Ventilateur de bricolage utilisant des fournitures médicales courantes : 8 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Ce projet fournit des instructions pour assembler un ventilateur de fortune à utiliser dans des scénarios d'urgence lorsqu'il n'y a pas assez de ventilateurs commerciaux disponibles, comme la pandémie actuelle de COVID-19. Un avantage de cette conception de ventilateur est qu'elle automatise essentiellement l'utilisation d'un dispositif de ventilation manuel qui est déjà largement utilisé et accepté par la communauté médicale. De plus, il peut être assemblé principalement à partir de composants déjà disponibles dans la plupart des hôpitaux et il ne nécessite aucune fabrication personnalisée de pièces (par exemple, impression 3D, découpe laser, etc.).

Un masque à valve à sac (BVM), également connu sous le nom de réanimateur manuel, est un appareil portatif utilisé pour fournir une ventilation à pression positive aux patients qui ont besoin d'une assistance respiratoire. Ils sont utilisés pour fournir une ventilation temporaire aux patients lorsque les ventilateurs mécaniques ne sont pas disponibles, mais ne sont pas utilisés pendant de longues périodes car ils nécessitent qu'un humain comprime le sac à des intervalles de respiration réguliers.

Ce ventilateur DIY automatise la compression d'un BVM afin qu'il puisse être utilisé pour ventiler un patient pendant une durée indéterminée. La compression est obtenue en gonflant/dégonflant à plusieurs reprises un brassard de tension artérielle enroulé autour du BVM. La plupart des hôpitaux sont équipés de prises murales d'air comprimé et d'aspiration, qui peuvent être utilisées pour gonfler et dégonfler le brassard de tensiomètre, respectivement. Une électrovanne régule le débit d'air comprimé, qui est contrôlé par un microcontrôleur Arduino.

Outre le BVM et le brassard de tensiomètre (tous deux déjà disponibles dans les hôpitaux), cette conception nécessite moins de 100 $ de pièces, qui peuvent être facilement achetées auprès de vendeurs en ligne tels que McMaster-Carr et Amazon. Des composants suggérés et des liens d'achat sont fournis, mais vous pouvez échanger de nombreuses pièces avec d'autres composants similaires si ceux répertoriés ne sont pas disponibles.

Remerciements:

Un merci spécial au professeur Ram Vasudevan de l'Université du Michigan pour le financement de ce projet et à Mariama Runcie, M. D. de la Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency au Massachusetts General Hospital et au Brigham and Women's Hospital pour avoir prêté son expertise médicale et fourni des commentaires sur le concept.

Je tiens également à reconnaître Christopher Zahner, M. D. et Aisen Chacin, PhD de l'UTMB qui ont convergé indépendamment sur une conception similaire avant de publier ce Instructable (article de presse). Bien que mon appareil ne soit pas nouveau, j'espère que ce compte rendu détaillé de la façon dont il a été construit s'avérera utile à d'autres qui cherchent à recréer ou à améliorer le concept.

Fournitures

Composants médicaux:

-Masque de valve de sac, ~ 30 $ (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

-Brassard de pression artérielle, ~ 17 $ (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Composants electroniques:

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

-Électrovanne électronique à 3 voies (12V), ~30 $ (https://www.mcmaster.com/61975k413)

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

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

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

-Planche à pain miniature, ~ 1 $ (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

-Fil à âme unique, ~ 15 $ pour un ensemble complet de couleurs différentes (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Autres composants:

-Raccord de tuyau barbelé en laiton avec filetages 10-32, ~ 4 $ (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) Raccord de tube cannelé en plastique avec filetages 1/4 NPT, ~ 1 $ (https://www.mcmaster.com/5372k121)

-Espaceur en plastique, <$1 (https://www.mcmaster.com/94639a258)

-(x2) Tubes à oxygène résistants à l'écrasement, ~ 10 $ (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-Petite boîte ou autre conteneur pour servir d'électronique et de boîtier de vanne

Étape 1: câbler l'électronique

À l'aide du fil à âme pleine et de la planche à pain miniature, connectez l'Arduino, le TIP 120 et le potentiomètre comme indiqué sur le schéma de câblage. Vous pouvez également coller ou coller à chaud l'Arduino et la planche à pain sur un morceau de carton, car cela aidera à limiter les tiraillements accidentels sur les fils.

Notez que la résistance 1k est facultative. Cela fonctionne comme une assurance contre les courts-circuits électriques, mais si vous n'en avez pas qui traîne, vous pouvez simplement le remplacer par un fil et tout devrait toujours fonctionner correctement.

