Сделай сам вентилятор с использованием обычных медицинских принадлежностей: 8 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Этот проект содержит инструкции по сборке импровизированного вентилятора для использования в чрезвычайных ситуациях, когда не хватает коммерческих вентиляторов, таких как текущая пандемия COVID-19. Преимущество этой конструкции аппарата ИВЛ заключается в том, что он по сути просто автоматизирует использование аппарата ручной вентиляции, который уже широко используется и принят медицинским сообществом. Кроме того, он может быть собран в основном из компонентов, которые уже доступны в большинстве больниц, и не требует специального изготовления каких-либо деталей (например, 3D-печать, лазерная резка и т. Д.).

Маска с клапаном мешка (BVM), также известная как ручной реаниматолог, представляет собой портативное устройство, используемое для обеспечения вентиляции с положительным давлением для пациентов, которым требуется помощь при дыхании. Они используются для обеспечения временной вентиляции пациентов, когда аппараты искусственной вентиляции легких недоступны, но не используются в течение длительного периода времени, поскольку они требуют, чтобы человек сжимал мешок через регулярные интервалы дыхания.

Этот самодельный аппарат ИВЛ автоматизирует сжатие BVM, так что его можно использовать для вентиляции пациента в течение неопределенного времени. Сжатие достигается путем многократного накачивания / спуска манжеты для измерения кровяного давления, намотанной на BVM. Большинство больниц оборудованы настенными розетками для сжатого воздуха и вакуума, которые можно использовать для надувания и спуска воздуха из манжеты для измерения кровяного давления соответственно. Электромагнитный клапан регулирует поток сжатого воздуха, которым управляет микроконтроллер Arduino.

Помимо BVM и манжеты для измерения кровяного давления (обе из которых уже доступны в больницах), для этой конструкции требуются детали на сумму менее 100 долларов, которые можно легко купить у онлайн-продавцов, таких как McMaster-Carr и Amazon. Предлагаемые компоненты и ссылки для покупки предоставляются, но вы можете поменять многие части на другие аналогичные компоненты, если перечисленные компоненты недоступны.

Благодарности:

Особая благодарность профессору Раму Васудевану из Мичиганского университета за финансирование этого проекта и Мариаме Ранси, доктору медицины из отделения неотложной медицинской помощи при Гарвардском госпитале Массачусетса и больницы Бригама и Женской больницы за ее медицинский опыт и отзывы о концепции.

Я также хочу поблагодарить Кристофера Знера, доктора медицины, и Айзен Чакин, доктора философии из UTMB, которые независимо друг от друга пришли к аналогичному дизайну до того, как я опубликовал это руководство (новостная статья). Хотя мое устройство не является новым, я надеюсь, что этот подробный отчет о том, как оно было построено, окажется полезным для других, желающих воссоздать или улучшить концепцию.

Запасы

Медицинские компоненты:

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

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

Электронные компоненты:

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

-3-ходовой электронный электромагнитный клапан (12В), ~ 30 $ (https://www.mcmaster.com/61975k413)

-12 В настенный адаптер, ~ 10 долларов США (https://www.amazon.com/gp/product/B01GD4ZQRS)

Потенциометр -10k, <1 доллар США (https://www.amazon.com/gp/product/B07C3XHVXV)

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

-Миниатюрный макет, ~ 1 доллар (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-Одножильный провод, ~ 15 долларов за весь набор разных цветов (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Прочие компоненты:

-Фитинг шланга с латунными зазубринами и резьбой 10-32, ~ 4 доллара США (https://www.mcmaster.com/5346k93)

- (x2) Пластиковый трубный фитинг с зазубринами и резьбой 1/4 NPT, ~ 1 доллар США (https://www.mcmaster.com/5372k121)

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

- (x2) Устойчивые к раздавливанию кислородные трубки, ~ 10 долларов США (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Маленькая коробка или другой контейнер, служащий корпусом для электроники и клапана.

Шаг 1. Подключите электронику

Используя одножильный провод и миниатюрную макетную плату, подключите Arduino, TIP 120 и потенциометр, как показано на схеме подключения. Вы также можете приклеить скотчем или горячим клеем Arduino и макетную плату к куску картона, так как это поможет ограничить случайное дергание за провода.

