Ventilador de bricolaje con suministros médicos comunes: 8 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Este proyecto proporciona instrucciones para ensamblar un ventilador improvisado para su uso en situaciones de emergencia cuando no hay suficientes ventiladores comerciales disponibles, como la pandemia actual de COVID-19. Una ventaja de este diseño de ventilador es que básicamente automatiza el uso de un dispositivo de ventilación manual que ya es ampliamente utilizado y aceptado por la comunidad médica. Además, se puede ensamblar principalmente a partir de componentes que ya están disponibles en la mayoría de los entornos hospitalarios y no requiere la fabricación personalizada de ninguna pieza (por ejemplo, impresión 3D, corte por láser, etc.).

Una máscara con válvula de bolsa (BVM), también conocida como resucitador manual, es un dispositivo de mano que se utiliza para proporcionar ventilación con presión positiva a los pacientes que necesitan asistencia respiratoria. Se utilizan para proporcionar ventilación temporal a los pacientes cuando los ventiladores mecánicos no están disponibles, pero no se utilizan durante períodos prolongados de tiempo porque requieren que una persona apriete la bolsa a intervalos regulares de respiración.

Este ventilador de bricolaje automatiza la compresión de un BVM para que pueda usarse para ventilar a un paciente durante un período de tiempo indefinido. La compresión se logra inflando / desinflando repetidamente un manguito de presión arterial envuelto alrededor del BVM. La mayoría de los hospitales están equipados con salidas de pared de aire comprimido y vacío, que se pueden usar para inflar y desinflar el manguito de presión arterial, respectivamente. Una válvula solenoide regula el flujo de aire comprimido, que es controlado por un microcontrolador Arduino.

Además del BVM y el brazalete de presión arterial (los cuales ya están disponibles en hospitales), este diseño requiere menos de $ 100 en piezas, que se pueden comprar fácilmente a vendedores en línea como McMaster-Carr y Amazon. Se proporcionan componentes sugeridos y enlaces de compra, pero puede intercambiar muchas de las piezas con otros componentes similares si los enumerados no están disponibles.

Agradecimientos:

Un agradecimiento especial al profesor Ram Vasudevan de la Universidad de Michigan por financiar este proyecto y a Mariama Runcie, M. D. de Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency en Massachusetts General Hospital y Brigham and Women's Hospital por prestar su experiencia médica y brindar comentarios sobre el concepto.

También quiero reconocer a Christopher Zahner, M. D. y Aisen Chacin, PhD de UTMB que convergieron de forma independiente en un diseño similar antes de publicar este Instructable (artículo de noticias). Si bien mi dispositivo no es nuevo, espero que esta descripción detallada de cómo se construyó resulte útil para otros que buscan recrear o mejorar el concepto.

Suministros

Componentes médicos:

-Máscara de válvula de bolsa, ~ $ 30 (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

-Brazalete de presión arterial, ~ $ 17 (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Componentes electrónicos:

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

-Válvula solenoide electrónica de 3 vías (12V), ~ $ 30 (https://www.mcmaster.com/61975k413)

-Adaptador de pared de 12 V, ~ $ 10 (https://www.amazon.com/gp/product/B01GD4ZQRS)

-Potenciómetro de 10k, <$ 1 (https://www.amazon.com/gp/product/B07C3XHVXV)

-Transistor DarlingtonTIP120, ~ $ 2 (https://www.amazon.com/Pieces-TIP120-Power-Darlington-Transistors/dp/B00NAY1IBS)

-Prueba de pruebas en miniatura, ~ $ 1 (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-Alambre de un solo núcleo, ~ $ 15 por un conjunto completo de colores diferentes (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Otros componentes:

-Conector de manguera con púas de latón con 10-32 roscas, ~ $ 4 (https://www.mcmaster.com/5346k93)

- (x2) Accesorio de tubo de púas de plástico con roscas de 1/4 NPT, ~ $ 1 (https://www.mcmaster.com/5372k121)

-Espaciador de plástico, <$ 1 (https://www.mcmaster.com/94639a258)

- (x2) Tubos de oxígeno resistentes al aplastamiento, ~ $ 10 (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Caja pequeña u otro contenedor para servir como carcasa de válvula y electrónica

Paso 1: Conecte los componentes electrónicos

Usando el cable de núcleo sólido y la placa de prueba en miniatura, conecte el Arduino, TIP 120 y el potenciómetro como se muestra en el diagrama de cableado. También es posible que desee pegar con cinta adhesiva o pegamento caliente el Arduino y la placa de pruebas a un trozo de cartón, ya que esto ayudará a limitar los tirones incidentales de los cables.