L'Arduino ne peut pas piloter la vanne directement car il nécessite plus de puissance que les broches de sortie de l'Arduino ne peuvent en fournir. Au lieu de cela, l'Arduino pilote le transistor TIP 120, qui agit comme un interrupteur pour allumer et éteindre la vanne.

Le potentiomètre agit comme un "bouton de réglage de la fréquence respiratoire". Ajuster le réglage du pot change le signal de tension dans la broche A0 de l'Arduino. Le code exécuté sur l'Arduino convertit cette tension en un "taux de respiration" et définit le taux d'ouverture et de fermeture de la vanne pour qu'il corresponde.

Étape 2: câbler l'électrovanne électronique

La vanne électronique n'est livrée avec aucun fil connecté, donc cela doit être fait manuellement.

Tout d'abord, retirez le couvercle supérieur à l'aide d'un tournevis cruciforme pour exposer ses trois bornes à vis, V+, V- et GND (consultez la photo pour déterminer laquelle est laquelle)

Ensuite, fixez les fils en les serrant avec les vis. Je suggérerais d'utiliser un fil orange ou jaune pour le V+ (ou la couleur que vous avez utilisée pour le fil 12V à l'étape précédente), bleu ou noir pour V- et noir pour GND (ou la couleur que vous avez utilisée pour le fil GND sur le étape précédente J'ai utilisé du noir pour V- et GND, mais j'ai mis un petit morceau de ruban adhésif sur le fil GND pour que je puisse les distinguer.

Une fois les fils attachés, remettez le couvercle et vissez-le en place.

Ensuite, connectez les fils à la maquette comme indiqué dans le schéma de câblage mis à jour.

Pour plus de clarté, un schéma de circuit est également inclus, mais si vous n'êtes pas familier avec ce type de notation, vous pouvez simplement l'ignorer:)

Étape 3: Téléchargez le code Arduino et testez l'électronique

Si vous ne l'avez pas déjà, téléchargez l'IDE Arudino ou ouvrez l'éditeur Web Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Si vous utilisez l'éditeur Web Arduino Create, vous pouvez accéder au croquis de ce projet ici. Si vous utilisez l'IDE Arduino localement sur votre ordinateur, vous pouvez télécharger le croquis à partir de ce Instructable.

Ouvrez le croquis, connectez l'Arduino à votre ordinateur à l'aide d'un câble d'imprimante USB et téléchargez le croquis sur l'Arduino. Si vous rencontrez des difficultés pour télécharger le croquis, vous pouvez trouver de l'aide ici.

Branchez maintenant l'alimentation 12V. La valve doit périodiquement émettre un clic et s'allumer, comme le montre la vidéo. Si vous tournez le bouton du potentiomètre dans le sens des aiguilles d'une montre, il devrait basculer plus rapidement et plus lentement si vous le tournez dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Si ce n'est pas le comportement que vous voyez, revenez en arrière et vérifiez toutes les étapes précédentes.

Étape 4: Fixez les connecteurs de tube barbelé à la valve

La vanne a trois ports: A, P et Échappement. Lorsque la vanne est inactive, A est connecté à l'échappement et P est fermé. Lorsque la vanne est active, A est connecté à P et l'échappement est fermé. Nous allons connecter P à une source d'air comprimé, A au brassard de tensiomètre et Échappement à un aspirateur. Avec cette configuration, le brassard de tensiomètre se gonfle lorsque la valve est active et se dégonfle lorsque la valve est inactive.

L'orifice d'échappement est conçu pour être simplement ouvert à l'atmosphère, mais nous devons le connecter à un vide afin que le brassard de pression artérielle se dégonfle plus rapidement. Pour ce faire, retirez d'abord le capuchon en plastique noir recouvrant l'orifice d'échappement. Ensuite, placez l'entretoise en plastique sur les filetages exposés et fixez le connecteur cannelé en laiton sur le dessus.

Fixez les connecteurs cannelés en plastique aux ports A et P. Serrez avec une clé pour éviter les fuites.

Étape 5: Créer un boîtier pour l'électronique

Étant donné qu'aucun des fils n'est soudé en place, il est important de les protéger d'être accidentellement tiré et déconnecté. Cela peut être fait en les plaçant dans un boîtier de protection.

Pour le boîtier, j'ai utilisé une petite boîte en carton (l'une des boîtes d'expédition de McMaster contenant certaines des pièces). Vous pouvez également utiliser un petit récipient tupperware, ou quelque chose de plus sophistiqué si vous le souhaitez.

