DIY ventilator z uporabo običajnih medicinskih pripomočkov: 8 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Ta projekt vsebuje navodila za sestavo prezračevalnega ventilatorja za uporabo v nujnih primerih, ko ni na voljo dovolj komercialnih ventilatorjev, kot je trenutna pandemija COVID-19. Prednost te zasnove ventilatorja je, da v bistvu samo avtomatizira uporabo ročne prezračevalne naprave, ki jo medicinska skupnost že široko uporablja in sprejema. Poleg tega ga je mogoče sestaviti predvsem iz komponent, ki so že na voljo v večini bolnišničnih nastavitev, in ne zahteva izdelave nobenih delov po meri (npr. 3D tiskanje, lasersko rezanje itd.).

Maska z ventilnimi vrečkami (BVM), znana tudi kot ročna oživljalnica, je ročna naprava, ki se uporablja za prezračevanje bolnikov, ki potrebujejo pomoč pri dihanju. Uporabljajo se za začasno prezračevanje bolnikov, kadar mehanski ventilatorji niso na voljo, vendar se ne uporabljajo dalj časa, ker od človeka zahtevajo, da v rednih dihalnih intervalih stisne vrečko.

Ta DIY ventilator avtomatizira stiskanje BVM, tako da se lahko uporablja za prezračevanje pacienta za nedoločen čas. Stiskanje dosežemo z večkratnim napihovanjem/izpihovanjem manšete za krvni tlak, ovito okoli BVM. Večina bolnišnic je opremljenih s stisnjenim zrakom in vakuumskimi stenskimi odprtinami, ki jih je mogoče uporabiti za napihovanje in praznjenje manšete za krvni tlak. Elektromagnetni ventil uravnava pretok stisnjenega zraka, ki ga nadzira mikrokrmilnik Arduino.

Razen BVM in manšete za krvni tlak (oba sta že na voljo v bolnišnicah), ta oblika zahteva dele, vredne manj kot 100 USD, ki jih je mogoče zlahka kupiti pri spletnih prodajalcih, kot sta McMaster-Carr in Amazon. Na voljo so predlagane komponente in povezave za nakup, vendar lahko številne dele zamenjate z drugimi podobnimi komponentami, če naštete niso na voljo.

Zahvala:

Posebna zahvala profesorju Ramu Vasudevanu z Univerze v Michiganu za financiranje tega projekta in dr. Mariami Runcie iz Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency v Splošni bolnišnici Massachusetts ter bolnišnici Brigham in Women za posredovanje njenega medicinskega znanja in povratne informacije o konceptu.

Prav tako želim prepoznati dr. Christopherja Zahnerja in doktorja znanosti Aisen Chacin iz UTMB, ki sta se neodvisno približala podobni zasnovi, preden sem objavila to navodilo (članek z novicami). Čeprav moja naprava ni nova, upam, da se bo to podrobno poročanje o tem, kako je bila zgrajena, izkazalo za koristno za druge, ki želijo poustvariti ali izboljšati koncept.

Zaloge

Medicinske komponente:

-Vrečka maska ventila, ~ 30 USD (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

-Manšeta za krvni tlak, ~ 17 USD (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Elektronske komponente:

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

-3-smerni elektronski elektromagnetni ventil (12V), ~ 30 USD (https://www.mcmaster.com/61975k413)

-12 V stenski adapter, ~ 10 USD (https://www.amazon.com/gp/product/B01GD4ZQRS)

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

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

-Miniaturna plošča, ~ 1 USD (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-Enožilna žica, ~ 15 USD za cel niz različnih barv (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Druge komponente:

-Priključek iz medeninaste bodeče cevi z 10-32 navoji, ~ 4 USD (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) Priključek iz plastične bodeče cevi z navoji 1/4 NPT, ~ 1 USD (https://www.mcmaster.com/5372k121)

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

-(x2) Cevke za kisik, odporne na zdrobitev, ~ 10 USD (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Majhna škatla ali druga posoda, ki služi kot elektronika in ohišje ventila

1. korak: Priključite elektroniko

S polno žico in miniaturno ploščo povežite Arduino, TIP 120 in potenciometer, kot je prikazano na shemi ožičenja. Morda boste želeli lepilni trak ali vroče lepiti Arduino in ploščo na kos kartona, saj bo to pomagalo omejiti nenamerno vlečenje žic.

