Máy thở tự làm bằng dụng cụ y tế thông thường: 8 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Dự án này cung cấp hướng dẫn lắp ráp máy thở thay phiên để sử dụng trong các tình huống khẩn cấp khi không có đủ máy thở thương mại, chẳng hạn như đại dịch COVID-19 hiện nay. Một ưu điểm của thiết kế máy thở này là về cơ bản nó chỉ tự động hóa việc sử dụng một thiết bị thông gió bằng tay vốn đã được sử dụng rộng rãi và được chấp nhận bởi cộng đồng y tế. Ngoài ra, nó có thể được lắp ráp chủ yếu từ các thành phần đã có sẵn trong hầu hết các cơ sở bệnh viện và nó không yêu cầu chế tạo tùy chỉnh bất kỳ bộ phận nào (ví dụ: in 3d, cắt laser, v.v.).

Mặt nạ van túi (BVM), còn được gọi là thiết bị hồi sức bằng tay, là một thiết bị cầm tay được sử dụng để cung cấp thông khí áp lực dương cho bệnh nhân cần hỗ trợ thở. Chúng được sử dụng để cung cấp thông khí tạm thời cho bệnh nhân khi không có máy thở cơ học, nhưng không được sử dụng trong thời gian dài vì chúng yêu cầu người bóp túi thở đều đặn.

Máy thở tự làm này tự động bóp BVM để nó có thể được sử dụng để thông khí cho bệnh nhân trong một khoảng thời gian không xác định. Ép được thực hiện bằng cách bơm căng / xì hơi liên tục vòng bít huyết áp quấn quanh BVM. Hầu hết các bệnh viện đều được trang bị các ổ cắm tường bằng khí nén và chân không, có thể được sử dụng để làm phồng và làm xẹp vòng bít huyết áp tương ứng. Van điện từ điều chỉnh dòng khí nén, được điều khiển bởi bộ vi điều khiển Arduino.

Ngoài BVM và vòng bít huyết áp (cả hai đều đã có sẵn trong bệnh viện), thiết kế này yêu cầu các bộ phận trị giá dưới 100 đô la, có thể mua sẵn từ những người bán trực tuyến như McMaster-Carr và Amazon. Các thành phần được đề xuất và liên kết mua được cung cấp, nhưng bạn có thể hoán đổi nhiều bộ phận với các bộ phận tương tự khác nếu những bộ phận được liệt kê không có sẵn.

Sự nhìn nhận:

Đặc biệt cảm ơn Giáo sư Ram Vasudevan tại Đại học Michigan đã tài trợ cho dự án này và Mariama Runcie, M. D. từ Khoa Y tế Cấp cứu Liên kết Harvard tại Bệnh viện Đa khoa Massachusetts và Bệnh viện Phụ nữ và Brigham đã cho cô ấy mượn kiến thức chuyên môn y tế và cung cấp phản hồi về khái niệm này.

Tôi cũng muốn ghi nhận Christopher Zahner, M. D. và Aisen Chacin, PhD từ UTMB, những người đã hội tụ độc lập về một thiết kế tương tự trước khi tôi đăng bài viết có thể hướng dẫn này (tin tức). Mặc dù thiết bị của tôi không phải là mới lạ, nhưng tôi hy vọng rằng bản tính toán chi tiết này về cách nó được tạo ra sẽ chứng tỏ hữu ích cho những người khác đang tìm cách tạo lại hoặc cải thiện khái niệm này.