Tenga en cuenta que la resistencia de 1k es opcional. Funciona como un seguro contra cortocircuitos eléctricos, pero si no tiene uno por ahí, puede reemplazarlo con un cable y todo debería funcionar bien.

El Arduino no puede accionar la válvula directamente porque requiere más energía de la que pueden suministrar los pines de salida del Arduino. En cambio, el Arduino impulsa el transistor TIP 120, que actúa como un interruptor para encender y apagar la válvula.

El potenciómetro actúa como un "botón de ajuste de la frecuencia respiratoria". Al ajustar la configuración de la olla, la señal de voltaje cambia al pin A0 de Arduino. El código que se ejecuta en Arduino convierte ese voltaje en una "frecuencia respiratoria" y establece la frecuencia de apertura y cierre de la válvula para que coincida.

Paso 2: Conecte la válvula solenoide electrónica

La válvula electrónica no se envía con ningún cable conectado a ella, por lo que esto debe hacerse manualmente.

Primero, retire la cubierta superior con un destornillador Phillips para exponer sus tres terminales de tornillo, V +, V- y GND (consulte la foto para determinar cuál es cuál)

Luego, conecte los cables sujetándolos con los tornillos. Sugeriría usar un cable naranja o amarillo para el V + (o el color que usó para el cable de 12V en el paso anterior), azul o negro para V- y negro para GND (o cualquier color que haya usado para el cable GND en el paso anterior Utilicé negro tanto para V- como para GND, pero puse un pequeño trozo de cinta en el cable GND para poder distinguirlos.

Una vez que los cables estén conectados, vuelva a colocar la cubierta y atorníllela en su lugar.

Luego, conecte los cables a la placa de pruebas como se muestra en el diagrama de cableado actualizado.

Para mayor claridad, también se incluye un diagrama de circuito, pero si no está familiarizado con ese tipo de notación, simplemente puede ignorarlo:)

Paso 3: Cargue el código Arduino y pruebe la electrónica

Si aún no lo tiene, descargue el IDE de Arudino o abra el editor web de Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Si está utilizando el editor web Arduino Create, puede acceder al boceto de este proyecto aquí. Si está utilizando el IDE de Arduino localmente en su computadora, puede descargar el boceto de este Instructable.

Abra el boceto, conecte el Arduino a su computadora con un cable de impresora USB y cargue el boceto en el Arduino. Si tiene problemas para cargar el boceto, puede encontrar ayuda aquí.

Ahora conecte la fuente de alimentación de 12V. La válvula debe emitir un sonido de clic periódicamente y encenderse, como se muestra en el video. Si gira la perilla del potenciómetro en el sentido de las agujas del reloj, debería cambiar más rápido y más lento si lo gira en el sentido contrario a las agujas del reloj. Si este no es el comportamiento que está viendo, regrese y verifique todos los pasos anteriores.

Paso 4: Conecte los conectores de tubo de púas a la válvula

La válvula tiene tres puertos: A, P y Escape. Cuando la válvula está inactiva, A está conectada al Escape y P está cerrada. Cuando la válvula está activa, A está conectada a P y el escape está cerrado. Vamos a conectar P a una fuente de aire comprimido, A al manguito de presión arterial y Escape a un vacío. Con esta configuración, el manguito de presión arterial se inflará cuando la válvula esté activa y se desinflará cuando la válvula esté inactiva.

El puerto de escape está diseñado para estar abierto a la atmósfera, pero debemos conectarlo a una aspiradora para que el manguito de presión arterial se desinfle más rápidamente. Para hacer esto, primero retire la tapa de plástico negra que cubre el puerto de escape. Luego coloque el espaciador de plástico sobre las roscas expuestas y coloque el conector de púas de latón en la parte superior.

Conecte los conectores de púas de plástico a los puertos A y P. Apriete con una llave para asegurarse de que no haya fugas.

Paso 5: crear una carcasa para dispositivos electrónicos

Dado que ninguno de los cables está soldado en su lugar, es importante protegerlos para que no se tiren y desconecten accidentalmente. Esto se puede hacer colocándolos en una carcasa protectora.

