Espirômetro impresso em 3D: 6 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

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Projetos Fusion 360 »

Os espirômetros são o instrumento clássico para realizar a análise do ar conforme ele é expelido pela boca. Eles consistem em um tubo no qual você sopra, que registra o volume e a velocidade de uma respiração, que são comparados a um conjunto de valores normais com base na altura, peso e sexo, e são usados para acompanhar a função pulmonar. O instrumento que projetei, embora testado quanto à precisão com um medidor de vazão, não é de forma alguma um dispositivo médico certificado, mas em apuros certamente poderia passar por um - dando contas reproduzíveis e precisas do padrão FEV1, FEVC e gráficos de volume saída e velocidade ao longo do tempo. Eu o projetei de forma que os componentes eletrônicos com o caro sensor amarrado fiquem confinados em uma peça e o tubo de sopro facilmente descartável com canais carregados de vírus associados fique em outra. Esta parece ser uma das desvantagens das máquinas padrão usadas clinicamente - bocais de papelão substituíveis não eliminam realmente todos os riscos quando os vírus estão no ar e você é solicitado a soprar longa e fortemente em um aparelho muito caro. O custo do dispositivo é inferior a US $ 40 e qualquer pessoa com uma impressora 3D pode produzir quantas quiser. O software Wifi o conecta a um aplicativo Blynk em seu smartphone para visualização e permite que você baixe todos os dados que desejar.

Etapa 1: Compre coisas

Basicamente, estamos construindo um sensor analógico com uma ótima combinação de tela / microcontrolador. A importância está em escolher o sensor certo. Vários outros projetos para esses dispositivos usaram sensores que não possuem a sensibilidade necessária para fornecer os dados para calcular esses elementos respiratórios. O ESP32 tem problemas bem conhecidos com a não linearidade de seu ADC, mas isso não parece ser significativo no alcance desta unidade.

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

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

3. Bateria Lipo - 600mah $ 2

4. Chave liga / desliga - Botão liga / desliga / botão de pressão Adafruit

Etapa 2: impressão 3D

O Fusion 360 foi usado para projetar os dois elementos de aninhamento do espirômetro. O tubo de Venturi (tubo de sopro) possui uma variedade de designs. Para usar a equação de Bernoulli para o cálculo da vazão, você deve ter alguma redução no volume da vazão no tubo de medição. Este princípio é usado em uma variedade de sensores de fluxo para todos os tipos de fluidos de fluxo laminar. As dimensões que usei no tubo de Venturi não eram de nenhuma fonte em particular, mas pareciam funcionar. O sensor usa a pressão diferencial nas áreas estreitas e largas do tubo para calcular o volume do fluxo. Eu queria que o sensor pudesse engatar fácil e reversivelmente o tubo de Venturi para troca e remoção rápida, então projetei os tubos do sensor de pressão para sair do modelo e terminar em sua base, onde eles engatariam nas pontas das cabeças dos tubos do sensor. Há uma polaridade alta / baixa no sensor que deve ser mantida nas áreas de alta / baixa pressão do tubo de Venturi. A alta pressão está na seção reta e a baixa pressão está sobre a curva da restrição - assim como sobre a asa de um avião. O corpo do espirômetro é cuidadosamente projetado para fornecer montagens de parafuso para segurar o sensor no lugar com parafusos M3 (20 mm). Eles são colocados em inserções M3x4x5mm ajustadas a quente. O restante do projeto prevê a ancoragem do TTGO em um slot na parte inferior e uma janela para a tela. O botão e a capa do botão são impressos duas vezes e permitem o acesso da caixa aos dois botões na placa TTGO. A capa é a última peça a ser impressa e foi projetada para dar acesso ao plugue de alimentação / carregamento à parte superior da placa TTGO. Todas as peças são impressas em PLA sem suportes.

Etapa 3: conecte-o

Não há muita coisa para a fiação do sensor e do ESP32. O sensor tem quatro terminais e você deve baixar a folha de dados do sensor apenas para se certificar de que os terminais estão corretos: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf A energia vai para a saída de 3,3 Volt do O ESP32, o aterramento e o OCS são ambos conectados ao aterramento. A saída analógica do sensor é conectada ao pino 33 no ESP. Uma vez que essas conexões serpenteiam por uma abertura estreita na concha, não as conecte antes da montagem da unidade. A bateria Lipo cabe na parte posterior do case, então compre uma que seja de tamanho adequado para o mAh. O TTGO possui um circuito de carregamento com um conector JST minúsculo na parte traseira. Conecte a bateria a este com o interruptor liga / desliga interrompendo a linha pos.