Quân nhu

Thành phần y tế:

-Mặt nạ van thẻ, ~ $ 30 (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

- Vòng bít áp suất, ~ $ 17 (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

Linh kiện điện tử:

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

Van điện từ điện tử -3 chiều (12V), ~ $ 30 (https://www.mcmaster.com/61975k413)

Bộ chuyển đổi âm tường -12 V, ~ $ 10 (https://www.amazon.com/gp/product/B01GD4ZQRS)

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

-TIP120 bóng bán dẫn Darlington, ~ 2 đô la (https://www.amazon.com/Pieces-TIP120-Power-Darlington-Transistors/dp/B00NAY1IBS)

-Bảng bánh mì nhỏ, ~ $ 1 (https://www.amazon.com/gp/product/B07PZXD69L)

- Dây lõi đơn, ~ $ 15 cho cả bộ các màu khác nhau (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-dierence-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

Các thành phần khác:

-Ống nối ống thép gai với 10-32 sợi, ~ $ 4 (https://www.mcmaster.com/5346k93)

- (x2) Phụ kiện ống thép gai bằng nhựa với 1/4 ren NPT, ~ $ 1 (https://www.mcmaster.com/5372k121)

- Miếng đệm nhựa dẻo, <$ 1 (https://www.mcmaster.com/94639a258)

- (x2) Ống oxy chống nghiền, ~ $ 10 (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

- Hộp nhỏ hoặc hộp chứa khác để phục vụ như thiết bị điện tử và vỏ van

Bước 1: Lên dây điện tử

Sử dụng dây lõi đặc và breadboard thu nhỏ, kết nối Arduino, TIP 120 và chiết áp như trong sơ đồ đấu dây. Bạn cũng có thể muốn băng hoặc keo nóng Arduino và breadboard vào một miếng bìa cứng, vì điều này sẽ giúp hạn chế tình trạng giật dây ngẫu nhiên.

Lưu ý rằng điện trở 1k là tùy chọn. Nó hoạt động như một bảo hiểm chống lại sự cố chập điện, nhưng nếu bạn không có một chiếc điện nằm xung quanh, bạn có thể chỉ cần thay thế nó bằng một sợi dây và mọi thứ sẽ vẫn hoạt động tốt.

Arduino không thể điều khiển van trực tiếp vì nó yêu cầu nhiều năng lượng hơn các chân đầu ra của Arduino có thể cung cấp. Thay vào đó, Arduino điều khiển bóng bán dẫn TIP 120, hoạt động giống như một công tắc để bật và tắt van.

Chiết áp hoạt động như một "núm điều chỉnh nhịp thở". Tinh chỉnh cài đặt nồi sẽ thay đổi tín hiệu điện áp vào chân A0 của Arduino. Mã chạy trên Arduino chuyển đổi điện áp đó thành "nhịp thở" và đặt tốc độ đóng mở van phù hợp với nó.

Bước 2: Nối dây van điện từ điện tử

Van điện tử không đi kèm với bất kỳ dây nào được kết nối với nó, vì vậy việc này phải được thực hiện thủ công.

Đầu tiên, tháo nắp trên bằng tuốc nơ vít đầu Phillips để lộ ba đầu cực vít của nó là V +, V- và GND (tham khảo ảnh để xác định đâu là đầu cuối)

Sau đó, gắn dây bằng cách kẹp chúng bằng vít. Tôi sẽ đề xuất sử dụng dây màu cam hoặc vàng cho V + (hoặc bất kỳ màu nào bạn đã sử dụng cho dây 12V ở bước trước), xanh lam hoặc đen cho V- và đen cho GND (hoặc bất kỳ màu nào bạn đã sử dụng cho dây GND trên bước trước. Tôi đã sử dụng màu đen cho cả V- và GND nhưng dán một ít băng dính trên dây GND để tôi có thể phân biệt chúng.

Sau khi các dây được gắn vào, hãy đặt nắp lại và vặn nó vào vị trí.

Sau đó, kết nối các dây với breadboard như được hiển thị trong sơ đồ nối dây được cập nhật.

Để rõ ràng, một sơ đồ mạch cũng được bao gồm, nhưng nếu bạn không quen với loại ký hiệu đó, bạn có thể bỏ qua nó:)

Bước 3: Tải lên mã Arduino và kiểm tra thiết bị điện tử

Nếu bạn chưa có, hãy tải xuống Arudino IDE hoặc mở trình chỉnh sửa web Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software).