Обратите внимание, что резистор 1 кОм не является обязательным. Он работает как страховка от короткого замыкания, но если у вас его нет, вы можете просто заменить его проводом, и все должно работать нормально.

Arduino не может управлять клапаном напрямую, потому что он требует больше энергии, чем могут обеспечить выходные контакты Arduino. Вместо этого Arduino управляет транзистором TIP 120, который действует как переключатель для включения и выключения клапана.

Потенциометр действует как «ручка регулировки частоты дыхания». Настройка потенциометра изменяет сигнал напряжения на вывод A0 Arduino. Код, работающий на Arduino, преобразует это напряжение в «частоту дыхания» и устанавливает скорость открытия и закрытия клапана в соответствии с ней.

Шаг 2: Подключите электронный соленоидный клапан

Электронный клапан не поставляется с подключенными к нему проводами, поэтому это нужно делать вручную.

Во-первых, снимите верхнюю крышку с помощью отвертки с крестообразным шлицем, чтобы открыть три ее винтовых клеммы, V +, V- и GND (см. Фотографию, чтобы определить, какая из них какая).

Затем прикрепите провода, зажимая их винтами. Я бы предложил использовать оранжевый или желтый провод для V + (или любого другого цвета, который вы использовали для провода 12 В на предыдущем шаге), синий или черный для V- и черный для GND (или любого другого цвета, который вы использовали для провода GND на На предыдущем шаге я использовал черный для V- и GND, но наложил небольшой кусок ленты на провод GND, чтобы я мог их различать.

Как только провода будут прикреплены, снова установите крышку и прикрутите ее.

Затем подключите провода к макетной плате, как показано на обновленной электрической схеме.

Для наглядности также прилагается принципиальная схема, но если вы не знакомы с этим типом обозначений, вы можете просто проигнорировать их:)

Шаг 3. Загрузите код Arduino и проверьте электронику

Если у вас его еще нет, загрузите Arudino IDE или откройте веб-редактор Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Если вы используете веб-редактор Arduino Create, вы можете получить доступ к эскизу для этого проекта здесь. Если вы используете Arduino IDE локально на своем компьютере, вы можете загрузить скетч из этого руководства.

Откройте эскиз, подключите Arduino к компьютеру с помощью USB-кабеля принтера и загрузите эскиз в Arduino. Если у вас возникли проблемы с загрузкой скетча, здесь можно найти помощь.

Теперь подключите блок питания 12 В. Клапан должен периодически издавать щелкающий звук и загораться, как показано на видео. Если вы поворачиваете ручку потенциометра по часовой стрелке, она должна переключаться быстрее, а если вы поворачиваете ее против часовой стрелки, - медленнее. Если это не то поведение, которое вы наблюдаете, вернитесь и проверьте все предыдущие шаги.

Шаг 4: прикрепите соединители труб с зазубринами к клапану

Клапан имеет три порта: A, P и выпускной. Когда клапан неактивен, A подключен к выхлопу, а P закрыт. Когда клапан активен, A подключен к P, а выпускной канал закрыт. Мы собираемся подключить P к источнику сжатого воздуха, A к манжете для измерения кровяного давления, а выхлоп - к вакууму. В этой конфигурации манжета для измерения кровяного давления будет накачиваться, когда клапан активен, и сдуваться, когда клапан неактивен.

Выпускной порт предназначен только для того, чтобы быть открытым для атмосферы, но нам нужно подключить его к вакууму, чтобы манжета для измерения артериального давления сдувалась быстрее. Для этого сначала снимите черный пластиковый колпачок, закрывающий выпускной порт. Затем поместите пластиковую прокладку на открытую резьбу и прикрепите латунный зазубренный соединитель сверху.

Присоедините пластиковые соединители с зазубринами к портам A и P. Затяните гаечным ключом, чтобы убедиться в отсутствии утечек.

Шаг 5: Создайте корпус для электроники

Поскольку ни один из проводов не припаян на место, важно защитить их от случайного выдергивания и отсоединения. Это можно сделать, поместив их в защитный кожух.

