Spiromètre imprimé en 3D : 6 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

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Les spiromètres sont l'instrument classique pour effectuer l'analyse de l'air lorsqu'il est soufflé hors de votre bouche. Ils consistent en un tube dans lequel vous soufflez qui enregistre le volume et la vitesse d'une respiration qui sont ensuite comparés à un ensemble de valeurs normales basées sur la taille, le poids et le sexe et sont utilisés pour suivre la fonction pulmonaire. L'instrument que j'ai conçu, bien que testé pour la précision avec un débitmètre n'est en aucun cas un dispositif médical certifié, mais à la rigueur, il pourrait certainement passer pour un - donnant des comptes rendus relativement reproductibles et précis du VEMS standard, du VEMS et des graphiques de volume rendement et vitesse dans le temps. Je l'ai conçu de manière à ce que l'électronique avec le capteur captif coûteux soit confinée dans une pièce et le tube de soufflage facilement jetable avec les canaux chargés de virus associés soit dans une autre. Cela semble être l'un des inconvénients des machines standard utilisées en clinique - les embouts buccaux en carton remplaçables n'éliminent pas vraiment tous les risques lorsque les virus sont en suspension dans l'air et qu'on vous demande de souffler longtemps et fort dans un appareil très coûteux. Le coût de l'appareil est inférieur à 40 $ et toute personne possédant une imprimante 3D peut en produire autant qu'elle le souhaite. Le logiciel Wifi le relie à une application Blynk sur votre smartphone pour la visualisation et vous permet de télécharger toutes les données que vous souhaitez.

Étape 1: Acheter des trucs

Essentiellement, nous construisons un capteur analogique avec un excellent combo écran/microcontrôleur. L'important est de choisir le bon capteur. Plusieurs autres conceptions de ces dispositifs ont utilisé des capteurs qui n'ont pas la sensibilité nécessaire pour fournir les données permettant de calculer ces éléments respiratoires. L'ESP32 a des problèmes bien connus de non-linéarité de son ADC, mais cela ne semble pas être significatif dans la gamme de cet appareil.

1. TTGO T-Display ESP32 CP2104 Module WiFi Bluetooth Carte de développement LCD 1,14 pouces 8 $ Bangood

2. Capteur de pression SDP816-125PA, CMOSens®, 125 Pa, analogique, différentiel 30 $ Newark, Digikey

3. Batterie Lipo - 600 mAh 2 $

4. Interrupteur marche/arrêt -- Bouton d'alimentation marche/arrêt/interrupteur à bascule à bouton-poussoir Adafruit

Étape 2: impression 3D

Fusion 360 a été utilisé pour concevoir les deux éléments d'imbrication du spiromètre. Le tube Venturi (tube de soufflage) a une variété de conceptions. Pour utiliser l'équation de Bernoulli pour le calcul du débit, vous devez avoir une certaine réduction du volume de débit dans le tube de mesure. Ce principe est utilisé dans une variété de capteurs de débit pour toutes sortes de fluides à écoulement laminaire. Les dimensions que j'ai utilisées dans le tube Venturi ne provenaient d'aucune source particulière, mais elles semblaient simplement fonctionner. Le capteur utilise la pression différentielle à travers les zones étroites et larges du tube pour calculer le débit. Je voulais que le capteur puisse engager facilement et de manière réversible le tube Venturi pour un changement et un retrait rapides. J'ai donc conçu les tubes du capteur de pression pour qu'ils sortent du modèle et se terminent à sa base où ils engageraient les extrémités des têtes de tube du capteur. Il y a une polarité haute/basse au capteur qui doit être maintenue depuis les zones haute/basse pression du tube Venturi. La haute pression est dans la section droite et la basse pression est au-dessus de la courbe de la restriction, tout comme au-dessus d'une aile d'avion. Le corps du spiromètre est soigneusement conçu pour fournir des supports à vis pour maintenir le capteur en place avec des vis M3 (20 mm). Ceux-ci sont placés dans des inserts thermofixés M3x4x5mm. Le reste de la conception prévoit l'ancrage du TTGO dans une fente en bas et une fenêtre pour l'écran. Le bouton et le couvercle du bouton sont tous deux imprimés deux fois et permettent un accès direct aux deux boutons de la carte TTGO. La couverture est la dernière pièce à imprimer et est conçue pour donner accès à la prise d'alimentation/de charge en haut de la carte TTGO. Toutes les pièces sont imprimées en PLA sans supports.

