Ventilator DIY folosind consumabile medicale comune: 8 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

Acest proiect oferă instrucțiuni pentru asamblarea unui ventilator de schimbare pentru utilizare în scenarii de urgență atunci când nu sunt disponibile suficiente ventilatoare comerciale, cum ar fi pandemia actuală COVID-19. Un avantaj al acestui design al ventilatorului este că, în esență, automatizează doar utilizarea unui dispozitiv de ventilație manual, care este deja utilizat pe scară largă și acceptat de comunitatea medicală. În plus, poate fi asamblat în principal din componente care sunt deja disponibile în majoritatea setărilor spitalului și nu necesită nicio fabricare personalizată a niciunei piese (de exemplu, imprimare 3D, tăiere cu laser etc.).

O mască cu valvă cu sac (BVM), cunoscută și sub numele de resuscitator manual, este un dispozitiv portabil utilizat pentru a oferi ventilație sub presiune pozitivă pacienților care au nevoie de asistență respiratorie. Acestea sunt utilizate pentru a oferi ventilație temporară pacienților atunci când ventilatoarele mecanice nu sunt disponibile, dar nu sunt utilizate pentru perioade lungi de timp, deoarece necesită un om să strângă punga la intervale regulate de respirație.

Acest ventilator DIY automatizează stoarcerea unui BVM astfel încât să poată fi folosit pentru a ventila un pacient pentru o perioadă nedeterminată de timp. Strângerea se realizează prin umflarea / dezumflarea repetată a manșetei de tensiune arterială înfășurată în jurul BVM. Majoritatea spitalelor sunt echipate cu prize de aer comprimat și perete de vid, care pot fi utilizate pentru umflarea și, respectiv, dezumflarea manșetei tensiunii arteriale. O electrovalvă reglează fluxul de aer comprimat, care este controlat de un microcontroler Arduino.

În afară de manșeta BVM și a tensiunii arteriale (ambele fiind deja disponibile în spitale), acest design necesită piese în valoare de mai puțin de 100 USD, care pot fi cumpărate cu ușurință de la vânzători online precum McMaster-Carr și Amazon. Sunt furnizate componente sugerate și linkuri de cumpărare, dar puteți schimba multe dintre piese cu alte componente similare dacă cele enumerate nu sunt disponibile.

Mulțumiri:

Mulțumiri speciale profesorului Ram Vasudevan de la Universitatea din Michigan pentru finanțarea acestui proiect și Mariama Runcie, M. D. de la Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency la Massachusetts General Hospital și Brigham and Women's Hospital pentru că i-au împrumutat expertiza medicală și au oferit feedback cu privire la concept.

Vreau, de asemenea, să-l recunosc pe Christopher Zahner, MD și Aisen Chacin, dr. De la UTMB, care au convergut independent pe un design similar înainte de a posta acest Instructable (articol de știri). Deși dispozitivul meu nu este nou, sper că această contabilitate detaliată a modului în care a fost construit se va dovedi utilă pentru alții care doresc să recreeze sau să îmbunătățească conceptul.

Provizii

Componente medicale:

-Mască de supapă pentru sac, ~ 30 USD (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

-Brână de presiune pentru sânge, ~ 17 USD (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Componente electronice:

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

-Electovalvă electronică cu 3 căi (12V), ~ 30 USD (https://www.mcmaster.com/61975k413)

Adaptor de perete de 12 V, ~ 10 USD (https://www.amazon.com/gp/product/B01GD4ZQRS)

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

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

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

-Sârmă cu un singur nucleu, ~ 15 USD pentru un set întreg de culori diferite (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Alte componente:

-Furtun cu gheare din alamă, cu 10-32 fire, ~ 4 USD (https://www.mcmaster.com/5346k93)

- (x2) Racord din țeavă din plastic ghimpat cu filete 1/4 NPT, ~ $ 1 (https://www.mcmaster.com/5372k121)

- Distanțier din plastic, <1 $ (https://www.mcmaster.com/94639a258)

- (x2) Tuburi de oxigen rezistente la zdrobire, ~ 10 USD (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Cutie mică sau alt recipient pentru a servi drept electronică și carcasă supapă

Pasul 1: conectați dispozitivele electronice

Folosind firul cu miez solid și placa de masă în miniatură, conectați Arduino, TIP 120 și potențiometrul așa cum se arată în schema de cablare. Este posibil să doriți, de asemenea, să lipiți cu bandă sau să lipiți Arduino și placa de bucată pe o bucată de carton, deoarece acest lucru va ajuta la limitarea tragerii accidentale a firelor.

