Espirómetro impreso en 3D: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

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Los espirómetros son el instrumento clásico para realizar el análisis sintáctico del aire cuando sale de la boca. Consisten en un tubo en el que se sopla que registra el volumen y la velocidad de una respiración que luego se comparan con un conjunto de valores normales basados en la altura, el peso y el sexo y se utilizan para seguir la función pulmonar. El instrumento que diseñé, aunque se probó su precisión con un medidor de flujo, no es de ninguna manera un dispositivo médico certificado, pero en un apuro sin duda podría pasar por uno, lo que brinda relatos relativamente reproducibles y precisos del FEV1 estándar, FEVC y gráficos de volumen. salida y velocidad a lo largo del tiempo. Lo diseñé para que los componentes electrónicos con el costoso sensor atado estuvieran confinados en una pieza y el tubo de soplado fácilmente desechable con los canales cargados de virus asociados estuviera en otra. Este parece ser uno de los inconvenientes de las máquinas estándar que se usan clínicamente: las boquillas de cartón reemplazables no eliminan realmente todos los riesgos cuando los virus se transmiten por el aire y se le pide que sople largo y duro en un aparato muy costoso. El costo del dispositivo es de menos de $ 40 y cualquier persona con una impresora 3D puede producir tantas como quiera. El software Wifi lo conecta a una aplicación Blynk en su teléfono inteligente para visualización y le permite descargar cualquier dato que desee.

Paso 1: Compra cosas

Básicamente, estamos construyendo un sensor analógico con una gran combinación de pantalla / microcontrolador. La importancia está en elegir el sensor correcto. Varios otros diseños de estos dispositivos han utilizado sensores que carecen de la sensibilidad necesaria para proporcionar los datos para calcular estos elementos respiratorios. El ESP32 tiene problemas bien conocidos con la no linealidad de su ADC, pero esto no parece ser significativo en el rango de esta unidad.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 Módulo Bluetooth WiFi Placa de desarrollo LCD de 1,14 pulgadas $ 8 Bangood

2. Sensor de presión SDP816-125PA, CMOSens®, 125 Pa, analógico, diferencial $ 30 Newark, Digikey

3. Batería Lipo - 600 mah $ 2

4. Interruptor de encendido / apagado - Botón de encendido / apagado / Interruptor de palanca de pulsador Adafruit

Paso 2: Impresión 3D

Fusion 360 se utilizó para diseñar los dos elementos de anidamiento del espirómetro. El tubo Venturi (tubo de soplado) tiene una variedad de diseños. Para usar la ecuación de Bernoulli para el cálculo del flujo, debe tener alguna reducción en el volumen de flujo en el tubo de medición. Este principio se utiliza en una variedad de sensores de flujo para todo tipo de fluidos de flujo laminar. Las dimensiones que utilicé en el tubo Venturi no procedían de ninguna fuente en particular, pero parecían funcionar. El sensor usa la presión diferencial a través de las áreas del tubo estrechas y anchas para calcular el volumen de flujo. Quería que el sensor pudiera enganchar fácil y reversiblemente el tubo Venturi para un cambio y remoción rápidos, así que diseñé los tubos del sensor de presión para que salieran del modelo y terminaran en su base donde encajarían las puntas de los cabezales de los tubos del sensor. Hay una polaridad alta / baja en el sensor que debe mantenerse desde las áreas de alta / baja presión del tubo Venturi. La presión alta está en la sección recta y la presión baja está sobre la curva de la restricción, al igual que sobre el ala de un avión. El cuerpo del espirómetro está cuidadosamente diseñado para proporcionar soportes de tornillo para mantener el sensor en su lugar con tornillos M3 (20 mm). Estos se colocan en inserciones de M3x4x5mm termoendurecidas. El resto del diseño prevé el anclaje del TTGO en una ranura en la parte inferior y una ventana para la pantalla. El botón y la cubierta del botón están impresos dos veces y permiten el acceso de la caja a los dos botones en el tablero TTGO. La cubierta es la última pieza que se imprime y está diseñada para dar acceso al enchufe de alimentación / carga a la parte superior de la placa TTGO. Todas las piezas están impresas en PLA sin soportes.

Paso 3: Conéctelo

No hay mucho en el cableado del sensor y el ESP32. El sensor tiene cuatro cables y debe descargar la hoja de datos del sensor solo para asegurarse de que tiene los cables correctos: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf La energía va a la salida de 3.3 voltios del El ESP32 y el suelo y el OCS están conectados a tierra. La salida analógica del sensor está conectada al pin 33 del ESP. Dado que estas conexiones serpentean a través de una abertura estrecha en la carcasa, no las conecte antes de ensamblar la unidad. La batería Lipo encaja en la parte posterior del estuche, así que obtenga una que tenga el tamaño adecuado para los mAh. El TTGO tiene un circuito de carga con un pequeño conector JST en la parte posterior. Conecte la batería a esto con el interruptor de encendido / apagado rompiendo la línea pos.