Étape 3: câblez-le

Il n'y a pas grand chose sur le câblage du capteur et de l'ESP32. Le capteur a quatre fils et vous devez télécharger la fiche technique du capteur juste pour vous assurer que les fils sont corrects: https://www.farnell.com/datasheets/2611777.pdf L'alimentation va à la sortie 3,3 volts du L'ESP32 et la masse et l'OCS sont tous deux connectés à la masse. La sortie analogique du capteur est connectée à la broche 33 de l'ESP. Étant donné que ces connexions serpentent à travers une ouverture étroite dans la coque, ne les connectez pas avant l'assemblage de l'unité. La batterie Lipo s'adapte à l'arrière du boîtier, alors procurez-vous-en une de taille appropriée pour le mAh. Le TTGO a un circuit de charge avec un petit connecteur JST à l'arrière. Connectez la batterie à celle-ci avec l'interrupteur marche/arrêt coupant la ligne pos.

Étape 4: Assemblage

La modification post impression 3D est effectuée sur le tube de soufflage. Deux sections de tube d'aquarium en plastique sont insérées dans les trous inférieurs de l'unité aussi loin que possible, puis coupées à ras avec une tondeuse. Cela fournit une ouverture élastique pour que les ouvertures du tube de capteur s'accouplent facilement. L'unité principale nécessite l'installation d'inserts en laiton thermofixés dans les deux trous du cadre. Les trous de montage du capteur doivent être légèrement agrandis pour les vis de 3 mm (20 mm de longueur) avec un embout de taille appropriée. Montez le capteur avec deux vis et terminez les connexions électriques à la carte TTGO. Connectez et montez l'interrupteur marche/arrêt avec de la superglue. Utilisez celui d'Adafruit car l'étui est conçu pour le contenir exactement. Les deux boutons sont montés sur le boîtier avec de la superglue. Assurez-vous que les boutons de la carte TTGO s'alignent sous les ouvertures. Le bouton est installé suivi du boîtier du bouton qui est super-collé. Assurez-vous de ne pas coller le bouton sur son logement, il doit se déplacer librement à l'intérieur. Pour stabiliser la partie supérieure du TTGO, placez de petites noisettes de colle chaude sur chaque épaule pour la maintenir en place. La batterie va en arrière de la carte. Terminez l'assemblage en supercollant le dessus. Il devrait y avoir un accès facile au connecteur USB-C pour la programmation et le chargement de la batterie.

Étape 5: Programmation

Le logiciel de cet instrument prend la valeur analogique du capteur change sa valeur en volts et utilise la formule de la fiche technique du capteur pour la convertir en pascals de pression. À partir de là, il utilise la formule de Bernoullis pour déterminer le vol/sec et la masse/sec d'air traversant le tube. Il analyse ensuite cela en respirations individuelles et mémorise les valeurs dans plusieurs tableaux de données et présente les données sur l'écran intégré et appelle enfin le serveur Blynk et les télécharge sur votre téléphone. Les données ne sont mémorisées que jusqu'à ce que vous repreniez votre souffle. L'utilisation clinique d'un spiromètre se fait généralement en demandant au patient de prendre une inspiration aussi grande que possible et de souffler aussi longtemps et aussi fort que possible. Les algorithmes couramment utilisés basés sur la taille, le poids et le sexe sont alors décrits comme normaux ou anormaux. Différentes dispositions de ces données sont également présentées, c'est-à-dire FEV1/FEVC --volume total divisé par le volume dans la première seconde. Tous les paramètres sont présentés sur l'écran Spiromètres ainsi qu'un petit graphique de votre effort en vol au fil du temps. Lorsque les données ont été téléchargées sur Wifi, l'écran revient à "Blow". Toutes les données sont perdues après la mise hors tension.

