinen herumliegen haben, können Sie ihn einfach durch einen Draht ersetzen und alles sollte immer noch gut funktionieren.

Das Arduino kann das Ventil nicht direkt ansteuern, da es mehr Strom benötigt, als die Ausgangspins des Arduino liefern können. Stattdessen steuert der Arduino den TIP 120-Transistor an, der wie ein Schalter zum Ein- und Ausschalten des Ventils fungiert.

Das Potentiometer fungiert als "Atemfrequenz-Einstellknopf". Das Optimieren der Pot-Einstellung ändert das Spannungssignal in den A0-Pin des Arduino. Der auf dem Arduino ausgeführte Code wandelt diese Spannung in eine "Atemrate" um und stellt die Geschwindigkeit des Öffnens und Schließens des Ventils entsprechend ein.

Schritt 2: Verdrahten Sie das elektronische Magnetventil

Das elektronische Ventil wird nicht mit angeschlossenen Kabeln geliefert, daher muss dies manuell erfolgen.

Entfernen Sie zuerst die obere Abdeckung mit einem Kreuzschlitzschraubendreher, um die drei Schraubklemmen V+, V- und GND freizulegen (siehe Foto, um festzustellen, welche welche ist).

Befestigen Sie dann die Drähte, indem Sie sie mit den Schrauben festklemmen. Ich würde vorschlagen, ein orangefarbenes oder gelbes Kabel für das V + (oder eine beliebige Farbe, die Sie im vorherigen Schritt für das 12-V-Kabel verwendet haben), Blau oder Schwarz für V- und Schwarz für GND (oder eine beliebige Farbe, die Sie für das GND-Kabel verwendet haben) zu verwenden vorheriger Schritt Ich habe sowohl für V- als auch für GND Schwarz verwendet, aber ein kleines Stück Klebeband auf den GND-Draht gelegt, damit ich sie unterscheiden konnte.

Sobald die Drähte befestigt sind, setzen Sie die Abdeckung wieder auf und schrauben Sie sie fest.

Verbinden Sie dann die Drähte mit dem Steckbrett, wie im aktualisierten Schaltplan gezeigt.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist auch ein Schaltplan enthalten, aber wenn Sie mit dieser Art von Notation nicht vertraut sind, können Sie sie einfach ignorieren:)

Schritt 3: Arduino-Code hochladen und Elektronik testen

Wenn Sie es noch nicht haben, laden Sie die Arudino-IDE herunter oder öffnen Sie den Arduino-Webeditor (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Wenn Sie den Webeditor Arduino Create verwenden, können Sie hier auf die Skizze für dieses Projekt zugreifen. Wenn Sie die Arduino IDE lokal auf Ihrem Computer verwenden, können Sie die Skizze von diesem Instructable herunterladen.

Öffnen Sie die Skizze, verbinden Sie den Arduino mit einem USB-Druckerkabel mit Ihrem Computer und laden Sie die Skizze auf den Arduino hoch. Wenn Sie Probleme beim Hochladen der Skizze haben, finden Sie hier Hilfe.

Schließen Sie nun das 12V Netzteil an. Das Ventil sollte in regelmäßigen Abständen ein klickendes Geräusch machen und aufleuchten, wie im Video gezeigt. Wenn Sie den Potentiometerknopf im Uhrzeigersinn drehen, sollte er schneller schalten, und langsamer, wenn Sie ihn gegen den Uhrzeigersinn drehen. Wenn dies nicht das angezeigte Verhalten ist, gehen Sie zurück und überprüfen Sie alle vorherigen Schritte.

Schritt 4: Befestigen Sie die Schlauchanschlüsse mit Widerhaken am Ventil

Das Ventil hat drei Anschlüsse: A, P und Auslass. Wenn das Ventil inaktiv ist, ist A mit Exhaust verbunden und P ist geschlossen. Wenn das Ventil aktiv ist, ist A mit P verbunden und der Auslass ist geschlossen. Wir werden P an eine Druckluftquelle anschließen, A an die Blutdruckmanschette und Exhaust an ein Vakuum. Bei dieser Konfiguration wird die Blutdruckmanschette aufgeblasen, wenn das Ventil aktiv ist, und entleert sich, wenn das Ventil inaktiv ist.

Der Auslassanschluss ist so konzipiert, dass er nur zur Atmosphäre geöffnet ist, aber wir müssen ihn an ein Vakuum anschließen, damit die Blutdruckmanschette schneller entleert wird. Entfernen Sie dazu zuerst die schwarze Plastikkappe, die den Auspuffanschluss bedeckt. Legen Sie dann den Kunststoff-Abstandshalter über die freiliegenden Gewinde und befestigen Sie den Messing-Steckanschluss oben.

Stecken Sie die Kunststoff-Stecknippel an den Anschlüssen A und P an. Ziehen Sie sie mit einem Schraubenschlüssel fest, um sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden sind.

Schritt 5: Gehäuse für Elektronik erstellen

Da keine der Drähte festgelötet sind, ist es wichtig, sie vor versehentlichem Ziehen und Trennen zu schützen. Dies kann durch Einlegen in ein Schutzgehäuse erfolgen.

Für das Gehäuse habe ich einen kleinen Karton verwendet (einer der McMaster-Versandkartons, in denen einige Teile geliefert wurden). Sie können auch einen kleinen Tupperware-Behälter oder etwas Ausgefalleneres verwenden, wenn Sie möchten.

