DIY αναπνευστήρας χρησιμοποιώντας κοινά ιατρικά είδη: 8 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Αυτό το έργο παρέχει οδηγίες για τη συναρμολόγηση ενός αναπνευστήρα αλλαγής για χρήση σε σενάρια έκτακτης ανάγκης όταν δεν υπάρχουν αρκετοί εμπορικοί αναπνευστήρες, όπως η τρέχουσα πανδημία COVID-19. Ένα πλεονέκτημα αυτού του σχεδιασμού του αναπνευστήρα είναι ότι ουσιαστικά αυτοματοποιεί τη χρήση μιας χειροκίνητης συσκευής εξαερισμού που είναι ήδη ευρέως χρησιμοποιούμενη και αποδεκτή από την ιατρική κοινότητα. Επιπλέον, μπορεί να συναρμολογηθεί κυρίως από εξαρτήματα που είναι ήδη διαθέσιμα στις περισσότερες νοσοκομειακές ρυθμίσεις και δεν απαιτεί καμία προσαρμοσμένη κατασκευή οποιωνδήποτε εξαρτημάτων (π.χ. τρισδιάστατη εκτύπωση, κοπή με λέιζερ κ.λπ.).

Μια μάσκα βαλβίδας τσάντας (BVM), επίσης γνωστή ως χειροκίνητος αναζωογονητής, είναι μια συσκευή χειρός που χρησιμοποιείται για να παρέχει αερισμό θετικής πίεσης σε ασθενείς που χρειάζονται αναπνευστική βοήθεια. Χρησιμοποιούνται για την παροχή προσωρινού αερισμού σε ασθενείς όταν οι μηχανικοί αναπνευστήρες δεν είναι διαθέσιμοι, αλλά δεν χρησιμοποιούνται για παρατεταμένο χρονικό διάστημα, επειδή απαιτούν από έναν άνθρωπο να πιέζει τον σάκο σε τακτά διαστήματα αναπνοής.

Αυτός ο αναπνευστήρας DIY αυτοματοποιεί τη συμπίεση ενός BVM έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον αερισμό ενός ασθενούς για αόριστο χρονικό διάστημα. Η συμπίεση επιτυγχάνεται με το επανειλημμένο φούσκωμα/ξεφούσκωμα μιας μανσέτας αρτηριακής πίεσης τυλιγμένη γύρω από το BVM. Τα περισσότερα νοσοκομεία είναι εξοπλισμένα με πρίζες πεπιεσμένου αέρα και τοιχώματα κενού, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να φουσκώσουν και να ξεφουσκώσουν τη μανσέτα αρτηριακής πίεσης, αντίστοιχα. Μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα ρυθμίζει τη ροή του πεπιεσμένου αέρα, η οποία ελέγχεται από έναν μικροελεγκτή Arduino.

Εκτός από τη μανσέτα BVM και την αρτηριακή πίεση (και τα δύο είναι ήδη διαθέσιμα στα νοσοκομεία), αυτός ο σχεδιασμός απαιτεί ανταλλακτικά αξίας κάτω των 100 δολαρίων, τα οποία μπορείτε να αγοράσετε εύκολα από διαδικτυακούς πωλητές όπως η McMaster-Carr και η Amazon. Παρέχονται προτεινόμενα στοιχεία και σύνδεσμοι αγοράς, αλλά μπορείτε να ανταλλάξετε πολλά από τα μέρη με άλλα παρόμοια εξαρτήματα, εάν αυτά που αναφέρονται δεν είναι διαθέσιμα.

Ευχαριστίες:

Ιδιαίτερες ευχαριστίες στον καθηγητή Ram Vasudevan στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν για τη χρηματοδότηση αυτού του έργου και στη Mariama Runcie, M. D. από το Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency στο Massachusetts General Hospital και το Brigham and Women's Hospital για την παροχή ιατρικής εμπειρογνωμοσύνης και την παροχή σχολίων σχετικά με την ιδέα.

Θέλω επίσης να αναγνωρίσω τον Christopher Zahner, M. D. και τον Aisen Chacin, PhD από το UTMB που συγκλίνουν ανεξάρτητα σε παρόμοιο σχέδιο πριν δημοσιεύσω αυτό το Instructable (άρθρο ειδήσεων). Ενώ η συσκευή μου δεν είναι καινοτόμα, ελπίζω ότι αυτή η λεπτομερής περιγραφή του τρόπου κατασκευής της θα αποδειχθεί χρήσιμη για άλλους που θέλουν να αναδημιουργήσουν ή να βελτιώσουν την ιδέα.

