3D Printed Spirometer: 6 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Sundin ang Higit pa ng may-akda:

Mga Proyekto ng Fusion 360 »

Ang Spirometers ay ang klasikong instrumento upang maisagawa ang pag-parse ng hangin habang hinihipan ito mula sa iyong bibig. Binubuo ang mga ito ng isang tubo na pinapasok mo na nagtatala ng dami at bilis ng isang paghinga na pagkatapos ay inihambing sa isang hanay ng mga normal na halaga batay sa taas, wt at kasarian at ginagamit upang sundin ang pagpapaandar ng baga. Ang instrumento na dinisenyo ko, kahit na nasubok para sa kawastuhan na may isang flowmeter ay hindi sa anumang paraan isang sertipikadong medikal na aparato, ngunit sa isang kurot tiyak na maaari itong pumasa para sa isa - na nagbibigay ng kamag-anak na kopyahin at tumpak na mga account ng karaniwang FEV1, FEVC at mga graph ng dami output at bilis sa paglipas ng panahon. Idinisenyo ko ito upang ang electronics na may mamahaling naka-tether na sensor ay nakakulong sa isang piraso at ang madaling maipasok na blow tube na may kaugnay na mga karga na karga ng virus ay nasa isa pa. Lumilitaw na ito ay isa sa mga drawbacks ng karaniwang mga machine na ginagamit nang klinikal - ang mga maaaring palitan na mga karton na bibig ay hindi talaga tinanggal ang lahat ng mga panganib kapag ang mga virus ay nasa hangin at hiniling sa iyo na pumutok nang mahaba at mahirap sa isang napakahalagang kagamitan. Ang gastos ng aparato ay mas mababa sa $ 40 at ang sinumang may isang 3D printer ay maaaring maging maraming hangga't gusto nila. Ang software na Wifi ay nagse-tether sa isang Blynk app sa iyong smartphone para sa visualization at pinapayagan kang mag-download ng anumang data na gusto mo.

Hakbang 1: Bumili ng Bagay

Mahalaga na nagtatayo kami ng isang analog sensor na may isang mahusay na combo ng screen / microcontroller. Ang kahalagahan ay sa pagpili ng tamang sensor. Maraming iba pang mga disenyo para sa mga aparatong ito ay gumamit ng mga sensor na walang kakulangan sa pagiging sensitibo na kinakailangan upang maibigay ang data upang makalkula ang mga elementong ito sa paghinga. Ang ESP32 ay may kilalang mga isyu sa nonlinearity ng ADC nito ngunit tila hindi ito magiging makabuluhan sa saklaw ng yunit na ito.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 WiFi bluetooth Module 1.14 Inch LCD Development Board $ 8 Bangood

2. SDP816-125PA Pressure Sensor, CMOSens®, 125 Pa, Analogue, Pagkakaiba ng $ 30 Newark, Digikey

3. Baterya ng Lipo - 600mah $ 2

4. On / Off Switch - On-Off Power Button / Pushbutton Toggle Switch Adafruit

Hakbang 2: 3D Print

Ginamit ang Fusion 360 upang idisenyo ang dalawang mga sangkap ng pagsususma ng Spirometer. Ang Venturi tube (blow tube) ay may iba't ibang mga disenyo. Upang magamit ang equation na Bernoulli para sa pagkalkula ng daloy dapat kang magkaroon ng ilang pagbawas sa dami ng daloy sa pagsukat ng tubo. Ang prinsipyong ito ay ginagamit sa iba't ibang mga daloy ng sensor para sa lahat ng uri ng mga likido sa daloy ng laminar. Ang mga sukat na ginamit ko sa tubo ng Venturi ay mula sa walang partikular na mapagkukunan ngunit tila gagana lamang sila. Gumagamit ang sensor ng pagkakaiba-iba ng presyon sa makitid at malawak na lugar ng tubo upang makalkula ang dami ng daloy. Nais kong magawa ng sensor na madali at maibalik ang ugnay ng tubo ng Venturi para sa mabilis na pagbabago at pagtanggal kaya dinisenyo ko ang mga tubong sensor ng presyon upang humantong sa labas ng modelo at magtapos sa base nito kung saan aabutin nila ang mga tip ng mga ulo ng sensor tube. Mayroong isang mataas / mababang polarity sa sensor na dapat mapanatili mula sa mataas / mababang presyon na lugar ng Venturi tube. Ang mataas na presyon ay nasa tuwid na seksyon at ang mababang presyon ay higit sa kurba ng paghihigpit - tulad ng sa isang pakpak ng eroplano. Ang katawan ng Spirometer ay maingat na idinisenyo upang magbigay ng mga mount mount upang hawakan ang sensor sa lugar na may M3 (20 mm) na mga tornilyo. Ang mga ito ay inilalagay sa mga insert na init-set na M3x4x5mm. Ang natitirang disenyo ay nagbibigay para sa pag-angkla ng TTGO sa isang puwang sa ilalim at isang window para sa screen. Ang takip ng pindutan at pindutan ay parehong naka-print nang dalawang beses at pinapayagan ang pag-access sa cast-case sa dalawang mga pindutan sa TTGO board. Ang takip ay ang huling piraso upang mai-print at idinisenyo upang bigyan ng access ang plug ng power / singilin sa tuktok ng board ng TTGO. Ang lahat ng mga piraso ay naka-print sa PLA na walang mga suporta.