Legen Sie zuerst das Ventil, das Arduino und das Miniatur-Steckbrett in den Behälter. Dann stechen/bohren Sie Löcher in den Behälter für das 12-V-Stromkabel und die Luftschläuche. Sobald die Löcher fertig sind, kleben Sie das Ventil, das Arduino und das Steckbrett an den gewünschten Stellen mit Heißkleber, Klebeband oder Reißverschluss fest.

Schritt 6: Wickeln Sie die Blutdruckmanschette um BVM

Trennen Sie die Aufblasbirne von der Blutdruckmanschette (Sie sollten sie einfach abziehen können). Im nächsten Schritt wird dieser Schlauch mit dem elektronischen Ventil verbunden.

Wickeln Sie die Blutdruckmanschette um das BVM. Stellen Sie sicher, dass die Manschette so eng wie möglich ist, ohne dass die Tasche zusammenfällt.

Schritt 7: Luftschläuche anbringen

Der letzte Schritt besteht darin, die Blutdruckmanschette, die Druckluftquelle und die Vakuumquelle an das elektronische Ventil anzuschließen.

Verbinden Sie die Blutdruckmanschette mit dem A-Anschluss des Ventils.

Verbinden Sie den P-Anschluss des Ventils mit einem Sauerstoffschlauch mit der Druckluftquelle. Die meisten Krankenhäuser sollten über Druckluftanschlüsse mit einem Druck von 4 bar (58 psi) verfügen (Quelle).

Verbinden Sie mit einem anderen Sauerstoffschlauch den Auslassanschluss des Ventils mit der Vakuumquelle. Die meisten Krankenhäuser sollten Vakuumauslässe bei 400 mmHg (7,7 psi) unter der Atmosphäre (Quelle) haben.

Das Gerät ist nun komplett, bis auf die notwendigen Schläuche/Adapter, um den Ausgang des BVM mit der Lunge eines Patienten zu verbinden. Ich bin kein medizinischer Fachmann, daher habe ich diese Komponenten nicht in das Design aufgenommen, aber es wird davon ausgegangen, dass sie in jedem Krankenhaus verfügbar sind.

Schritt 8: Testen Sie das Gerät

Stecken Sie das Gerät ein. Wenn alles richtig angeschlossen ist, sollte die Blutdruckmanschette regelmäßig aufgeblasen und entleert werden, wie im Video gezeigt.

Ich bin kein medizinisches Fachpersonal und habe daher keinen Zugang zu Druckluft- oder Vakuumanschlüssen im Krankenhaus. Daher habe ich einen kleinen Luftkompressor und eine Vakuumpumpe verwendet, um das Gerät bei mir zu Hause zu testen. Den Druckregler am Kompressor habe ich auf 4 bar (58 psi) und das Vakuum auf -400 mmHg (-7,7 psi) eingestellt, um die Krankenhausausgänge bestmöglich zu simulieren.

Einige Haftungsausschlüsse und Dinge, die Sie beachten sollten:

-Die Atemfrequenz kann durch Drehen des Potentiometers eingestellt werden (zwischen 12-40 Atemzüge pro Minute). Mit meinem Druckluft-/Vakuum-Setup habe ich festgestellt, dass die Blutdruckmanschette bei Atemfrequenzen von mehr als ~ 20 Atemzügen pro Minute keine Zeit hat, zwischen den Atemzügen vollständig zu entleeren. Dies ist möglicherweise kein Problem bei der Verwendung von Krankenhausluftauslässen, von denen ich annehme, dass sie höhere Durchflussraten ohne einen so großen Druckabfall liefern können, aber ich weiß es nicht genau.

-Das Beutelventil wird nicht bei jedem Atemzug vollständig zusammengedrückt. Dies kann dazu führen, dass nicht genügend Luft in die Lungen des Patienten gepumpt wird. Ein Test an einer medizinischen Atemwegspuppe könnte zeigen, ob dies der Fall ist. Wenn ja, könnte dies möglicherweise durch Erhöhen der Inflationszeit bei jedem Atemzug behoben werden, was eine Bearbeitung des Arduino-Codes erfordern würde.

-Ich habe die maximale Druckkapazität der Blutdruckmanschette nicht getestet. 4 bar ist viel höher als der Druck, der normalerweise bei einer Blutdruckmessung verwendet wird. Die Blutdruckmanschette ist während meines Tests nicht gebrochen, aber das bedeutet nicht, dass es nicht passieren könnte, wenn der Druck in der Manschette vor dem Ablassen vollständig ausgeglichen wurde.

-Ein BVM bietet Luftunterstützung ohne zusätzliche Schläuche zwischen dem Ventil und der Nase/Mund des Patienten. Daher sollte für eine reale Anwendung die Schlauchlänge zwischen BVM und Patient möglichst gering gehalten werden.

-Dieses Design des Beatmungsgeräts ist nicht von der FDA zugelassen und sollte nur als LETZTE RÜCKLAGE-Option in Betracht gezogen werden. Es wurde absichtlich so konzipiert, dass es einfach aus Krankenhausgeräten und kommerziellen Teilen zusammengebaut werden kann, für Situationen, in denen bessere/ausgefeiltere Alternativen einfach nicht verfügbar sind. Verbesserungen sind erwünscht!