Προμήθειες

Ιατρικά συστατικά:

-Μάσκα βαλβίδας τσάντας, ~ 30 $ (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

Μανσέτα πίεσης αίματος, ~ 17 $ (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ:

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

-Ηλεκτρονική βαλβίδα 3 κατευθύνσεων (12V), ~ 30 $ (https://www.mcmaster.com/61975k413)

-Προσαρμογέας τοίχου 12 V, ~ 10 $ (https://www.amazon.com/gp/product/B01GD4ZQRS)

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

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

-Μικροσκοπικό ψωμί, ~ 1 $ (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-Μονόκλωνο σύρμα, ~ 15 $ για ολόκληρο σετ διαφορετικών χρωμάτων (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Άλλα εξαρτήματα:

-Προσαρμοσμένος σωλήνας από ορείχαλκο με 10-32 νήματα, ~ 4 $ (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) Πλαστικό συρματόπλεγμα προσαρμογής με 1/4 σπειρώματα NPT, ~ 1 $ (https://www.mcmaster.com/5372k121)

-Πλαστικό διαχωριστικό, <1 $ (https://www.mcmaster.com/94639a258)

-(x2) Σωλήνες οξυγόνου ανθεκτικοί στη σύνθλιψη, ~ 10 $ (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Μικρό κουτί ή άλλο δοχείο που θα χρησιμεύσει ως ηλεκτρονικό και περίβλημα βαλβίδων

Βήμα 1: Συνδέστε τα ηλεκτρονικά

Χρησιμοποιώντας το καλώδιο συμπαγούς πυρήνα και τη μικροσκοπική σανίδα ψύξης, συνδέστε το Arduino, TIP 120 και το ποτενσιόμετρο όπως φαίνεται στο διάγραμμα καλωδίωσης. Μπορεί επίσης να θέλετε να κολλήσετε ή να κολλήσετε ζεστά το Arduino και το ψωμί σε ένα κομμάτι χαρτόνι, καθώς αυτό θα σας βοηθήσει να περιορίσετε το τυχαίο τράβηγμα στα καλώδια.

Σημειώστε ότι η αντίσταση 1k είναι προαιρετική. Λειτουργεί ως ασφάλιση έναντι ηλεκτρικών σορτς, αλλά αν δεν έχετε κάποιο κοντά σας, μπορείτε απλά να το αντικαταστήσετε με ένα καλώδιο και όλα θα πρέπει να λειτουργούν ακόμα καλά.

Το Arduino δεν μπορεί να οδηγήσει τη βαλβίδα απευθείας επειδή απαιτεί περισσότερη ισχύ από ό, τι μπορούν να παρέχουν οι ακίδες εξόδου του Arduino. Αντ 'αυτού, το Arduino οδηγεί το τρανζίστορ TIP 120, το οποίο λειτουργεί σαν διακόπτης για να ενεργοποιήσετε και να απενεργοποιήσετε τη βαλβίδα.

Το ποτενσιόμετρο λειτουργεί ως "κουμπί ρύθμισης του ρυθμού αναπνοής". Η αλλαγή της ρύθμισης του δοχείου αλλάζει το σήμα τάσης στην ακίδα A0 του Arduino. Ο κώδικας που λειτουργεί στο Arduino μετατρέπει αυτήν την τάση σε "ρυθμό αναπνοής" και ορίζει το ρυθμό ανοίγματος και κλεισίματος της βαλβίδας ώστε να ταιριάζει με αυτήν.

Βήμα 2: Συνδέστε την ηλεκτρονική ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα

Η ηλεκτρονική βαλβίδα δεν αποστέλλεται με καλώδια συνδεδεμένα σε αυτήν, οπότε αυτό πρέπει να γίνει χειροκίνητα.