La première section du code vous oblige à saisir votre jeton Blynk. Le suivant nécessite un mot de passe Wifi et un nom de réseau. La surface flottante_1 est la surface en m² du tube du spiromètre avant le rétrécissement et la surface flottante_2 est la surface en coupe transversale directement au niveau du rétrécissement. Modifiez-les si vous souhaitez redessiner le tube. Vol et volSec sont les deux tableaux qui maintiennent l'augmentation du volume au fil du temps et de la vitesse du mouvement de l'air. La fonction de boucle commence par le calcul des fréquences respiratoires. La section suivante lit le capteur et calcule la pression. L'instruction if suivante essaie de déterminer si vous avez terminé votre coup - plus difficile que vous ne le pensez, souvent la pression chute soudainement pendant une milliseconde en plein milieu du coup. La section suivante calcule le débit massique en fonction de la pression. Si une nouvelle respiration est détectée, toutes les données sont gelées et les paramètres calculés et envoyés à l'écran, suivis d'une fonction graphique et enfin d'un appel Blynk pour télécharger les données. Si aucune connexion Blynk n'est détectée, il reviendra à "Blow".

Étape 6: l'utiliser

Cet instrument est-il raisonnablement précis pour ce qu'il est censé faire ? J'ai utilisé un débitmètre étalonné connecté à une source d'air passée à travers une chambre à air laminaire imprimée en 3D attachée au spiromètre et il a prédit avec précision dans des limites raisonnables le débit d'air de 5 l/min à 20 l/min. Mon volume courant au repos sur la machine est d'environ 500cc et très reproductible. Dans tout essai clinique, vous devez garder à l'esprit ce qui est raisonnable en termes de bénéfice d'information reçu par rapport à l'effort… vous pouvez vous peser au gramme près, mais à quel bénéfice ? Compte tenu de la variabilité inhérente à l'effort de test volontaire vers le résultat, il peut être adéquat pour la plupart des situations cliniques. L'autre préoccupation est que certaines personnes ayant une capacité pulmonaire énorme peuvent dépasser la limite supérieure du capteur. Je n'ai pas pu le faire mais c'est possible, mais ces personnes ne risquent pas d'avoir des problèmes pulmonaires…

Le premier écran présente FEV1 et FEVC. L'écran de données suivant présente la durée du soufflage, le rapport FEV1/FEVC et MaxFlow en Lit/Sec. Je l'ai maximisé avec deux écrans détaillant Vol au fil du temps et Lit/sec au fil du temps. Les cadrans simulent FEV1 et FEVC et les compteurs impriment la durée et FEV1/FEVC. Mais pour ceux d'entre vous qui connaissent Blynk, sachez que vous pouvez le faire comme vous le souhaitez sur l'application téléphonique et télécharger les données sur votre courrier électronique d'un simple toucher.

Les boutons sur le côté de l'instrument sont décomposés au cas où vous voudriez les programmer pour activer la machine avec un souffle ou pour faire varier la sortie de l'écran ou pour changer la connexion Blynk si vous souhaitez l'utiliser hors ligne. Les boutons tirent les broches 0 et 35 vers le bas, alors écrivez simplement ceci dans le programme. COVID a prétendument laissé beaucoup de problèmes pulmonaires persistants et cet appareil peut être utile dans les pays où l'accès à des équipements médicaux coûteux peut être limité. Vous pouvez l'imprimer et l'assembler en quelques heures et imprimer des sections contaminées de remplacement en toute sécurité de l'appareil pour rien.

Finaliste du concours à piles