Etapa 4: Montagem

A modificação pós-impressão 3D é feita no tubo de sopro. Duas seções de tubos de plástico para aquários são encaixadas nos orifícios inferiores da unidade o máximo que podem e, em seguida, aparadas rente com tesouras de podar. Isso fornece uma abertura elástica para as aberturas do tubo do sensor se encaixarem facilmente. A unidade principal requer a instalação de inserções de latão do conjunto térmico nos dois orifícios da estrutura. Os orifícios de montagem do sensor devem ser ligeiramente aumentados para os parafusos de 3 mm (comprimento de 20 mm) com uma broca de tamanho apropriado. Monte o sensor com dois parafusos e finalize as conexões elétricas na placa TTGO. Conecte e monte o botão liga / desliga com supercola. Use o da Adafruit, pois o case foi projetado para segurá-lo exatamente. Os dois botões são montados na caixa com supercola. Certifique-se de que os botões da placa TTGO estejam alinhados abaixo das aberturas. O botão é instalado seguido pela caixa do botão que é supercolada. Certifique-se de não colar o botão em sua caixa, ele deve se mover livremente. Para estabilizar a seção superior do TTGO, coloque pequenas gotas de cola quente em cada ombro para mantê-la no lugar. A bateria vai para a parte posterior da placa. Finalize a montagem colando a parte superior. Deve haver fácil acesso ao conector USB-C para programação e carregamento da bateria.

Etapa 5: Programação

O software para este instrumento obtém o valor analógico do sensor altera seu valor para volts e usa a fórmula da folha de dados do sensor para convertê-lo em Pascais de pressão. A partir disso, ele usa a fórmula de Bernoullis para determinar o vol / seg e a massa / seg de ar que passa pelo tubo. Em seguida, analisa isso em respirações individuais e lembra os valores em várias matrizes de dados e apresenta os dados na tela embutida e, finalmente, chama o servidor Blynk e carrega-os em seu telefone. Os dados só são lembrados até você respirar novamente. O uso clínico de um espirômetro é comumente feito pedindo ao paciente que respire o máximo possível e expire o máximo que puder. Os algoritmos comumente usados com base na altura, peso e sexo são descritos como normais ou anormais. Diferentes arranjos desses dados também são apresentados, ou seja, VEF1 / VEFC - volume total dividido pelo volume no primeiro segundo. Todos os parâmetros são apresentados na tela dos espirômetros, bem como um pequeno gráfico do seu esforço em vol ao longo do tempo. Quando os dados são carregados para Wifi, a tela retorna para "Blow". Todos os dados são perdidos após o desligamento da energia.

A primeira seção do código requer que você insira seu token Blynk. O próximo requer senha Wifi e nome de rede. Float area_1 é a área em m² do tubo espirômetro antes do estreitamento e Float area_2 é a área na seção transversal diretamente no estreitamento. Altere-os se quiser redesenhar o tubo. Vol e volSec são as duas matrizes que mantêm o aumento de volume com o tempo e a velocidade do movimento do ar. A função de loop começa com o cálculo das taxas de respiração. A próxima seção lê o sensor e calcula a pressão. A seguinte instrução if tenta descobrir se você concluiu o golpe - mais difícil do que você pensa, muitas vezes a pressão cai repentinamente por um milissegundo bem no meio do golpe. A próxima seção calcula o fluxo de massa com base na pressão. Se uma nova respiração for detectada, todos os dados são congelados e os parâmetros calculados e enviados para a tela, seguidos por uma função de gráfico e, finalmente, uma chamada de Blynk para carregar os dados. Se nenhuma conexão Blynk for detectada, ele retornará para "Blow".

Etapa 6: usando

Este instrumento é razoavelmente preciso para o que pretende fazer? Usei um medidor de fluxo calibrado conectado a uma fonte de ar que passou por uma câmara de ar laminar impressa em 3D anexada ao espirômetro e previu com precisão dentro do razoável fluxo de ar de 5 litros / min a 20 litros / min. Meu volume corrente em repouso na máquina é de cerca de 500 cc e muito reproduzível. Com qualquer teste clínico, você deve ter em mente o que é razoável em termos de benefício de informação recebido versus esforço … você pode se avaliar até o grama mais próximo, mas qual benefício? Considerando a variabilidade inerente ao esforço do teste voluntário em direção ao resultado, ele pode ser adequado para a maioria das situações clínicas. A outra preocupação é que algumas pessoas com grande capacidade pulmonar podem ultrapassar o limite superior do sensor. Não consegui fazer isso, mas é possível, mas essas pessoas provavelmente não terão problemas pulmonares …

A primeira tela apresenta FEV1 e FEVC. A próxima tela de dados apresenta a Duração do golpe, a relação FEV1 / FEVC e MaxFlow em Lit / Seg. Aumentei o limite com duas telas detalhando Vol ao longo do tempo e Lit / seg ao longo do tempo. Os dials simulam FEV1 e FEVC e os medidores imprimem a duração e FEV1 / FEVC. Mas, para aqueles que estão familiarizados com o Blynk, você pode fazer isso da maneira que quiser no aplicativo do telefone e baixar os dados para o seu e-mail com um toque.

Os botões na lateral do instrumento são quebrados caso você queira programá-los para ativar a máquina com um sopro ou para variar a saída da tela ou para alterar a conexão Blynk se desejar usá-la offline. Os botões puxam os pinos 0 e 35 para baixo, então apenas escreva isso no programa. O COVID supostamente deixou muitos com problemas pulmonares persistentes e este dispositivo pode ser útil em países onde o acesso a equipamentos médicos caros pode ser limitado. Você pode imprimir e montar isso em algumas horas e imprimir seções contaminadas de substituição segura do dispositivo para nada.

Vice-campeão no concurso movido a bateria