Para la carcasa, utilicé una pequeña caja de cartón (una de las cajas de envío de McMaster en las que venían algunas de las piezas). También puede usar un recipiente pequeño de tupperware o algo más elegante si lo desea.

Primero, coloque la válvula, Arduino y la placa de pruebas en miniatura en el contenedor. Luego haga orificios en el contenedor para el cable de alimentación de 12 V y los tubos de aire. Una vez que los agujeros estén terminados, pegamento caliente, cinta adhesiva o cierre con cremallera la válvula, Arduino y la placa de pruebas en los lugares deseados.

Paso 6: Envuelva el brazalete de presión arterial alrededor de BVM

Desconecte la pera de inflado del brazalete de presión arterial (debería poder tirar de ella). En el siguiente paso, este tubo se conectará a la válvula electrónica.

Envuelva el manguito de presión arterial alrededor del BVM. Asegúrese de que el brazalete esté lo más ajustado posible sin que la bolsa se doble.

Paso 7: conecte los tubos de aire

El último paso es conectar el manguito de presión arterial, la fuente de aire comprimido y la fuente de vacío a la válvula electrónica.

Conecte el manguito de presión arterial al terminal A de la válvula.

Con un tubo de oxígeno, conecte el terminal P de la válvula a la fuente de aire comprimido. La mayoría de los hospitales deberían tener salidas de aire comprimido disponibles a una presión de 4 bar (58 psi) (fuente).

Con otro tubo de oxígeno, conecte el terminal de escape de la válvula a la fuente de vacío. La mayoría de los hospitales deben tener salidas de vacío disponibles a 400 mmHg (7,7 psi) por debajo de la atmósfera (fuente).

El dispositivo ahora está completo excepto por los tubos / adaptadores necesarios para conectar la salida del BVM a los pulmones del paciente. No soy un profesional de la salud, por lo que no incluí esos componentes en el diseño, pero se supone que estarían disponibles en cualquier entorno hospitalario.

Paso 8: prueba el dispositivo

Conecta el dispositivo. Si todo está conectado correctamente, el brazalete de presión arterial debe inflarse y desinflarse periódicamente, como se muestra en el video.

No soy un profesional de la salud, por lo que no tengo acceso al aire comprimido del hospital ni a las salidas de vacío. Por lo tanto, utilicé un pequeño compresor de aire y una bomba de vacío para probar el dispositivo en mi casa. Configuré el regulador de presión del compresor a 4 bar (58 psi) y el vacío a -400 mmHg (-7,7 psi) para simular las salidas del hospital lo mejor posible.

Algunas exenciones de responsabilidad y aspectos a considerar:

-La frecuencia respiratoria se puede ajustar girando el potenciómetro (entre 12-40 respiraciones por minuto). Usando mi configuración de aire comprimido / vacío, noté que para frecuencias respiratorias mayores de ~ 20 respiraciones por minuto, el manguito de presión arterial no tiene tiempo para desinflarse completamente entre respiraciones. Es posible que esto no sea un problema cuando se utilizan salidas de aire del hospital, que supongo que pueden proporcionar velocidades de flujo más altas sin tanta caída de presión, pero no lo sé con certeza.

-La válvula de la bolsa no se comprime completamente durante cada respiración. Esto puede resultar en una cantidad insuficiente de aire que se bombea a los pulmones del paciente. Las pruebas en un maniquí médico de vías respiratorias podrían revelar si este es el caso. Si es así, esto posiblemente podría remediarse aumentando el tiempo de inflación durante cada respiración, lo que requeriría editar el código Arduino.

-No probé la capacidad máxima de presión del manguito de presión arterial. 4 bar es mucho más alta que la presión normalmente involucrada al tomar una lectura de presión arterial. El manguito de presión arterial no se rompió durante mi prueba, pero eso no significa que no podría suceder si se permitía que la presión en el manguito se igualara por completo antes de desinflarse.

-Un BVM está diseñado para proporcionar soporte de aire sin ningún tubo adicional entre la válvula y la nariz / boca del paciente. Por lo tanto, para una aplicación real, la longitud del tubo entre el BVM y el paciente debe mantenerse al mínimo.

-Este diseño de ventilador no está aprobado por la FDA y solo debe considerarse como una opción de ÚLTIMO RECURSO. Fue diseñado intencionalmente para que sea fácil de ensamblar a partir de equipos hospitalarios y piezas comerciales para situaciones en las que simplemente no se dispone de alternativas mejores / más sofisticadas. ¡Se fomentan las mejoras!