Nếu bạn đang sử dụng trình chỉnh sửa web Arduino Create, bạn có thể truy cập bản phác thảo cho dự án này tại đây. Nếu bạn đang sử dụng Arduino IDE cục bộ trên máy tính của mình, bạn có thể tải xuống bản phác thảo từ Có thể hướng dẫn này.

Mở bản phác thảo, kết nối Arduino với máy tính của bạn bằng cáp máy in USB và tải bản phác thảo lên Arduino. Nếu bạn gặp sự cố khi tải lên bản phác thảo, bạn có thể tìm trợ giúp tại đây.

Bây giờ hãy cắm nguồn điện 12V. Van phải định kỳ phát ra tiếng lách cách và sáng lên, như trong video. Nếu bạn xoay núm chiết áp theo chiều kim đồng hồ, nó sẽ chuyển nhanh hơn và chậm hơn nếu bạn xoay ngược chiều kim đồng hồ. Nếu đây không phải là hành vi bạn đang thấy, hãy quay lại và kiểm tra tất cả các bước trước đó.

Bước 4: Gắn đầu nối ống thép gai vào van

Van có ba cổng: A, P và Exhaust. Khi van không hoạt động, A được kết nối với Exhaust và P đóng. Khi van hoạt động, A được kết nối với P và Exhaust đóng. Chúng ta sẽ kết nối P với nguồn khí nén, A với dây quấn huyết áp và Exhaust với chân không. Với cấu hình này, vòng bít huyết áp sẽ phồng lên khi van hoạt động, và xẹp xuống khi van không hoạt động.

Cổng Exhaust được thiết kế để mở với không khí, nhưng chúng ta cần kết nối nó với chân không để máy đo huyết áp xì hơi nhanh hơn. Để thực hiện việc này, trước tiên hãy tháo nắp nhựa đen che cổng Exhaust. Sau đó, đặt miếng đệm bằng nhựa lên trên các ren lộ ra và gắn đầu nối bằng thép gai bằng đồng lên trên.

Gắn các đầu nối có gai nhựa vào cổng A và P. Vặn chặt bằng cờ lê để đảm bảo không bị rò rỉ.

Bước 5: Tạo nhà ở cho đồ điện tử

Vì không có dây nào được hàn tại chỗ, điều quan trọng là phải bảo vệ chúng khỏi bị vô tình kéo và ngắt kết nối. Điều này có thể được thực hiện bằng cách đặt chúng trong một vỏ bảo vệ.

Đối với nhà ở, tôi sử dụng một hộp các tông nhỏ (một trong những hộp vận chuyển McMaster có một số bộ phận đi kèm). Bạn cũng có thể sử dụng một hộp đựng tupperware nhỏ hoặc một thứ gì đó lạ mắt hơn nếu bạn muốn.

Đầu tiên, bố trí van, Arduino và breadboard thu nhỏ trong hộp chứa. Sau đó chọc / khoan các lỗ trên hộp chứa để lấy dây nguồn 12V và các ống khí. Sau khi các lỗ được hoàn thành, keo nóng, băng dính hoặc zip buộc van, Arduino và breadboard ở vị trí mong muốn của chúng.

Bước 6: Quấn vòng bít huyết áp quanh BVM

Ngắt kết nối bóng đèn lạm phát khỏi máy đo huyết áp (bạn có thể chỉ cần kéo nó ra). Bước tiếp theo, ống này sẽ được kết nối với van điện tử.

Quấn vòng bít huyết áp quanh BVM. Đảm bảo vòng bít càng chặt càng tốt mà không làm xẹp túi.

Bước 7: Gắn các ống khí

Bước cuối cùng là kết nối vòng bít huyết áp, nguồn khí nén, nguồn chân không với van điện tử.

Kết nối vòng bít huyết áp với đầu cuối A của van.

Sử dụng một ống oxy, kết nối đầu cuối P của van với nguồn khí nén. Hầu hết các bệnh viện nên có sẵn các cửa hàng khí nén ở áp suất 4 bar (58 psi) (nguồn).