Upoštevajte, da je upor 1k neobvezen. Deluje kot zavarovanje proti električnim kratkim hlačam, če pa ga nimate, ga lahko zamenjate z žico in vse bi moralo delovati v redu.

Arduino ne more neposredno poganjati ventila, ker potrebuje več energije, kot jo lahko dajo izhodni zatiči Arduina. Namesto tega Arduino poganja tranzistor TIP 120, ki deluje kot stikalo za vklop in izklop ventila.

Potenciometer deluje kot "gumb za nastavitev hitrosti dihanja". Prilagoditev nastavitve lonca spremeni napetostni signal v Arduinov A0 pin. Koda, ki teče na Arduinu, to napetost pretvori v "hitrost dihanja" in nastavi hitrost odpiranja in zapiranja ventila, da se ujema z njo.

Korak: Priključite elektronski elektromagnetni ventil

Elektronski ventil ni opremljen z žicami, zato je treba to narediti ročno.

Najprej s križnim izvijačem odstranite zgornji pokrov, da razkrijete njegove tri vijačne sponke, V+, V- in GND (na fotografiji ugotovite, kateri je)

Nato pritrdite žice tako, da jih pritrdite z vijaki. Predlagam, da za V+ uporabite oranžno ali rumeno žico (ali katero koli barvo, ki ste jo v prejšnjem koraku uporabili za 12V žico), modro ali črno za V- in črno za GND (ali katero koli barvo, ki ste jo uporabili za žico GND na prejšnji korak. Za V- in GND sem uporabil črno, vendar sem na žico GND položil majhen trak, da sem jih razlikoval.

Ko so žice pritrjene, znova namestite pokrov in ga privijte.

Nato priključite žice na ploščo, kot je prikazano v posodobljenem vezalnem diagramu.

Zaradi jasnosti je vključen tudi diagram vezja, če pa te vrste zapisa ne poznate, ga lahko preprosto prezrete:)

Korak: Naložite kodo Arduino in preskusno elektroniko

Če ga še nimate, prenesite Arudino IDE ali odprite spletni urejevalnik Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Če uporabljate spletni urejevalnik Arduino Create, lahko do skice tega projekta dostopate tukaj. Če lokalno uporabljate Arduino IDE v računalniku, lahko skico prenesete iz tega navodila.

Odprite skico, povežite Arduino z računalnikom s kablom tiskalnika USB in naložite skico v Arduino. Če imate težave pri nalaganju skice, lahko pomoč najdete tukaj.

Zdaj priključite 12V napajanje. Ventil mora občasno oddajati klik in zasvetiti, kot je prikazano v videu. Če gumb potenciometra zavrtite v smeri urinega kazalca, bi se moral hitreje in počasneje, če ga obračate v nasprotni smeri urinega kazalca. Če tega ne vidite, se vrnite in preverite vse prejšnje korake.

4. korak: Priključke bodečih cevi pritrdite na ventil

Ventil ima tri priključke: A, P in izpuh. Ko je ventil nedejaven, se A priključi na izpuh in P se zapre. Ko je ventil aktiven, je A priključen na P in izpušni sistem je zaprt. Priključili bomo P na vir stisnjenega zraka, A na manšeto za krvni tlak, Izpuh pa na vakuum. Pri tej konfiguraciji se bo manšeta za krvni tlak napihnila, ko je ventil aktiven, in se izpraznila, ko bo ventil nedejaven.

Odprtina za izpuh je zasnovana tako, da je odprta le v ozračje, vendar jo moramo povezati z vakuumom, da se manšeta za krvni tlak hitreje izprazni. Če želite to narediti, najprej odstranite črni plastični pokrovček, ki pokriva izpušna vrata. Nato namestite plastični distančnik na izpostavljene niti in nanj pritrdite medeninasti bodeči konektor.

Na vrata A in P. pritrdite plastične bodeče priključke. Zategnite jih s ključem, da preprečite puščanje.

5. korak: Ustvarite ohišje za elektroniko

Ker nobena od žic ni spajkana, je pomembno, da jih zaščitimo pred nenamernim vlečenjem in odklopom. To lahko storite tako, da jih postavite v zaščitno ohišje.

Za ohišje sem uporabil majhno kartonsko škatlo (eden od transportnih zabojev McMaster je prišel nekaj delov). Uporabite lahko tudi majhno posodo za tupperware ali kaj bolj lepega.

