Τρισδιάστατο σπιρόμετρο: 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Ακολουθήστε περισσότερα από τον συγγραφέα:

Έργα Fusion 360 »

Τα σπιρόμετρα είναι το κλασικό όργανο για την εκτέλεση της ανάλυσης του αέρα καθώς φυσάει από το στόμα σας. Αποτελούνται από έναν σωλήνα στον οποίο φυσάτε και καταγράφει τον όγκο και την ταχύτητα μίας αναπνοής που στη συνέχεια συγκρίνονται με ένα σύνολο φυσιολογικών τιμών με βάση το ύψος, το βάρος και το φύλο και χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της λειτουργίας των πνευμόνων. Το όργανο που σχεδίασα, αν και δοκιμάστηκε για ακρίβεια με μετρητή ροής, δεν είναι σε καμία περίπτωση πιστοποιημένη ιατρική συσκευή, αλλά σίγουρα θα μπορούσε να περάσει για ένα-δίνοντας σχετικούς αναπαραγώγιμους και ακριβείς λογαριασμούς των τυπικών FEV1, FEVC και γραφήματα έντασης ταχύτητα και έξοδο. Το σχεδίασα έτσι ώστε τα ηλεκτρονικά με τον ακριβό συνδεδεμένο αισθητήρα να περιορίζονται σε ένα κομμάτι και ο εύχρηστος σωλήνας εμφύσησης με τα αντίστοιχα κανάλια φορτωμένα με ιούς ήταν σε ένα άλλο. Αυτό φαίνεται να είναι ένα από τα μειονεκτήματα των τυπικών μηχανημάτων που χρησιμοποιούνται κλινικά - τα αντικαταστάσιμα επιστόμια από χαρτόνι δεν εξαλείφουν πραγματικά όλους τους κινδύνους όταν οι ιοί μεταφέρονται στον αέρα και σας ζητείται να φυσήξετε πολύ σκληρά σε μια πολύ ακριβή συσκευή. Το κόστος της συσκευής είναι κάτω από $ 40 και όποιος έχει τρισδιάστατο εκτυπωτή μπορεί να βγει όσα θέλει. Το λογισμικό Wifi το συνδέει σε μια εφαρμογή Blynk στο smartphone σας για οπτικοποίηση και σας επιτρέπει να κατεβάσετε όσα δεδομένα θέλετε.

Βήμα 1: Αγοράστε πράγματα

Ουσιαστικά χτίζουμε έναν αναλογικό αισθητήρα με εξαιρετικό συνδυασμό οθόνης/μικροελεγκτή. Η σημασία είναι στην επιλογή του σωστού αισθητήρα. Αρκετά άλλα σχέδια για αυτές τις συσκευές έχουν χρησιμοποιήσει αισθητήρες που δεν διαθέτουν την απαραίτητη ευαισθησία για να παράσχουν τα δεδομένα για τον υπολογισμό αυτών των αναπνευστικών στοιχείων. Το ESP32 έχει γνωστά προβλήματα με τη μη γραμμικότητα του ADC του, αλλά αυτό δεν φαίνεται να είναι σημαντικό στην περιοχή αυτής της μονάδας.

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

2. Αισθητήρας πίεσης SDP816-125PA, CMOSens®, 125 Pa, Αναλογικό, Διαφορικό $ 30 Newark, Digikey

3. Μπαταρία Lipo - 600mah 2 $

4. Διακόπτης ενεργοποίησης / απενεργοποίησης-Κουμπί ενεργοποίησης / απενεργοποίησης / Διακόπτης αλλαγής Adafruit