Hakbang 3: Wire It

Walang gaanong mga kable ng sensor at ng ESP32. Ang sensor ay may apat na lead at dapat mong i-download ang data sheet para sa sensor upang matiyak na mayroon kang mga lead nang tama: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Ang lakas ay napupunta sa output ng 3.3 Volt ng Ang ESP32 at ang lupa at OCS ay parehong konektado sa lupa. Ang analog output ng sensor ay konektado sa pin 33 sa ESP. Dahil ang mga koneksyon na ito ahas sa pamamagitan ng isang makitid na pagbubukas sa shell ay hindi ikonekta ang mga ito bago ang pagpupulong ng yunit. Ang baterya ng Lipo ay umaangkop sa likuran sa kaso kaya kumuha ng isa na naaangkop na sukat para sa mah. Ang TTGO ay may isang singilin na circuit na may isang maliit na konektor ng JST sa likuran. Ikonekta ang baterya dito gamit ang on / off switch na sinisira ang linya ng pos.

Hakbang 4: Assembly

Ang pagbabago sa pag-print ng 3D na pag-print ay tapos na sa blow tube. Dalawang seksyon ng plastik na tubo ng aquarium ang nakakabit sa ilalim na mga butas ng yunit hanggang sa pupunta sila at pagkatapos ay mai-trim na pamutla ng mga gunting. Nagbibigay ito ng isang nababanat na pagbubukas para sa mga bukas na sensor tube upang madaling makakasama. Kinakailangan ng pangunahing yunit ang pag-install ng mga set ng init na tanso na pagsingit sa dalawang butas sa frame. Ang mga butas ng mounting ng sensor ay kailangang palakihin nang bahagya para sa 3mm (20 mm haba) na mga tornilyo na may naaangkop na sukat na kaunti. I-mount ang sensor gamit ang dalawang mga turnilyo at tapusin ang mga koneksyon sa kuryente sa board ng TTGO. Ikonekta at i-mount ang on / off switch na may superglue. Gamitin ang isa mula sa Adafruit dahil ang kaso ay idinisenyo upang hawakan ito nang eksakto. Ang dalawang mga pindutan ay naka-mount sa kaso na may superglue. Siguraduhin na ang mga pindutan sa board ng TTGO ay nakahanay sa ilalim ng mga bukana. Ang pindutan ay naka-install na sinusundan ng pindutan ng pabahay na kung saan ay superglued. Tiyaking hindi mo idikit ang pindutan sa pabahay nito dapat itong malayang ilipat sa loob nito. Upang patatagin ang tuktok na seksyon ng TTGO maglagay ng maliliit na dab ng mainit na pandikit sa alinmang balikat upang hawakan ito sa lugar. Ang baterya ay pupunta sa likuran ng board. Tapusin ang pagpupulong sa pamamagitan ng supergluing sa itaas. Dapat mayroong madaling pag-access sa konektor ng USB-C para sa programa at singilin ang baterya.

Hakbang 5: Programming

Ang software para sa instrumentong ito ay tumatagal ng halaga ng analog mula sa sensor na binabago ang halaga nito sa volts at ginagamit ang formula mula sa sheet ng data ng sensor upang i-convert ito sa Pascals of pressure. Mula dito gumagamit ito ng Bernoullis formula upang matukoy ang vol / sec at mass / sec ng hangin na dumadaan sa tubo. Pagkatapos ay pinag-aaralan ito nito sa mga indibidwal na paghinga at naaalala ang mga halaga sa maraming mga array ng data at ipinakita ang data sa built in na screen at sa wakas ay tinawag ang Blynk server at na-upload ito sa iyong telepono. Naaalala lamang ang data hanggang sa huminga ka pa. Ang klinikal na paggamit ng isang spirometer ay karaniwang ginagawa sa pamamagitan ng pagtatanong sa pasyente na huminga nang posible hangga't maaari at pasabog ito hangga't makakaya nila. Karaniwang ginagamit na mga algorithm batay sa taas, timbang at kasarian pagkatapos ay inilarawan bilang normal o abnormal. Ang iba't ibang mga kaayusan ng data na ito ay ipinakita din ie FEV1 / FEVC - kabuuang dami na hinati sa dami sa unang segundo. Ang lahat ng mga parameter ay ipinakita sa screen ng Spirometers pati na rin ang isang maliit na grap ng iyong pagsisikap sa vol sa paglipas ng panahon. Kapag na-upload ang data sa Wifi bumalik ang screen sa "Blow". Nawala ang lahat ng data pagkatapos na masara ang kuryente.