Najprej položite ventil, Arduino in miniaturno ploščo v posodo. Nato v posodi izvrtajte/izvrtajte luknje za 12V napajalni kabel in zračne cevi. Ko so luknje končane, vroče lepilo, trak ali zadrgo zavežite ventil, Arduino in ploščo na želenih mestih.

6. korak: Manšeto za krvni tlak ovijte okoli BVM

Odklopite žarnico za napihovanje iz manšete za krvni tlak (jo morate izvleči). V naslednjem koraku bo ta cev priključena na elektronski ventil.

Manšeto za krvni tlak ovijte okoli BVM. Poskrbite, da bo manšeta čim tesnejša, ne da bi vrečko zrušili.

7. korak: pritrdite zračne cevi

Zadnji korak je priključitev manšete za krvni tlak, vira stisnjenega zraka in vira vakuuma na elektronski ventil.

Manšeto za krvni tlak priključite na priključek A ventila.

S kisikovo cevjo priključite P priključek ventila na vir stisnjenega zraka. Večina bolnišnic bi morala imeti na voljo izhode stisnjenega zraka pri tlaku 4 bare (vir).

Z drugo kisikovo cevjo priključite izpušni terminal ventila na vir vakuuma. Večina bolnišnic bi morala imeti na razpolago vakuumske izhode pri 400 mmHg (7,7 psi) pod atmosfero (vir).

Naprava je zdaj popolna, razen potrebnih cevk/adapterjev za povezavo izhoda BVM s pacientovimi pljuči. Nisem zdravstveni delavec, zato teh sestavin nisem vključil v zasnovo, vendar se domneva, da bi bile na voljo v vseh bolnišničnih okoljih.

8. korak: Preizkusite napravo

Priključite napravo. Če je vse pravilno povezano, se mora manšeta za krvni tlak občasno napihniti in izprazniti, kot je prikazano v videu.

Nisem zdravstveni delavec, zato nimam dostopa do bolnišničnega stisnjenega zraka ali dovodov za vakuum. Zato sem za testiranje naprave v svojem domu uporabil majhen zračni kompresor in vakuumsko črpalko. Regulator tlaka na kompresorju sem nastavil na 4 bare (58 psi), vakuum pa na -400 mmHg (-7,7 psi), da bi kar najbolje simuliral izhode bolnišnic.

Nekaj omejitev odgovornosti in stvari, ki jih je treba upoštevati:

-Hitrost dihanja lahko prilagodite z obračanjem potenciometra (med 12-40 vdihi na minuto). S pomočjo nastavitve stisnjenega zraka/vakuuma sem opazil, da pri hitrostih dihanja, večjih od ~ 20 vdihov na minuto, manšeta za krvni tlak nima časa popolnoma izprazniti med vdihi. To morda ne bo problem pri uporabi bolnišničnih odprtin za zrak, za katere predvidevam, da lahko zagotovijo večje pretoke brez tako velikega padca tlaka, vendar zagotovo ne vem.

-Vrečni ventil med vsakim vdihom ni popolnoma stisnjen. To lahko povzroči nezadostno dovajanje zraka v pljuča bolnika. Testiranje na preskusni lutki medicinskih dihalnih poti bi lahko pokazalo, ali je temu tako. Če je tako, bi to lahko odpravili s povečanjem časa inflacije med vsakim vdihom, kar bi zahtevalo urejanje kode Arduino.

-Nisem preizkusil največje zmogljivosti tlaka za manšeto za krvni tlak. 4 bara je veliko višji od tlaka, ki je običajen pri merjenju krvnega tlaka. Manšeta za krvni tlak se med mojim testiranjem ni zlomila, vendar to ne pomeni, da se to ne bi moglo zgoditi, če bi dopustili, da se tlak v manšeti popolnoma izenači, preden se izprazni.

-BVM je zasnovan tako, da zagotavlja zračno podporo brez dodatnih cevi med ventilom in pacientovim nosom/usti. Tako je za resnično uporabo dolžina cevi med BVM in pacientom čim manjša.

-Ta zasnova ventilatorja ni odobrena s strani FDA in jo je treba obravnavati le kot možnost POSLEDNJEG LISTA. Namenoma je bil zasnovan tako, da ga je enostavno sestaviti iz bolnišnične opreme in komercialnih delov v primerih, ko boljše/bolj izpopolnjene alternative preprosto niso na voljo. Izboljšave se spodbujajo!