Αρχικά, αφαιρέστε το επάνω κάλυμμα χρησιμοποιώντας ένα κατσαβίδι κεφαλής Phillips για να εκθέσετε τους τρεις ακροδέκτες του, V+, V- και GND (συμβουλευτείτε τη φωτογραφία για να προσδιορίσετε ποιο είναι ποιο)

Στη συνέχεια, συνδέστε τα καλώδια σφίγγοντάς τα με τις βίδες. Θα πρότεινα να χρησιμοποιήσετε πορτοκαλί ή κίτρινο σύρμα για το V+ (ή οποιοδήποτε χρώμα χρησιμοποιήσατε για το καλώδιο 12V στο προηγούμενο βήμα), μπλε ή μαύρο για V- και μαύρο για GND (ή οποιοδήποτε χρώμα χρησιμοποιήσατε για το καλώδιο GND στο Προηγούμενο βήμα. Χρησιμοποίησα μαύρο χρώμα για V και GND, αλλά έβαλα ένα μικρό κομμάτι ταινίας στο σύρμα GND για να μπορώ να τα ξεχωρίζω.

Μόλις στερεωθούν τα καλώδια, τοποθετήστε ξανά το κάλυμμα και βιδώστε το στη θέση του.

Στη συνέχεια, συνδέστε τα καλώδια στο breadboard όπως φαίνεται στο ενημερωμένο διάγραμμα καλωδίωσης.

Για λόγους σαφήνειας, περιλαμβάνεται επίσης ένα διάγραμμα κυκλώματος, αλλά αν δεν είστε εξοικειωμένοι με αυτόν τον τύπο συμβολισμού, μπορείτε απλά να τον αγνοήσετε:)

Βήμα 3: Ανεβάστε κώδικα Arduino και δοκιμάστε ηλεκτρονικά

Εάν δεν το έχετε ήδη, κατεβάστε το Arudino IDE ή ανοίξτε τον επεξεργαστή ιστού Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Εάν χρησιμοποιείτε το πρόγραμμα επεξεργασίας ιστού Arduino, μπορείτε να αποκτήσετε πρόσβαση στο σκίτσο για αυτό το έργο εδώ. Εάν χρησιμοποιείτε το Arduino IDE τοπικά στον υπολογιστή σας, μπορείτε να κατεβάσετε το σκίτσο από αυτό το Instructable.

Ανοίξτε το σκίτσο, συνδέστε το Arduino στον υπολογιστή σας χρησιμοποιώντας καλώδιο εκτυπωτή USB και ανεβάστε το σκίτσο στο Arduino. Αν αντιμετωπίζετε πρόβλημα με τη μεταφόρτωση του σκίτσου, μπορείτε να βρείτε βοήθεια εδώ.

Τώρα συνδέστε το τροφοδοτικό 12V. Η βαλβίδα πρέπει να κάνει περιοδικά έναν ήχο κλικ και να ανάβει, όπως φαίνεται στο βίντεο. Αν γυρίσετε το κουμπί του ποτενσιόμετρου δεξιόστροφα, θα πρέπει να αλλάξει γρηγορότερα και πιο αργά αν το γυρίσετε αριστερόστροφα. Εάν αυτή δεν είναι η συμπεριφορά που βλέπετε, επιστρέψτε και ελέγξτε όλα τα προηγούμενα βήματα.

Βήμα 4: Συνδέστε συνδέσμους συρματοπλέγματος στη βαλβίδα

Η βαλβίδα έχει τρεις θύρες: A, P και Exhust. Όταν η βαλβίδα είναι ανενεργή, το A συνδέεται με την εξάτμιση και το P είναι κλειστό. Όταν η βαλβίδα είναι ενεργή, το A συνδέεται με το P και η εξάτμιση είναι κλειστή. Θα συνδέσουμε το Ρ σε μια πηγή πεπιεσμένου αέρα, το Α στη μανσέτα αρτηριακής πίεσης και την εξάτμιση σε ένα κενό. Με αυτήν τη διαμόρφωση, η μανσέτα αρτηριακής πίεσης θα φουσκώσει όταν η βαλβίδα είναι ενεργή και θα ξεφουσκώσει όταν η βαλβίδα είναι ανενεργή.