Ang unang seksyon ng code ay nangangailangan sa iyo upang i-input ang iyong Blynk token. Ang susunod ay nangangailangan ng Wifi password at pangalan ng network. Ang float area_1 ay ang lugar sa sq m ng spirometer tube bago ang pagpapakipot at Float area_2 ang lugar sa cross section nang direkta sa pagpapakipot. Baguhin ang mga ito kung nais mong muling idisenyo ang tubo. Ang Vol at volSec ay ang dalawang mga arrays na humahawak ng pagtaas ng dami sa paglipas ng panahon at bilis ng paggalaw ng hangin. Nagsisimula ang pagpapaandar ng loop sa pagkalkula ng mga rate ng paghinga. Binabasa ng susunod na seksyon ang sensor at kinakalkula ang presyon. Ang sumusunod kung susubukan ng pahayag na malaman kung tapos ka na sa iyong suntok - mas mahirap kaysa sa iniisip mo, madalas na bumabagsak bigla ang presyon para sa isang millisecond sa gitna mismo ng suntok. Kinakalkula ng susunod na seksyon ang daloy ng masa batay sa presyon. Kung ang isang bagong hininga ay napansin ang lahat ng data ay nagyeyelo at ang mga parameter ay kinakalkula at ipinadala sa screen, na sinusundan ng isang graphing function at sa wakas ng isang tawag sa Blynk upang i-upload ang data. Kung walang nakita na koneksyon sa Blynk babalik ito sa "Blow".

Hakbang 6: Gamit Ito

Makatuwiran bang wasto ang instrumento na ito para sa nais nitong gawin? Gumamit ako ng isang naka-calibrate na flow meter na konektado sa isang mapagkukunan ng hangin na dumaan sa isang 3D naka-print na laminar air room na nakakabit sa Spirometer at tumpak na hinulaang ito sa loob ng dahilan na ang daloy ng hangin mula 5 lit / min hanggang 20 lit / min. Ang dami ng aking resting tidal sa makina ay halos 500cc at napaka-reproducible. Sa anumang klinikal na pagsubok kailangan mong tandaan kung ano ang makatuwiran sa mga tuntunin ng benepisyo na natanggap na impormasyon kumpara sa pagsisikap … maaari mong timbangin ang iyong sarili sa pinakamalapit na gramo ngunit sa anong pakinabang? Kung isasaalang-alang ang pagkakaiba-iba na likas sa pagsisikap ng volitional pagsubok patungo sa kinalabasan maaari itong maging sapat para sa karamihan ng mga klinikal na sitwasyon. Ang iba pang pag-aalala ay ang ilang mga tao na may malaking kapasidad sa baga ay maaaring mag-utos sa itaas na limitasyon ng sensor. Hindi ko nagawa ito ngunit posible, ngunit ang mga taong ito ay malamang na hindi magkaroon ng mga problema sa baga …

Ipinapakita ng unang screen ang FEV1 at FEVC. Ang susunod na screen ng data ay nagpapakita ng Tagal ng suntok, ratio ng FEV1 / FEVC at MaxFlow sa Lit / Sec. Na-maype ko ito gamit ang dalawang mga screen na nagdedetalye ng Vol sa paglipas ng panahon at Lit / sec sa paglipas ng panahon. Binibiro ng mga pagdayal ang FEV1 at FEVC at ang tagal ng pag-print ng metro at FEV1 / FEVC. Ngunit para sa mga pamilyar sa iyo kay Blynk alam mong magagawa mo ito sa anumang paraang nais mo sa app ng telepono at i-download ang data sa iyong email gamit ang isang ugnayan.

Ang mga pindutan sa gilid ng instrumento ay nasira kung nais mong i-program ang mga ito para sa pag-aktibo ng makina nang may hininga o upang maiiba ang output ng screen o upang baguhin ang koneksyon ng Blynk kung nais mong gamitin ito offline. Ang mga pindutan ay kumukuha ng mga pin na 0 at 35 mababa kaya isulat lamang ito sa programa. Ang COVID ay sinasabing nag-iwan ng marami sa mga matagal ng isyu sa baga at ang aparatong ito ay maaaring maging kapaki-pakinabang sa mga bansang iyon kung saan maaaring limitado ang pag-access sa mamahaling kagamitan sa medisina. Maaari mong mai-print at tipunin ito sa loob ng ilang oras at i-print ang ligtas na kapalit na kontaminadong mga seksyon ng aparato nang wala.

Runner Up sa Contest na Pinapatakbo ng Baterya