Напечатанный на 3D-принтере спирометр: 6 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Подписаться Другие автора:

Проекты Fusion 360 »

Спирометры - это классический инструмент для анализа воздуха, который выдувается изо рта. Они состоят из трубки, в которую вы дуете, которая записывает объем и скорость одного вдоха, которые затем сравниваются с набором нормальных значений, основанных на росте, весе и поле, и используются для отслеживания функции легких. Прибор, который я разработал, хотя и проверялся на точность с помощью расходомера, ни в коем случае не является сертифицированным медицинским устройством, но в крайнем случае он определенно может сойти за один - давая относительные воспроизводимые и точные отчеты о стандартных FEV1, FEVC и графиках объема. производительность и скорость с течением времени. Я спроектировал его так, чтобы электроника с дорогостоящим привязанным датчиком была ограничена одним элементом, а легко одноразовая выдувная трубка с соответствующими вирусными каналами находилась в другом. Это, по-видимому, один из недостатков стандартных аппаратов, используемых в клинической практике - сменные картонные мундштуки на самом деле не устраняют всех рисков, когда вирусы переносятся по воздуху, и вас просят долго и сильно вдуть в очень дорогое устройство. Стоимость устройства составляет менее 40 долларов, и любой, у кого есть 3D-принтер, может сделать столько, сколько захочет. Программное обеспечение Wi-Fi привязывает его к приложению Blynk на вашем смартфоне для визуализации и позволяет загружать любые данные, которые вы хотите.

Шаг 1. Купите что-нибудь

По сути, мы создаем аналоговый датчик с отличной комбинацией экрана и микроконтроллера. Важно выбрать правильный датчик. В нескольких других конструкциях этих устройств использовались датчики, которым не хватает чувствительности, необходимой для получения данных для расчета этих дыхательных элементов. ESP32 имеет хорошо известные проблемы с нелинейностью его АЦП, но это не кажется существенным для диапазона этого устройства.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi Bluetooth-модуль 1,14-дюймовый ЖК-дисплей для разработки $ 8 Bangood

2. Датчик давления SDP816-125PA, CMOSens®, 125 Па, аналоговый, дифференциальный, $ 30 Newark, Digikey

3. Lipo аккумулятор - 600 мАч 2 доллара США.

4. Переключатель включения / выключения - кнопка включения / выключения питания / кнопочный тумблер Adafruit

Шаг 2: 3D-печать

Fusion 360 использовался для разработки двух гнездовых элементов спирометра. Трубка Вентури (выдувная трубка) имеет множество конструкций. Чтобы использовать уравнение Бернулли для расчета расхода, необходимо некоторое уменьшение объема потока в измерительной трубе. Этот принцип используется в различных датчиках потока для всех типов жидкостей с ламинарным потоком. Размеры, которые я использовал для трубки Вентури, не были получены из какого-либо конкретного источника, но казалось, что они работают. Датчик использует перепад давления в узких и широких участках трубки для расчета объема потока. Я хотел, чтобы датчик мог легко и обратимо подключаться к трубке Вентури для быстрой замены и снятия, поэтому я сконструировал трубки датчика давления так, чтобы они выходили из модели и заканчивались у ее основания, где они будут входить в контакт с наконечниками головок трубок датчика. Датчик имеет высокую / низкую полярность, которая должна поддерживаться в зонах высокого / низкого давления трубки Вентури. Высокое давление находится в прямом участке, а низкое давление находится за кривой ограничения - точно так же, как над крылом самолета. Корпус спирометра тщательно спроектирован, чтобы иметь винтовые крепления для фиксации датчика на месте с помощью винтов M3 (20 мм). Они помещаются в термоустойчивые вставки M3x4x5 мм. Остальная часть конструкции предусматривает закрепление TTGO в пазу внизу и окошко для экрана. Обе кнопки и крышка кнопки напечатаны дважды и обеспечивают доступ к двум кнопкам на плате TTGO. Крышка - это последняя часть, которую нужно напечатать, и она предназначена для доступа к вилке питания / зарядки к верхней части платы TTGO. Все детали напечатаны из PLA без поддержки.

Шаг 3: Подключите его

Разводка датчика и ESP32 невелика. Датчик имеет четыре вывода, и вам следует загрузить паспорт датчика, чтобы убедиться, что провода правильные: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Питание поступает на выход 3,3 В на датчике. ESP32, земля и OCS подключены к земле. Аналоговый выход датчика подключен к выводу 33 на ESP. Поскольку эти соединения проходят через узкое отверстие в корпусе, не соединяйте их до сборки устройства. Батарея Lipo подходит для задней части корпуса, поэтому возьмите батарею подходящего размера для мАч. TTGO имеет цепь зарядки с крошечным разъемом JST на задней панели. Подключите к нему аккумулятор с помощью переключателя включения / выключения, прервав положительную линию.