Paso 4: Montaje

La modificación posterior a la impresión 3D se realiza en el tubo de soplado. Dos secciones de tubos de plástico para acuarios se colocan en los orificios inferiores de la unidad hasta el tope y luego se recortan al ras con tijeras. Esto proporciona una abertura elástica para que las aberturas del tubo sensor se acoplen fácilmente. La unidad principal requiere la instalación de inserciones de latón termofijado en los dos orificios del marco. Los orificios de montaje del sensor deben agrandarse ligeramente para los tornillos de 3 mm (20 mm de longitud) con una broca del tamaño adecuado. Monte el sensor con dos tornillos y termine las conexiones eléctricas a la placa TTGO. Conecte y monte el interruptor de encendido / apagado con superglue. Use el de Adafruit ya que el estuche está diseñado para sostenerlo exactamente. Los dos botones están montados en la caja con superglue. Asegúrese de que los botones de la placa TTGO estén alineados debajo de las aberturas. El botón se instala seguido de la carcasa del botón que está superpegada. Asegúrese de no pegar el botón a su alojamiento, debe moverse libremente dentro de él. Para estabilizar la sección superior del TTGO, coloque pequeñas gotas de pegamento caliente en cada hombro para mantenerlo en su lugar. La batería va posterior a la placa. Termina el montaje superponiendo la parte superior. Debe haber fácil acceso al conector USB-C para programar y cargar la batería.

Paso 5: programación

El software para este instrumento toma el valor analógico del sensor, cambia su valor a voltios y usa la fórmula de la hoja de datos del sensor para convertirlo en pascales de presión. A partir de esto, utiliza la fórmula de Bernoullis para determinar el volumen / segundo y la masa / segundo de aire que atraviesa el tubo. Luego analiza esto en respiraciones individuales y recuerda los valores en varias matrices de datos y presenta los datos en la pantalla incorporada y finalmente llama al servidor Blynk y lo carga en su teléfono. Los datos solo se recuerdan hasta que vuelvas a respirar. El uso clínico de un espirómetro se realiza comúnmente pidiendo al paciente que respire lo más profundamente posible y lo exhale durante el mayor tiempo posible. Los algoritmos de uso común basados en la altura, el peso y el sexo se describen como normales o anormales. También se presentan diferentes disposiciones de estos datos, es decir, FEV1 / FEVC: volumen total dividido por el volumen en el primer segundo. Todos los parámetros se presentan en la pantalla Espirómetros, así como un pequeño gráfico de su esfuerzo en volumen a lo largo del tiempo. Cuando los datos se han cargado a Wifi, la pantalla vuelve a "Blow". Todos los datos se pierden después de que se apaga la energía.

La primera sección del código requiere que ingrese su token Blynk. El siguiente requiere contraseña Wifi y nombre de red. El área de flotación_1 es el área en metros cuadrados del tubo del espirómetro antes del estrechamiento y el área de flotación_2 es el área en la sección transversal directamente en el estrechamiento. Cámbielos si desea rediseñar el tubo. Vol y volSec son las dos matrices que mantienen el aumento de volumen con el tiempo y la velocidad del movimiento del aire. La función de bucle comienza con el cálculo de la frecuencia respiratoria. La siguiente sección lee el sensor y calcula la presión. La siguiente declaración if intenta averiguar si ha terminado con su golpe: más difícil de lo que cree, a menudo la presión cae repentinamente durante un milisegundo justo en el medio del golpe. La siguiente sección calcula el flujo másico en función de la presión. Si se detecta una nueva respiración, todos los datos se congelan y los parámetros se calculan y se envían a la pantalla, seguido de una función de gráfico y finalmente una llamada de Blynk para cargar los datos. Si no se detecta ninguna conexión con Blynk, volverá a "Blow".

Paso 6: usándolo

¿Es este instrumento razonablemente preciso para lo que pretende hacer? Utilicé un medidor de flujo calibrado conectado a una fuente de aire que pasó a través de una cámara de aire laminar impresa en 3D conectada al espirómetro y predijo con precisión el flujo de aire dentro de lo razonable de 5 l / min a 20 l / min. Mi volumen corriente en reposo en la máquina es de unos 500 cc y muy reproducible. Con cualquier prueba clínica, debe tener en cuenta lo que es razonable en términos de información, beneficio recibido versus esfuerzo … puede pesarse al gramo más cercano, pero ¿para qué beneficio? Teniendo en cuenta la variabilidad inherente al esfuerzo de prueba voluntario hacia el resultado, puede ser adecuado para la mayoría de las situaciones clínicas. La otra preocupación es que algunas personas con una gran capacidad pulmonar pueden superar el límite superior del sensor. No pude hacer esto, pero es posible, pero es poco probable que estas personas tengan problemas pulmonares …

La primera pantalla presenta FEV1 y FEVC. La siguiente pantalla de datos presenta la Duración del soplo, la relación FEV1 / FEVC y MaxFlow en Lit / Sec. Lo maximicé con dos pantallas que detallan Vol a lo largo del tiempo y Lit / seg a lo largo del tiempo. Los diales simulan el FEV1 y el FEVC y los medidores imprimen la duración y el FEV1 / FEVC. Pero para aquellos de ustedes que estén familiarizados con Blynk, sepan que pueden hacer esto de la forma que quieran en la aplicación del teléfono y descargar los datos a su correo electrónico con un toque.

Los botones en el costado del instrumento están rotos en caso de que desee programarlos para activar la máquina con una respiración o para variar la salida de la pantalla o para cambiar la conexión Blynk si desea usarlo fuera de línea. Los botones tiran de los pines 0 y 35 hacia abajo, así que simplemente escriba esto en el programa. COVID supuestamente ha dejado a muchos con problemas pulmonares persistentes y este dispositivo puede ser útil en aquellos países donde el acceso a equipos médicos costosos puede ser limitado. Puede imprimir y ensamblar esto en un par de horas e imprimir secciones contaminadas de reemplazo seguro del dispositivo por nada.

Finalista en el concurso de baterías