Η θύρα εξάτμισης έχει σχεδιαστεί για να είναι απλώς ανοιχτή στην ατμόσφαιρα, αλλά πρέπει να τη συνδέσουμε με ένα κενό, έτσι ώστε η μανσέτα πίεσης του αίματος να ξεφουσκώνει πιο γρήγορα. Για να το κάνετε αυτό, αφαιρέστε πρώτα το μαύρο πλαστικό καπάκι που καλύπτει τη θύρα εξάτμισης. Στη συνέχεια, τοποθετήστε το πλαστικό διαχωριστικό πάνω από τα εκτεθειμένα σπειρώματα και στερεώστε τον ορείχαλκο αγκαθωτό σύνδεσμο από πάνω.

Συνδέστε πλαστικούς αγκαθωτούς συνδέσμους στις θύρες Α και Π. Σφίξτε με ένα κλειδί για να αποφύγετε διαρροές.

Βήμα 5: Δημιουργήστε Στέγαση για Ηλεκτρονικά

Δεδομένου ότι κανένα από τα καλώδια δεν είναι συγκολλημένο στη θέση του, είναι σημαντικό να τα προστατεύσετε από τυχαία έλξη και αποσύνδεση. Αυτό μπορεί να γίνει με την τοποθέτησή τους σε προστατευτικό περίβλημα.

Για το περίβλημα, χρησιμοποίησα ένα μικρό κουτί από χαρτόνι (ένα από τα κουτιά αποστολής McMaster μπήκαν μερικά από τα εξαρτήματα). Θα μπορούσατε επίσης να χρησιμοποιήσετε ένα μικρό δοχείο με μαγειρικά σκεύη ή κάτι πιο φανταστικό, αν θέλετε.

Αρχικά, απλώστε τη βαλβίδα, το Arduino και τη μικροσκοπική σανίδα ψωμιού στο δοχείο. Στη συνέχεια, ανοίξτε/τρυπήστε τρύπες στο δοχείο για το καλώδιο τροφοδοσίας 12V και τους σωλήνες αέρα. Μόλις τελειώσουν οι τρύπες, ζεστή κόλλα, ταινία ή φερμουάρ συνδέστε τη βαλβίδα, το Arduino και το ψωμί στις θέσεις τους.

Βήμα 6: Τυλίξτε τη μανσέτα πίεσης αίματος γύρω από το BVM

Αποσυνδέστε τη λάμπα φουσκώματος από τη μανσέτα αρτηριακής πίεσης (θα πρέπει να μπορείτε να την τραβήξετε). Στο επόμενο βήμα, αυτός ο σωλήνας θα συνδεθεί με την ηλεκτρονική βαλβίδα.

Τυλίξτε τη μανσέτα αρτηριακής πίεσης γύρω από το BVM. Βεβαιωθείτε ότι η μανσέτα είναι όσο το δυνατόν πιο σφιχτή χωρίς να πέσει η τσάντα.

Βήμα 7: Συνδέστε σωλήνες αέρα

Το τελευταίο βήμα είναι να συνδέσετε τη μανσέτα πίεσης του αίματος, την πηγή πεπιεσμένου αέρα και την πηγή κενού στην ηλεκτρονική βαλβίδα.

Συνδέστε τη μανσέτα αρτηριακής πίεσης στον ακροδέκτη Α της βαλβίδας.

Χρησιμοποιώντας σωλήνα οξυγόνου, συνδέστε τον ακροδέκτη P της βαλβίδας στην πηγή πεπιεσμένου αέρα. Τα περισσότερα νοσοκομεία θα πρέπει να διαθέτουν πρίζες πεπιεσμένου αέρα με πίεση 4 bar (58 psi) (πηγή).

Χρησιμοποιώντας έναν άλλο σωλήνα οξυγόνου, συνδέστε τον ακροδέκτη εξάτμισης της βαλβίδας στην πηγή κενού. Τα περισσότερα νοσοκομεία θα πρέπει να διαθέτουν πρίζες κενού διαθέσιμες στα 400mmHg (7,7 psi) κάτω από την ατμόσφαιρα (πηγή).

Η συσκευή είναι πλέον πλήρης εκτός από τους απαραίτητους σωλήνες/προσαρμογείς για τη σύνδεση της εξόδου του BVM στους πνεύμονες ενός ασθενούς. Δεν είμαι επαγγελματίας υγείας, οπότε δεν συμπεριέλαβα αυτά τα στοιχεία στο σχεδιασμό, αλλά υποτίθεται ότι θα ήταν διαθέσιμα σε οποιοδήποτε νοσοκομειακό περιβάλλον.