Rețineți că rezistorul 1k este opțional. Funcționează ca o asigurare împotriva scurtcircuitelor electrice, dar dacă nu aveți unul în jur, îl puteți înlocui cu un fir și totul ar trebui să funcționeze în continuare bine.

Arduino nu poate acționa direct supapa, deoarece necesită mai multă putere decât poate furniza pinii de ieșire ai Arduino. În schimb, Arduino acționează tranzistorul TIP 120, care acționează ca un comutator pentru a porni și opri supapa.

Potențiometrul acționează ca un "buton de reglare a ratei de respirație". Reglarea setării potului schimbă semnalul de tensiune în pinul A0 al Arduino. Codul care rulează pe Arduino transformă acea tensiune într-o „rată de respirație” și stabilește viteza de deschidere și închidere a supapei pentru a o potrivi.

Pasul 2: Conectați electrovalva electronică

Supapa electronică nu este livrată cu niciun fir conectat la ea, deci acest lucru trebuie făcut manual.

Mai întâi, scoateți capacul superior folosind o șurubelniță cu cap Phillips pentru a expune cele trei borne cu șurub, V +, V- și GND (consultați fotografia pentru a determina care este care)

Apoi, atașați firele prin prinderea acestora cu șuruburile. Aș sugera să folosiți fir portocaliu sau galben pentru V + (sau orice culoare ați folosit pentru firul de 12V la pasul anterior), albastru sau negru pentru V- și negru pentru GND (sau orice culoare ați folosit pentru firul GND de pe pasul anterior. Am folosit negru atât pentru V- cât și pentru GND, dar am pus o mică bucată de bandă pe firul GND, astfel încât să le pot distinge.

Odată atașate firele, puneți capacul la loc și înșurubați-l în poziție.

Apoi, conectați firele la panoul de măsurare așa cum se arată în schema de cabluri actualizată.

Pentru claritate, este inclusă și o diagramă de circuit, dar dacă nu sunteți familiarizați cu acel tip de notație, o puteți ignora:)

Pasul 3: Încărcați codul Arduino și testați electronica

Dacă nu îl aveți deja, descărcați ID-ul Arudino sau deschideți editorul web Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Dacă utilizați editorul web Arduino Create, puteți accesa schița pentru acest proiect aici. Dacă utilizați Arduino IDE local pe computer, puteți descărca schița din acest instructabil.

Deschideți schița, conectați Arduino la computer utilizând un cablu de imprimantă USB și încărcați schița pe Arduino. Dacă întâmpinați probleme la încărcarea schiței, puteți găsi ajutor aici.

Acum conectați sursa de alimentare de 12V. Supapa ar trebui să scoată periodic un clic și să se aprindă, așa cum se arată în videoclip. Dacă rotiți butonul potențiometrului în sensul acelor de ceasornic, acesta ar trebui să comute mai repede și mai lent dacă îl rotiți în sens invers acelor de ceasornic. Dacă acesta nu este comportamentul pe care îl vedeți, reveniți și verificați toți pașii anteriori.

Pasul 4: Atașați conectorii tubului ghimpat la supapă

Supapa are trei orificii: A, P și evacuare. Când supapa este inactivă, A este conectat la evacuare și P este închis. Când supapa este activă, A este conectată la P și evacuarea este închisă. Vom conecta P la o sursă de aer comprimat, A la manșeta tensiunii arteriale și Evacuarea la vid. Cu această configurație, manșeta tensiunii arteriale se va umfla când supapa este activă și se dezumflă atunci când supapa este inactivă.

Portul de evacuare este proiectat să fie deschis doar la atmosferă, dar trebuie să-l conectăm la vid, astfel încât manșeta tensiunii arteriale să se dezumfle mai repede. Pentru a face acest lucru, scoateți mai întâi capacul negru din plastic care acoperă orificiul de evacuare. Apoi așezați distanțierul de plastic peste firele expuse și atașați conectorul cu alamă ghimpată deasupra.

Atașați conectorii ghimpați din plastic la porturile A și P. Strângeți cu o cheie pentru a vă asigura că nu există scurgeri.

Pasul 5: Creați carcasă pentru electronică

Deoarece niciunul dintre fire nu este lipit la locul său, este important să le protejați de tragere și deconectare accidentală. Acest lucru se poate face prin plasarea lor într-o carcasă de protecție.

Pentru carcasă, am folosit o cutie mică de carton (una dintre cutiile de transport McMaster au intrat în unele părți). Puteți utiliza, de asemenea, un container mic de tupperware sau ceva mai sofisticat, dacă doriți.

