Spirometer Cetak 3D: 6 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Oleh rabbitcreekIkuti Lainnya oleh penulis:

Proyek Fusion 360 »

Spirometer adalah instrumen klasik untuk melakukan penguraian udara saat dihembuskan dari mulut Anda. Mereka terdiri dari tabung yang Anda tiup ke dalam yang mencatat volume dan kecepatan satu napas yang kemudian dibandingkan dengan satu set nilai normal berdasarkan tinggi, berat dan jenis kelamin dan digunakan untuk mengikuti fungsi paru-paru. Instrumen yang saya rancang, meskipun diuji keakuratannya dengan flowmeter, sama sekali bukan perangkat medis bersertifikat, tetapi dalam keadaan darurat pasti bisa lulus untuk satu - memberikan akun yang relatif dapat direproduksi dan akurat dari standar FEV1, FEVC dan grafik volume output dan kecepatan dari waktu ke waktu. Saya merancangnya sehingga elektronik dengan sensor tertambat yang mahal terbatas pada satu bagian dan tabung tiup yang mudah sekali pakai dengan saluran sarat virus terkait ada di bagian lain. Hal ini tampaknya menjadi salah satu kelemahan dari mesin standar yang digunakan secara klinis -- corong karton yang dapat diganti tidak benar-benar menghilangkan semua risiko ketika virus mengudara dan Anda diminta untuk meniup dengan keras dan lama ke dalam peralatan yang sangat mahal. Biaya perangkat di bawah $40 dan siapa pun dengan printer 3D dapat menghasilkan sebanyak yang mereka inginkan. Perangkat lunak Wifi menambatkannya ke aplikasi Blynk di ponsel cerdas Anda untuk visualisasi dan memungkinkan Anda mengunduh data apa pun yang Anda inginkan.

Langkah 1: Beli Barang

Pada dasarnya kami sedang membangun sensor analog dengan kombo layar/mikrokontroler yang hebat. Yang penting adalah dalam memilih sensor yang tepat. Beberapa desain lain untuk perangkat ini telah menggunakan sensor yang tidak memiliki sensitivitas yang diperlukan untuk menyediakan data untuk menghitung elemen pernapasan ini. ESP32 memiliki masalah yang terkenal dengan nonlinier ADC-nya tetapi ini tampaknya tidak signifikan dalam kisaran unit ini.

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

2. Sensor Tekanan SDP816-125PA, CMOSens®, 125 Pa, Analog, Diferensial $30 Newark, Digikey

3. Baterai Lipo -- 600mah $2

4. Sakelar Nyala/Mati -- Tombol Daya Nyala-Mati / Sakelar Sakelar Tombol Tekan Adafruit

Langkah 2: Cetak 3D

Fusion 360 digunakan untuk merancang dua elemen bersarang dari Spirometer. Tabung Venturi (tiup tabung) memiliki berbagai desain. Untuk menggunakan persamaan Bernoulli untuk perhitungan aliran, Anda harus memiliki beberapa pengurangan volume aliran dalam tabung pengukur. Prinsip ini digunakan dalam berbagai sensor aliran untuk semua jenis cairan aliran laminar. Dimensi yang saya gunakan dalam tabung Venturi tidak berasal dari sumber tertentu tetapi sepertinya berfungsi. Sensor menggunakan tekanan diferensial melintasi area tabung sempit dan lebar untuk menghitung volume aliran. Saya ingin sensor dapat dengan mudah dan reversibel menggunakan tabung Venturi untuk perubahan dan pelepasan yang cepat, jadi saya merancang tabung sensor tekanan untuk keluar dari model dan berakhir di dasarnya di mana mereka akan menghubungkan ujung kepala tabung sensor. Ada polaritas tinggi/rendah pada sensor yang harus dipertahankan dari area bertekanan tinggi/rendah dari tabung Venturi. Tekanan tinggi di bagian lurus dan tekanan rendah di atas kurva pembatasan - seperti di atas sayap pesawat. Badan Spirometer dirancang dengan hati-hati untuk menyediakan dudukan sekrup untuk menahan sensor pada tempatnya dengan sekrup M3 (20 mm). Ini ditempatkan di sisipan M3x4x5mm yang diatur panas. Sisa desain menyediakan penahan TTGO di slot di bagian bawah dan jendela untuk layar. Tombol dan penutup tombol keduanya dicetak dua kali dan memungkinkan akses kotak lempar ke dua tombol pada papan TTGO. Penutup adalah bagian terakhir yang dicetak dan dirancang untuk memberikan akses steker daya/pengisian daya ke bagian atas papan TTGO. Semua bagian dicetak dalam PLA tanpa penyangga.