Для корпуса я использовал небольшую картонную коробку (в одну из транспортных коробок McMaster входили некоторые детали). Вы также можете использовать небольшой контейнер для посуды или что-нибудь более интересное, если хотите.

Сначала выложите в контейнер вентиль, Arduino и миниатюрный макет. Затем проткните / просверлите отверстия в контейнере для кабеля питания 12 В и воздушных трубок. Когда отверстия будут закончены, закрепите клапан, Arduino и макетную плату горячим клеем, лентой или застежкой-молнией в нужных местах.

Шаг 6: Оберните манжету для измерения кровяного давления вокруг BVM

Отсоедините грушу от манжеты для измерения артериального давления (ее можно будет просто снять). На следующем этапе эта трубка будет подключена к электронному клапану.

Оберните манжету для измерения кровяного давления вокруг BVM. Убедитесь, что манжета затянута как можно более плотно, но при этом не повреждается сумка.

Шаг 7: прикрепите воздушные трубки

Последний шаг - подсоединить манжету для измерения кровяного давления, источник сжатого воздуха и источник вакуума к электронному клапану.

Подсоедините манжету для измерения кровяного давления к клемме клапана A.

Используя кислородную трубку, подсоедините вывод P клапана к источнику сжатого воздуха. В большинстве больниц должны быть выпускные отверстия для сжатого воздуха под давлением 4 бара (58 фунтов на кв. Дюйм) (источник).

Используя другую кислородную трубку, подсоедините выпускной вывод клапана к источнику вакуума. В большинстве больниц должны быть выпускные отверстия для вакуума при давлении 400 мм рт.

Теперь устройство укомплектовано, за исключением необходимых трубок / адаптеров для подключения выхода BVM к легким пациента. Я не специалист в области здравоохранения, поэтому я не включил эти компоненты в дизайн, но предполагается, что они будут доступны в любой больнице.

Шаг 8: протестируйте устройство

Подключите устройство. Если все подключено правильно, манжета для измерения артериального давления должна периодически надуваться и спускаться, как показано на видео.

Я не специалист в области здравоохранения, поэтому у меня нет доступа к больничному оборудованию для сжатого воздуха или вакуума. Поэтому я использовал небольшой воздушный компрессор и вакуумный насос, чтобы протестировать устройство у себя дома. Я установил регулятор давления на компрессоре на 4 бара (58 фунтов на квадратный дюйм) и вакуум на -400 мм рт.

Некоторые заявления об отказе от ответственности и моменты, которые следует учитывать:

-Частоту дыхания можно регулировать, поворачивая потенциометр (между 12-40 вдохами в минуту). Используя мою систему сжатого воздуха / вакуума, я заметил, что при частоте дыхания более ~ 20 вдохов в минуту манжета артериального давления не успевает полностью сдуться между вдохами. Это может не быть проблемой при использовании выпускных отверстий для больничного воздуха, которые, как я полагаю, могут обеспечивать более высокую скорость потока без значительного падения давления, но я не знаю наверняка.

-Клапан мешка не полностью сжимается при каждом вдохе. Это может привести к недостаточной закачке воздуха в легкие пациента. Тестирование на медицинском манекене для дыхательных путей может показать, так ли это. Если да, то это можно исправить, увеличивая время наполнения при каждом вдохе, что потребует редактирования кода Arduino.

-Я не проверял максимальное давление манжеты для измерения артериального давления. 4 бара намного выше, чем давление, которое обычно используется при измерении артериального давления. Манжета для измерения артериального давления не сломалась во время моего тестирования, но это не значит, что этого не могло бы произойти, если бы давлению в манжете было позволено полностью выровняться перед спуском воздуха.

-A BVM предназначен для обеспечения воздушной поддержки без дополнительных трубок между клапаном и носом / ртом пациента. Таким образом, для реального применения длина трубки между BVM и пациентом должна быть минимальной.

-Эта конструкция вентилятора не одобрена FDA и должна рассматриваться только как вариант ПОСЛЕДНИЙ КУРОРТ. Он был специально разработан таким образом, чтобы его было легко собрать из больничного оборудования и коммерческих деталей в ситуациях, когда лучшие / более сложные альтернативы просто недоступны. Улучшения приветствуются!