Βήμα 8: Δοκιμάστε τη συσκευή

Συνδέστε τη συσκευή. Εάν όλα συνδέονται σωστά, η μανσέτα αρτηριακής πίεσης πρέπει να φουσκώνει και να ξεφουσκώνει περιοδικά, όπως φαίνεται στο βίντεο.

Δεν είμαι επαγγελματίας υγείας, επομένως δεν έχω πρόσβαση σε νοσοκομειακό πεπιεσμένο αέρα ή πρίζες κενού. Ως εκ τούτου, χρησιμοποίησα έναν μικρό συμπιεστή αέρα και αντλία κενού για να δοκιμάσω τη συσκευή στο σπίτι μου. Έβαλα τον ρυθμιστή πίεσης στον συμπιεστή στα 4 bar (58 psi) και το κενό στα -400 mmHg (-7,7 psi) για να προσομοιώσω τις εξόδους του νοσοκομείου όσο καλύτερα γίνεται.

Μερικές αποποιήσεις και πράγματα που πρέπει να λάβετε υπόψη:

-Ο ρυθμός αναπνοής μπορεί να ρυθμιστεί περιστρέφοντας το ποτενσιόμετρο (μεταξύ 12-40 αναπνοών ανά λεπτό). Χρησιμοποιώντας τη ρύθμιση πεπιεσμένου αέρα/κενού, παρατήρησα ότι για ρυθμούς αναπνοής μεγαλύτερους από ~ 20 αναπνοές ανά λεπτό, η μανσέτα αρτηριακής πίεσης δεν έχει χρόνο να ξεφουσκώσει εντελώς μεταξύ των αναπνοών. Αυτό μπορεί να μην είναι πρόβλημα όταν χρησιμοποιείτε εξόδους αέρα στο νοσοκομείο, οι οποίες υποθέτω ότι μπορούν να παρέχουν υψηλότερους ρυθμούς ροής χωρίς τόσο μεγάλη πτώση πίεσης, αλλά δεν ξέρω με σιγουριά.

-Η βαλβίδα σακούλας δεν συμπιέζεται εντελώς κατά τη διάρκεια κάθε αναπνοής. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ανεπαρκή αέρα που αντλείται στους πνεύμονες των ασθενών. Οι δοκιμές σε ανδρείκελο των ιατρικών αεραγωγών θα μπορούσαν να αποκαλύψουν εάν αυτό συμβαίνει. Αν ναι, αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να διορθωθεί με την αύξηση του χρόνου πληθωρισμού κατά τη διάρκεια κάθε αναπνοής, η οποία θα απαιτούσε την επεξεργασία του κώδικα Arduino.

-Δεν έχω δοκιμάσει τη μέγιστη ικανότητα πίεσης για τη μανσέτα αρτηριακής πίεσης. Τα 4 bar είναι πολύ υψηλότερα από την πίεση που συνήθως λαμβάνεται για τη μέτρηση της πίεσης του αίματος. Η μανσέτα αρτηριακής πίεσης δεν έσπασε κατά τη διάρκεια των δοκιμών μου, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν θα μπορούσε να συμβεί εάν η πίεση στη μανσέτα επιτρέπεται να εξισωθεί πλήρως πριν ξεφουσκώσει.

-Ένα BVM έχει σχεδιαστεί για να παρέχει υποστήριξη αέρα χωρίς επιπλέον σωλήνες μεταξύ της βαλβίδας και της μύτης/στόματος του ασθενούς. Έτσι, για μια πραγματική εφαρμογή, το μήκος της σωλήνωσης μεταξύ του BVM και του ασθενούς πρέπει να περιορίζεται στο ελάχιστο.

-Αυτός ο σχεδιασμός του αναπνευστήρα δεν είναι εγκεκριμένος από τον FDA και θα πρέπει να θεωρείται μόνο ως ΤΕΛΕΥΤΑΙΑ επιλογή RESORT. Σχεδιάστηκε σκόπιμα για εύκολη συναρμολόγηση από νοσοκομειακό εξοπλισμό και εμπορικά ανταλλακτικά για καταστάσεις όπου απλώς δεν υπάρχουν καλύτερες/πιο εξελιγμένες εναλλακτικές λύσεις. Ενθαρρύνονται οι βελτιώσεις!