Langkah 3: Kawat Itu

Tidak banyak kabel sensor dan ESP32. Sensor memiliki empat kabel dan Anda harus mengunduh lembar data untuk sensor hanya untuk memastikan Anda memiliki kabel yang benar: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Daya mengalir ke output 3,3 Volt dari ESP32 dan ground dan OCS keduanya terhubung ke ground. Output analog dari sensor terhubung ke pin 33 pada ESP. Karena koneksi ini melewati lubang sempit di cangkang, jangan menghubungkannya sebelum perakitan unit. Baterai Lipo pas di bagian belakang casing, jadi dapatkan baterai dengan ukuran yang sesuai untuk mAh. TTGO memiliki sirkuit pengisian daya dengan konektor JST kecil di bagian belakang. Hubungkan baterai ke ini dengan sakelar hidup/mati yang memutus jalur pos.

Langkah 4: Perakitan

Modifikasi post 3D printing dilakukan pada blow tube. Dua bagian tabung akuarium plastik dipasang ke lubang bawah unit sejauh mungkin dan kemudian dipangkas rata dengan gunting. Ini memberikan bukaan elastis untuk bukaan tabung sensor agar mudah dipasangkan. Unit utama memerlukan pemasangan sisipan kuningan set panas ke dalam dua lubang di bingkai. Lubang pemasangan sensor harus sedikit diperbesar untuk sekrup 3mm (20 mm) dengan mata bor yang sesuai. Pasang sensor dengan dua sekrup dan selesaikan sambungan listrik ke papan TTGO. Hubungkan dan pasang sakelar hidup/mati dengan lem super. Gunakan yang dari Adafruit karena kasingnya dirancang untuk menahannya dengan tepat. Kedua tombol dipasang ke kasing dengan lem super. Pastikan tombol pada papan TTGO sejajar di bawah bukaan. Tombol dipasang diikuti oleh rumah tombol yang dilem super. Pastikan Anda tidak merekatkan kancing ke wadahnya, kancing itu harus bergerak bebas di dalamnya. Untuk menstabilkan bagian atas TTGO, tempatkan sedikit lem panas di kedua bahu untuk menahannya di tempatnya. Baterai berada di belakang papan. Selesaikan perakitan dengan menempelkan bagian atas. Harus ada akses mudah ke konektor USB-C untuk pemrograman dan pengisian daya baterai.

Langkah 5: Pemrograman

Perangkat lunak untuk instrumen ini mengambil nilai analog dari sensor mengubah nilainya menjadi volt dan menggunakan rumus dari lembar data sensor untuk mengubahnya menjadi Pascal tekanan. Dari sini digunakan rumus Bernoullis untuk menentukan vol/detik dan massa/detik udara yang melalui tabung. Kemudian menganalisis ini menjadi napas individu dan mengingat nilai-nilai dalam beberapa array data dan menyajikan data pada layar bawaan dan akhirnya memanggil server Blynk dan mengunggahnya ke telepon Anda. Data hanya diingat sampai Anda mengambil napas lagi. Penggunaan klinis spirometer umumnya dilakukan dengan meminta pasien untuk mengambil napas sebanyak mungkin dan menghembuskannya selama dan sekeras yang mereka bisa. Algoritma yang umum digunakan berdasarkan tinggi, berat dan jenis kelamin kemudian digambarkan sebagai normal atau abnormal. Pengaturan yang berbeda dari data ini juga disajikan yaitu FEV1/FEVC --volume total dibagi volume pada detik pertama. Semua parameter disajikan pada layar Spirometer serta grafik kecil dari upaya Anda dalam vol dari waktu ke waktu. Ketika data telah diunggah ke Wifi, layar kembali ke "Blow". Semua data hilang setelah daya dimatikan.