Шаг 4: Сборка

Модификация после 3D-печати выполняется на выдувной трубке. Две секции пластиковых аквариумных трубок вставляются в нижние отверстия устройства до упора, а затем обрезаются заподлицо с помощью кусачков. Это обеспечивает эластичное отверстие для отверстий сенсорной трубки, с которым легко сопрягаться. Основной блок требует установки латунных вставок из термостата в два отверстия в раме. Монтажные отверстия датчика необходимо немного увеличить для винтов 3 мм (длина 20 мм) с помощью сверла подходящего размера. Закрепите датчик двумя винтами и завершите электрические соединения с платой TTGO. Подключите и закрепите выключатель с помощью суперклея. Используйте тот, что от Adafruit, так как футляр предназначен для его точного удержания. Две кнопки крепятся к корпусу с помощью суперклея. Убедитесь, что кнопки на плате TTGO совпадают под отверстиями. После установки кнопки следует корпус кнопки, который приклеивается суперклеем. Убедитесь, что вы не приклеили кнопку к корпусу, она должна свободно перемещаться внутри нее. Чтобы стабилизировать верхнюю часть TTGO, нанесите небольшие капли горячего клея на каждое плечо, чтобы удерживать ее на месте. Батарея идет к задней части платы. Закончите сборку, приклеив верхнюю часть. Должен быть свободный доступ к разъему USB-C для программирования и зарядки аккумулятора.

Шаг 5: программирование

Программное обеспечение для этого прибора принимает аналоговое значение от датчика, изменяет его значение на вольты и использует формулу из таблицы данных датчика для преобразования его в паскалях давления. Исходя из этого, он использует формулу Бернуллиса, чтобы определить объем / сек и массу / сек воздуха, проходящего через трубку. Затем он анализирует это на отдельные вдохи и запоминает значения в нескольких массивах данных, представляет данные на встроенном экране и, наконец, вызывает сервер Blynk и загружает их на ваш телефон. Данные запоминаются только до тех пор, пока вы не сделаете еще один вдох. Клиническое использование спирометра обычно выполняется, когда пациента просят сделать как можно более глубокий вдох и максимально долго и сильно выдохнуть. Обычно используемые алгоритмы, основанные на росте, весе и поле, затем описываются как нормальные или ненормальные. Также представлены различные схемы этих данных, то есть FEV1 / FEVC - общий объем, деленный на объем за первую секунду. Все параметры представлены на экране спирометров, а также на небольшом графике объема ваших усилий с течением времени. Когда данные будут загружены в Wi-Fi, экран вернется в режим «Удар». Все данные теряются после отключения питания.

В первом разделе кода требуется ввести токен Blynk. Следующее требует пароля Wi-Fi и имени сети. Float area_1 - это площадь трубки спирометра в квадратных метрах до сужения, а Float area_2 - это площадь в поперечном сечении непосредственно в месте сужения. Измените их, если хотите изменить конструкцию трубки. Vol и volSec - это два массива, которые удерживают увеличение объема с течением времени и скорости движения воздуха. Функция цикла начинается с расчета частоты дыхания. В следующем разделе выполняется считывание показаний датчика и вычисление давления. Следующий оператор if пытается выяснить, закончили ли вы удар - сложнее, чем вы думаете, часто давление внезапно падает на миллисекунду прямо в середине удара. В следующем разделе рассчитывается массовый расход на основе давления. Если обнаружено новое дыхание, все данные замораживаются, а параметры рассчитываются и отправляются на экран, после чего следует функция построения графика и, наконец, вызов Blynk для загрузки данных. Если соединение Blynk не обнаружено, оно вернется в состояние «Blow».

Шаг 6: Использование

Достаточно ли точен этот инструмент для того, для чего он предназначен? Я использовал откалиброванный расходомер, подключенный к источнику воздуха, пропущенному через ламинарную воздушную камеру, напечатанную на 3D-принтере, прикрепленную к спирометру, и он точно предсказал, в пределах разумного, расход воздуха от 5 л / мин до 20 л / мин. Мой дыхательный объем в состоянии покоя на тренажере составляет около 500 куб. См и хорошо воспроизводится. При любом клиническом тестировании вы должны помнить о том, что разумно с точки зрения полученной информации и усилий… вы можете взвесить себя с точностью до грамма, но какая польза? Учитывая вариабельность, присущую волевым усилиям по тестированию в отношении результата, этого может быть достаточно для большинства клинических ситуаций. Другая проблема заключается в том, что некоторые люди с огромной емкостью легких могут превысить верхний предел датчика. Мне не удалось это сделать, но это возможно, но у этих людей вряд ли будут проблемы с легкими …

На первом экране представлены FEV1 и FEVC. На следующем экране данных представлены продолжительность удара, соотношение FEV1 / FEVC и MaxFlow в лит / сек. Я довел его до максимума с помощью двух экранов, детализирующих объем с течением времени и лит / сек с течением времени. Циферблаты моделируют FEV1 и FEVC, а также продолжительность печати счетчиков и FEV1 / FEVC. Но те из вас, кто знаком с Blynk, знают, что вы можете делать это любым способом в приложении для телефона и загружать данные на свой адрес электронной почты одним касанием.

Кнопки на боковой стороне прибора выломаны на тот случай, если вы хотите запрограммировать их для активации машины дыханием или для изменения вывода на экран или для изменения соединения Blynk, если вы хотите использовать его в автономном режиме. Кнопки подтягивают контакты 0 и 35 к низкому уровню, так что просто запишите это в программу. COVID якобы оставил у многих хронические проблемы с легкими, и это устройство может быть полезно в тех странах, где доступ к дорогостоящему медицинскому оборудованию может быть ограничен. Вы можете распечатать и собрать его за пару часов, а также распечатать безопасные замененные загрязненные участки устройства за бесценок.

Финалист в конкурсе с питанием от батареи