Βήμα 2: Τρισδιάστατη εκτύπωση

Το Fusion 360 χρησιμοποιήθηκε για τον σχεδιασμό των δύο στοιχείων φωλιάσματος του Σπιρομέτρου. Ο σωλήνας Venturi (σωλήνας εμφύσησης) έχει ποικιλία σχεδίων. Για να χρησιμοποιήσετε την εξίσωση Bernoulli για τον υπολογισμό της ροής πρέπει να έχετε κάποια μείωση του όγκου ροής στον σωλήνα μέτρησης. Αυτή η αρχή χρησιμοποιείται σε μια ποικιλία αισθητήρων ροής για όλα τα είδη ρευστών στρωτής ροής. Οι διαστάσεις που χρησιμοποίησα στον σωλήνα Venturi δεν προέρχονταν από καμία ιδιαίτερη πηγή, αλλά φαινόταν ότι λειτουργούσαν. Ο αισθητήρας χρησιμοποιεί τη διαφορική πίεση στις στενές και ευρείες περιοχές του σωλήνα για να υπολογίσει τον όγκο ροής. Wantedθελα ο αισθητήρας να μπορεί να εμπλέκει εύκολα και αντιστρόφως τον σωλήνα Venturi για γρήγορη αλλαγή και αφαίρεση, οπότε σχεδίασα τους σωλήνες αισθητήρα πίεσης να βγάζουν από το μοντέλο και να τελειώνουν στη βάση του, όπου θα εμπλέκουν τις άκρες των κεφαλών των σωλήνων αισθητήρα. Υπάρχει μια υψηλή/χαμηλή πολικότητα στον αισθητήρα που πρέπει να διατηρηθεί από τις περιοχές υψηλής/χαμηλής πίεσης του σωλήνα Venturi. Η υψηλή πίεση είναι στο ευθύγραμμο τμήμα και η χαμηλή πίεση πάνω από την καμπύλη του περιορισμού-ακριβώς όπως πάνω από μια πτέρυγα αεροπλάνου. Το σώμα του Σπιρομέτρου έχει σχεδιαστεί προσεκτικά για να παρέχει βίδες στήριξης για να συγκρατεί τον αισθητήρα στη θέση του με βίδες M3 (20 mm). Αυτά τοποθετούνται σε ένθετα θερμότητας M3x4x5mm. Το υπόλοιπο σχέδιο προβλέπει την αγκύρωση του TTGO σε μια υποδοχή στο κάτω μέρος και ένα παράθυρο για την οθόνη. Το κουμπί και το κάλυμμα των κουμπιών εκτυπώνονται και τα δύο δύο και επιτρέπουν την πρόσβαση με βαλίτσα στα δύο κουμπιά της πλακέτας TTGO. Το εξώφυλλο είναι το τελευταίο κομμάτι για εκτύπωση και έχει σχεδιαστεί για να παρέχει πρόσβαση στο βύσμα τροφοδοσίας/φόρτισης στο πάνω μέρος της πλακέτας TTGO. Όλα τα κομμάτια εκτυπώνονται σε PLA χωρίς υποστηρίγματα.

Βήμα 3: Σύρμα

Δεν υπάρχουν πολλά στην καλωδίωση του αισθητήρα και του ESP32. Ο αισθητήρας έχει τέσσερα καλώδια και θα πρέπει να κατεβάσετε το φύλλο δεδομένων για τον αισθητήρα μόνο για να βεβαιωθείτε ότι έχετε τους σωστούς αγωγούς: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf Η ισχύς πηγαίνει στην έξοδο 3,3 Volt του Το ESP32 και η γείωση και το OCS συνδέονται και τα δύο με τη γείωση. Η αναλογική έξοδος του αισθητήρα συνδέεται με τον πείρο 33 στο ESP. Δεδομένου ότι αυτές οι συνδέσεις περνούν μέσα από ένα στενό άνοιγμα στο κέλυφος, μην τις συνδέσετε πριν από τη συναρμολόγηση της μονάδας. Η μπαταρία Lipo ταιριάζει στο πίσω μέρος της θήκης, οπότε αγοράστε μια κατάλληλη για το mAh. Το TTGO διαθέτει κύκλωμα φόρτισης με μια μικρή υποδοχή JST στο πίσω μέρος. Συνδέστε την μπαταρία σε αυτό με τον διακόπτη on/off να σπάει τη γραμμή pos.