Tout d'abord, disposez la valve, l'Arduino et la planche à pain miniature dans le conteneur. Ensuite, percez/percez des trous dans le conteneur pour le câble d'alimentation 12 V et les tubes à air. Une fois les trous terminés, collez à chaud, ruban adhésif ou attachez la valve, l'Arduino et la planche à pain aux endroits souhaités.

Étape 6: Enroulez le brassard de tensiomètre autour de la BVM

Déconnectez la poire de gonflage du brassard de tensiomètre (vous devriez pouvoir simplement la retirer). Dans l'étape suivante, ce tube sera connecté à la valve électronique.

Enroulez le brassard de tensiomètre autour du BVM. Assurez-vous que le brassard est aussi serré que possible sans effondrer le sac.

Étape 7: Fixez les tubes d'air

La dernière étape consiste à connecter le brassard de tensiomètre, la source d'air comprimé et la source de vide à la valve électronique.

Connectez le brassard de tensiomètre à la borne A de la valve.

À l'aide d'un tube à oxygène, connectez la borne P de la vanne à la source d'air comprimé. La plupart des hôpitaux devraient avoir des sorties d'air comprimé disponibles à une pression de 4 bars (58 psi) (source).

À l'aide d'un autre tube à oxygène, connectez la borne d'échappement de la vanne à la source de vide. La plupart des hôpitaux devraient avoir des sorties de vide disponibles à 400 mmHg (7,7 psi) sous l'atmosphère (source).

L'appareil est maintenant complet à l'exception des tubes/adaptateurs nécessaires pour connecter la sortie du BVM aux poumons d'un patient. Je ne suis pas un professionnel de la santé, je n'ai donc pas inclus ces composants dans la conception, mais on suppose qu'ils seraient disponibles dans n'importe quel hôpital.

Étape 8: Testez l'appareil

Branchez l'appareil. Si tout est correctement connecté, le brassard de tensiomètre doit se gonfler et se dégonfler périodiquement, comme le montre la vidéo.

Je ne suis pas un professionnel de la santé, je n'ai donc pas accès aux prises d'air comprimé ou de vide de l'hôpital. Par conséquent, j'ai utilisé un petit compresseur d'air et une pompe à vide pour tester l'appareil dans ma maison. J'ai réglé le régulateur de pression sur le compresseur à 4 bar (58 psi) et le vide à -400 mmHg (-7,7 psi) pour simuler au mieux les sorties de l'hôpital.

Quelques avertissements et éléments à prendre en compte:

-La fréquence respiratoire peut être ajustée en tournant le potentiomètre (entre 12-40 respirations par minute). En utilisant ma configuration air comprimé/vide, j'ai remarqué que pour des fréquences respiratoires supérieures à environ 20 respirations par minute, le brassard de pression artérielle n'a pas le temps de se dégonfler complètement entre les respirations. Cela peut ne pas être un problème lors de l'utilisation des sorties d'air des hôpitaux qui, je suppose, peuvent fournir des débits plus élevés sans autant de chute de pression, mais je n'en suis pas sûr.

-La valve du sac n'est pas complètement comprimée à chaque respiration. Cela peut entraîner une quantité insuffisante d'air pompé dans les poumons du patient. Des tests sur un mannequin médical pour voies respiratoires pourraient révéler si tel est le cas. Si tel est le cas, cela pourrait éventuellement être résolu en augmentant le temps de gonflage à chaque respiration, ce qui nécessiterait de modifier le code Arduino.

-Je n'ai pas testé la capacité de pression maximale du brassard de tensiomètre. 4 bar est beaucoup plus élevé que la pression normalement impliquée dans la lecture de la pression artérielle. Le brassard de tensiomètre ne s'est pas cassé pendant mes tests, mais cela ne veut pas dire que cela ne pourrait pas arriver si la pression dans le brassard s'équilibrait complètement avant de se dégonfler.

-Un BVM est conçu pour fournir un support d'air sans tube supplémentaire entre la valve et le nez/la bouche du patient. Ainsi, pour une application réelle, la longueur de tubulure entre le BVM et le patient doit être réduite au minimum.

-Cette conception de ventilateur n'est pas approuvée par la FDA et ne doit être considérée que comme une option de dernier recours. Il a été intentionnellement conçu pour être facile à assembler à partir d'équipements hospitaliers et de pièces commerciales pour les situations où des alternatives meilleures/plus sophistiquées ne sont tout simplement pas disponibles. Les améliorations sont encouragées !