Mai întâi, așezați supapa, Arduino și placa de masă miniatură în recipient. Apoi introduceți / găuriți în recipient pentru cablul de alimentare de 12V și tuburile de aer. Odată ce găurile sunt terminate, lipici fierbinte, bandă sau fermoar legați supapa, Arduino și panoul de rulare în locurile dorite.

Pasul 6: Înfășurați manșeta tensiunii arteriale în jurul BVM

Deconectați becul de umflare de la manșonul tensiunii arteriale (ar trebui să îl puteți scoate). În etapa următoare, acest tub va fi conectat la supapa electronică.

Înfășurați manșeta tensiunii arteriale în jurul BVM. Asigurați-vă că manșeta este cât mai strânsă posibil fără a prăbuși geanta.

Pasul 7: Atașați tuburile de aer

Ultimul pas este conectarea manșetei tensiunii arteriale, a sursei de aer comprimat și a sursei de vid la supapa electronică.

Conectați manșeta tensiunii arteriale la borna A a supapei.

Folosind un tub de oxigen, conectați terminalul P al supapei la sursa de aer comprimat. Majoritatea spitalelor ar trebui să dispună de prize de aer comprimat disponibile la o presiune de 4 bari (58 psi) (sursă).

Folosind un alt tub de oxigen, conectați borna de evacuare a supapei la sursa de vid. Majoritatea spitalelor ar trebui să aibă prize de vid disponibile la 400 mmHg (7,7 psi) sub atmosferă (sursă).

Dispozitivul este acum complet, cu excepția tuburilor / adaptoarelor necesare pentru a conecta ieșirea BVM la plămânii pacientului. Nu sunt un profesionist din domeniul sănătății, așa că nu am inclus aceste componente în proiectare, dar se presupune că acestea ar fi disponibile în orice spital.

Pasul 8: Testați dispozitivul

Conectați dispozitivul. Dacă totul este conectat corect, manșeta tensiunii arteriale ar trebui să se umfle și să se dezumfle periodic, așa cum se arată în videoclip.

Nu sunt un profesionist din domeniul sănătății, așa că nu am acces la prizele de aer comprimat din spital sau la vid. Prin urmare, am folosit un compresor de aer mic și o pompă de vid pentru a testa dispozitivul de acasă. Am setat regulatorul de presiune pe compresor la 4 bar (58 psi) și vidul la -400 mmHg (-7,7 psi) pentru a simula prizele spitalului cât mai bine posibil.

Câteva responsabilități și lucruri de luat în considerare:

-Rata de respirație poate fi ajustată prin rotirea potențiometrului (între 12-40 respirații pe minut). Folosind sistemul meu de aer comprimat / vid, am observat că pentru rate de respirație mai mari de ~ 20 respirații pe minut, manșeta tensiunii arteriale nu are timp să se dezumfle complet între respirații. Este posibil să nu fie o problemă atunci când se utilizează prize de aer din spitale, care presupun că pot furniza debituri mai mari fără o scădere de presiune, dar nu știu sigur.

-Vana sacului nu este complet comprimată în timpul fiecărei respirații. Acest lucru poate duce la pomparea insuficientă de aer în plămânii pacienților. Testarea pe un manechin al căilor respiratorii medicale ar putea dezvălui dacă acesta este cazul. Dacă da, acest lucru ar putea fi remediat prin creșterea timpului de umflare în timpul fiecărei respirații, ceea ce ar necesita editarea codului Arduino.

-Nu am testat capacitatea maximă de presiune pentru manșeta tensiunii arteriale. 4 bari sunt mult mai mari decât presiunea implicată în mod normal în efectuarea citirii tensiunii arteriale. Manșeta tensiunii arteriale nu s-a rupt în timpul testului meu, dar asta nu înseamnă că nu s-ar putea întâmpla dacă presiunea din manșetă ar fi fost lăsată să se egalizeze complet înainte de dezumflare.

-Un BVM este proiectat pentru a oferi suport aerian fără niciun tub suplimentar între supapă și nasul / gura pacientului. Astfel, pentru o aplicație reală, lungimea tubulaturii dintre BVM și pacient ar trebui menținută la minimum.

-Acest design al ventilatorului nu este aprobat de FDA și trebuie considerat doar ca o opțiune LAST RESORT. A fost proiectat în mod intenționat pentru a fi ușor de asamblat din echipamentele spitalului și din piesele comerciale pentru situații în care pur și simplu nu sunt disponibile alternative mai bune / mai sofisticate. Îmbunătățirile sunt încurajate!