Βήμα 4: Συναρμολόγηση

Η τροποποίηση μετά την τρισδιάστατη εκτύπωση γίνεται στον σωλήνα εμφύσησης. Δύο τμήματα πλαστικών σωλήνων ενυδρείου τοποθετούνται στις κάτω οπές της μονάδας όσο μπορούν και στη συνέχεια περικόπτονται στο ίδιο επίπεδο με κουρευτικά. Αυτό παρέχει ένα ελαστικό άνοιγμα για τα ανοίγματα του σωλήνα αισθητήρα για να ταιριάζουν εύκολα. Η κύρια μονάδα απαιτεί την εγκατάσταση ενθέτων από ορείχαλκο θερμότητας στις δύο οπές στο πλαίσιο. Οι οπές στερέωσης του αισθητήρα πρέπει να διευρυνθούν ελαφρώς για τις βίδες 3 mm (μήκος 20 mm) με ένα κατάλληλο μέγεθος μπιτ. Τοποθετήστε τον αισθητήρα με δύο βίδες και ολοκληρώστε τις ηλεκτρικές συνδέσεις στην πλακέτα TTGO. Συνδέστε και τοποθετήστε τον διακόπτη ενεργοποίησης/απενεργοποίησης με superglue. Χρησιμοποιήστε αυτό της Adafruit καθώς η θήκη έχει σχεδιαστεί για να το συγκρατεί ακριβώς. Τα δύο κουμπιά είναι τοποθετημένα στη θήκη με superglue. Βεβαιωθείτε ότι τα κουμπιά στον πίνακα TTGO ευθυγραμμίζονται κάτω από τα ανοίγματα. Το κουμπί εγκαθίσταται ακολουθούμενο από το περίβλημα του κουμπιού το οποίο είναι υπερ -κολλημένο. Βεβαιωθείτε ότι δεν κολλάτε το κουμπί στο περίβλημα του, πρέπει να κινείται ελεύθερα μέσα του. Για να σταθεροποιήσετε το πάνω τμήμα του TTGO, τοποθετήστε μικρά σφουγγάρια ζεστής κόλλας σε κάθε ώμο για να το κρατήσετε στη θέση του. Η μπαταρία πηγαίνει πίσω στην πλακέτα. Ολοκληρώστε τη συναρμολόγηση κολλώντας υπερβολικά την κορυφή. Θα πρέπει να υπάρχει εύκολη πρόσβαση στην υποδοχή USB-C για προγραμματισμό και φόρτιση μπαταρίας.

Βήμα 5: Προγραμματισμός

Το λογισμικό για αυτό το όργανο λαμβάνει την αναλογική τιμή από τον αισθητήρα αλλάζει την τιμή του σε βολτ και χρησιμοποιεί τον τύπο από το φύλλο δεδομένων του αισθητήρα για να το μετατρέψει σε Πασκάλ πίεσης. Από αυτό χρησιμοποιεί τον τύπο Bernoullis για να καθορίσει το vol/sec και τη μάζα/sec του αέρα που διέρχεται από το σωλήνα. Στη συνέχεια το αναλύει σε μεμονωμένες αναπνοές και θυμάται τις τιμές σε αρκετούς πίνακες δεδομένων και παρουσιάζει τα δεδομένα στην ενσωματωμένη οθόνη και τελικά καλεί τον διακομιστή Blynk και τα ανεβάζει στο τηλέφωνό σας. Τα δεδομένα θυμούνται μόνο μέχρι να πάρεις άλλη ανάσα. Η κλινική χρήση ενός σπιρομέτρου γίνεται συνήθως ζητώντας από τον ασθενή να πάρει όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ανάσα και να το φυσήξει για όσο περισσότερο χρόνο και δυνατά μπορεί. Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται συνήθως με βάση το ύψος, το βάρος και το φύλο περιγράφονται στη συνέχεια ως φυσιολογικοί ή μη φυσιολογικοί. Παρουσιάζονται επίσης διαφορετικές ρυθμίσεις αυτών των δεδομένων, δηλαδή FEV1/FEVC -συνολικός όγκος διαιρούμενος με όγκο στο πρώτο δευτερόλεπτο. Όλες οι παράμετροι παρουσιάζονται στην οθόνη των Σπιρομέτρων καθώς και μια μικρή γραφική παράσταση της προσπάθειάς σας σε vol με την πάροδο του χρόνου. Όταν μεταφορτωθούν δεδομένα στο Wifi, η οθόνη επιστρέφει στο "Blow". Όλα τα δεδομένα χάνονται μετά τη διακοπή της τροφοδοσίας.

Το πρώτο τμήμα του κώδικα απαιτεί την εισαγωγή του διακριτικού Blynk. Το επόμενο απαιτεί κωδικό πρόσβασης Wifi και όνομα δικτύου. Η περιοχή πλωτήρα_1 είναι η περιοχή σε τετραγωνικά μέτρα του σωλήνα σπιρομέτρου πριν από τη στένωση και η περιοχή πλωτήρα_2 είναι η περιοχή σε διατομή απευθείας στο στένεμα. Αλλάξτε αυτά αν θέλετε να επανασχεδιάσετε τον σωλήνα. Vol και volSec είναι οι δύο συστοιχίες που διατηρούν την αύξηση της έντασης με την πάροδο του χρόνου και την ταχύτητα της κίνησης του αέρα. Η λειτουργία βρόχου ξεκινά με τον υπολογισμό των ρυθμών αναπνοής. Το επόμενο τμήμα διαβάζει τον αισθητήρα και υπολογίζει την πίεση. Η ακόλουθη δήλωση αν προσπαθεί να καταλάβει εάν τελειώσατε με το χτύπημα-πιο δύσκολο από ό, τι νομίζετε, συχνά η πίεση πέφτει ξαφνικά για ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου στη μέση του χτυπήματος. Το επόμενο τμήμα υπολογίζει τη ροή μάζας με βάση την πίεση. Εάν εντοπιστεί νέα αναπνοή, όλα τα δεδομένα παγώνουν και οι παράμετροι υπολογίζονται και αποστέλλονται στην οθόνη, ακολουθούμενη από μια λειτουργία γραφικής παράστασης και τέλος μια κλήση Blynk για τη μεταφόρτωση των δεδομένων. Εάν δεν εντοπιστεί σύνδεση Blynk, θα επιστρέψει στο "Blow".