Bagian pertama dari kode mengharuskan Anda untuk memasukkan token Blynk Anda. Selanjutnya membutuhkan kata sandi Wifi dan nama jaringan. Luas terapung_1 adalah luas dalam m persegi tabung spirometer sebelum menyempit dan Luas terapung_2 adalah luas penampang yang langsung menyempit. Ubah ini jika Anda ingin mendesain ulang tabung. Vol dan volSec adalah dua array yang menahan peningkatan volume dari waktu ke waktu dan kecepatan pergerakan udara. Fungsi loop dimulai dengan menghitung laju pernapasan. Bagian selanjutnya membaca sensor dan menghitung tekanan. Pernyataan if berikut mencoba untuk mencari tahu apakah Anda sudah selesai dengan pukulan Anda - lebih sulit dari yang Anda pikirkan, seringkali tekanan turun tiba-tiba selama satu milidetik tepat di tengah pukulan. Bagian selanjutnya menghitung aliran massa berdasarkan tekanan. Jika nafas baru terdeteksi, semua data dibekukan dan parameter dihitung dan dikirim ke layar, diikuti oleh fungsi grafik dan akhirnya panggilan Blynk untuk mengunggah data. Jika tidak ada koneksi Blynk yang terdeteksi maka akan kembali ke "Blow".

Langkah 6: Menggunakannya

Apakah instrumen ini cukup akurat untuk apa yang dimaksudkan untuk dilakukan? Saya menggunakan pengukur aliran terkalibrasi yang terhubung ke sumber udara yang melewati ruang udara laminar cetak 3D yang terpasang pada Spirometer dan secara akurat memperkirakan aliran udara yang wajar dari 5 liter/menit hingga 20 liter/menit. Volume tidal istirahat saya pada mesin adalah sekitar 500cc dan sangat dapat direproduksi. Dengan pengujian klinis apa pun, Anda harus mengingat apa yang masuk akal dalam hal manfaat informasi yang diterima versus upaya … Anda dapat menimbang diri Anda ke gram terdekat tetapi untuk apa manfaatnya? Mempertimbangkan variabilitas yang melekat dalam upaya pengujian kehendak terhadap hasil mungkin cukup untuk sebagian besar situasi klinis. Kekhawatiran lainnya adalah beberapa orang dengan kapasitas paru-paru yang besar mungkin melampaui batas sensor atas. Saya tidak dapat melakukan ini tetapi itu mungkin, tetapi orang-orang ini tidak mungkin memiliki masalah paru-paru…

Layar pertama menampilkan FEV1 dan FEVC. Layar data berikutnya menampilkan Durasi pukulan, rasio FEV1/FEVC dan MaxFlow dalam Lit/Detik. Saya memaksimalkannya dengan dua layar yang merinci Vol dari waktu ke waktu dan Lit/dtk dari waktu ke waktu. Dial mock up FEV1 dan FEVC dan meter durasi cetak dan FEV1/FEVC. Tetapi bagi Anda yang akrab dengan Blynk tahu bahwa Anda dapat melakukan ini dengan cara apa pun yang Anda inginkan di aplikasi ponsel dan mengunduh data ke email Anda dengan satu sentuhan.

Tombol-tombol di sisi instrumen rusak jika Anda ingin memprogramnya untuk mengaktifkan mesin dengan napas atau untuk memvariasikan output layar atau untuk mengubah koneksi Blynk jika Anda ingin menggunakannya secara offline. Tombol menarik pin 0 dan 35 rendah jadi tulis saja ini ke dalam program. COVID konon telah meninggalkan banyak masalah paru-paru yang berkepanjangan dan perangkat ini mungkin berguna di negara-negara di mana akses ke peralatan medis yang mahal mungkin terbatas. Anda dapat mencetak dan merakit ini dalam beberapa jam dan mencetak bagian perangkat yang terkontaminasi pengganti yang aman secara gratis.

Runner Up dalam Kontes Bertenaga Baterai