Sử dụng một ống oxy khác, kết nối đầu cuối xả của van với nguồn chân không. Hầu hết các bệnh viện nên có sẵn các cửa hàng chân không ở 400mmHg (7,7 psi) dưới không khí (nguồn).

Thiết bị hiện đã hoàn thiện ngoại trừ các ống / bộ điều hợp cần thiết để kết nối đầu ra của BVM với phổi của bệnh nhân. Tôi không phải là một chuyên gia chăm sóc sức khỏe nên tôi đã không đưa những thành phần đó vào thiết kế, nhưng có thể giả định rằng chúng sẽ có sẵn trong bất kỳ môi trường bệnh viện nào.

Bước 8: Kiểm tra thiết bị

Cắm thiết bị vào. Nếu mọi thứ được kết nối đúng cách, vòng bít huyết áp sẽ phồng lên và xẹp xuống theo định kỳ, như trong video.

Tôi không phải là một chuyên gia chăm sóc sức khỏe, vì vậy tôi không có quyền sử dụng khí nén hoặc cửa hàng hút chân không của bệnh viện. Vì vậy, tôi đã sử dụng một máy nén khí nhỏ và máy bơm chân không để thử nghiệm thiết bị trong nhà mình. Tôi đặt bộ điều chỉnh áp suất trên máy nén thành 4 bar (58 psi) và chân không thành -400 mmHg (-7,7 psi) để mô phỏng các cửa hàng bệnh viện tốt nhất có thể.

Một số tuyên bố từ chối trách nhiệm và những điều cần xem xét:

-Có thể điều chỉnh nhịp thở bằng cách vặn chiết áp (từ 12-40 nhịp thở mỗi phút). Sử dụng thiết lập chân không / khí nén của mình, tôi nhận thấy rằng đối với nhịp thở lớn hơn ~ 20 nhịp thở mỗi phút, vòng bít huyết áp không có thời gian để xì hơi hoàn toàn giữa các nhịp thở. Đây có thể không phải là vấn đề khi sử dụng các cửa hàng không khí bệnh viện mà tôi cho rằng có thể cung cấp tốc độ dòng chảy cao hơn mà không bị giảm áp suất nhiều, nhưng tôi không biết chắc.

-Van túi không được nén hoàn toàn trong mỗi lần thở. Điều này có thể dẫn đến không khí được bơm vào phổi bệnh nhân không đủ. Thử nghiệm trên một chiếc máy gắp dị vật đường thở y tế có thể cho biết liệu đây có phải là trường hợp hay không. Nếu vậy, điều này có thể được khắc phục bằng cách tăng thời gian lạm phát trong mỗi nhịp thở, điều này sẽ yêu cầu chỉnh sửa mã Arduino.

-Tôi đã không kiểm tra công suất áp suất tối đa cho vòng bít huyết áp. 4 bar cao hơn nhiều so với áp suất thông thường khi đo huyết áp. Vòng bít huyết áp không bị vỡ trong quá trình thử nghiệm của tôi, nhưng điều đó không có nghĩa là nó không thể xảy ra nếu áp suất trong vòng bít được phép cân bằng hoàn toàn trước khi xì hơi.

-Một BVM được thiết kế để cung cấp hỗ trợ không khí mà không có bất kỳ ống phụ nào giữa van và mũi / miệng của bệnh nhân. Do đó, đối với một ứng dụng thực tế, chiều dài của đường ống giữa BVM và bệnh nhân nên được giữ ở mức tối thiểu.

-Thiết kế máy thở này không được FDA chấp thuận và chỉ nên được coi là một lựa chọn RESORT CUỐI CÙNG. Nó được thiết kế có chủ đích để dễ dàng lắp ráp từ các thiết bị bệnh viện và các bộ phận thương mại cho các tình huống mà các giải pháp thay thế tốt hơn / phức tạp hơn đơn giản là không có sẵn. Cải tiến được khuyến khích!