Βήμα 6: Χρησιμοποιώντας το

Είναι αυτό το όργανο εύλογα ακριβές για αυτό που υποτίθεται ότι κάνει; Χρησιμοποίησα ένα βαθμονομημένο μετρητή ροής συνδεδεμένο με μια πηγή αέρα που περνούσε από έναν τρισδιάστατο τυπωμένο θάλαμο αέρα προσαρτημένο στο Σπιρόμετρο και προέβλεψε με ακρίβεια εντός του λόγου τη ροή του αέρα από 5 lit/min έως 20 lit/min. Ο παλιρροιακός όγκος ανάπαυσης στο μηχάνημα είναι περίπου 500cc και είναι πολύ αναπαραγώγιμος. Με οποιαδήποτε κλινική δοκιμή πρέπει να έχετε κατά νου τι είναι λογικό όσον αφορά το όφελος πληροφοριών που λαμβάνετε έναντι της προσπάθειας … μπορείτε να ζυγίσετε τον εαυτό σας στο πλησιέστερο γραμμάριο αλλά σε ποιο όφελος; Λαμβάνοντας υπόψη τη μεταβλητότητα που συνδέεται με την εθελοντική προσπάθεια δοκιμής προς το αποτέλεσμα, μπορεί να είναι επαρκής για τις περισσότερες κλινικές καταστάσεις. Η άλλη ανησυχία είναι ότι ορισμένοι άνθρωποι με τεράστια πνευμονική χωρητικότητα μπορεί να ξεπεράσουν το ανώτερο όριο αισθητήρα. Δεν ήμουν σε θέση να το κάνω αυτό, αλλά είναι δυνατό, αλλά αυτοί οι άνθρωποι δεν είναι πιθανό να έχουν πνευμονικά προβλήματα…

Η πρώτη οθόνη παρουσιάζει FEV1 και FEVC. Η επόμενη οθόνη δεδομένων παρουσιάζει Διάρκεια κτυπήματος, λόγο FEV1/FEVC και MaxFlow σε Lit/Sec. Το μεγιστοποίησα με δύο οθόνες που περιγράφουν λεπτομερώς το Vol με την πάροδο του χρόνου και το Lit/sec με την πάροδο του χρόνου. Οι κλήσεις κοροϊδεύουν τα FEV1 και FEVC και οι μετρητές διάρκεια εκτύπωσης και FEV1/FEVC. Αλλά για όσους από εσάς γνωρίζετε το Blynk γνωρίζετε ότι μπορείτε να το κάνετε με όποιον τρόπο θέλετε στην εφαρμογή τηλεφώνου και να κατεβάσετε τα δεδομένα στο email σας με ένα άγγιγμα.

Τα κουμπιά στο πλάι του οργάνου είναι σπασμένα σε περίπτωση που θέλετε να τα προγραμματίσετε για να ενεργοποιήσετε το μηχάνημα με μια ανάσα ή να αλλάξετε την έξοδο της οθόνης ή να αλλάξετε τη σύνδεση Blynk εάν θέλετε να το χρησιμοποιήσετε εκτός σύνδεσης. Τα κουμπιά τραβούν τους πείρους 0 και 35 χαμηλά, οπότε γράψτε αυτό στο πρόγραμμα. Ο COVID φέρεται να έχει αφήσει πολλούς με παρατεταμένα προβλήματα στους πνεύμονες και αυτή η συσκευή μπορεί να είναι χρήσιμη σε εκείνες τις χώρες όπου η πρόσβαση σε ακριβό ιατρικό εξοπλισμό μπορεί να είναι περιορισμένη. Μπορείτε να το εκτυπώσετε και να το συναρμολογήσετε σε μερικές ώρες και να εκτυπώσετε ασφαλή ανταλλακτικά μολυσμένα τμήματα της συσκευής χωρίς τίποτα.

Επόμενος στο Διαγωνισμό με μπαταρία