DIY เครื่องช่วยหายใจโดยใช้อุปกรณ์ทางการแพทย์ทั่วไป: 8 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

โครงการนี้ให้คำแนะนำในการประกอบเครื่องช่วยหายใจชั่วคราวเพื่อใช้ในสถานการณ์ฉุกเฉินเมื่อมีเครื่องช่วยหายใจในเชิงพาณิชย์ไม่เพียงพอ เช่น การระบาดใหญ่ของ COVID-19 ในปัจจุบัน ข้อดีของการออกแบบเครื่องช่วยหายใจนี้คือโดยพื้นฐานแล้วจะใช้อุปกรณ์ช่วยหายใจแบบแมนนวลโดยอัตโนมัติซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายและเป็นที่ยอมรับของชุมชนทางการแพทย์ นอกจากนี้ยังสามารถประกอบขึ้นจากส่วนประกอบที่มีอยู่แล้วในสถานพยาบาลส่วนใหญ่ และไม่ต้องมีการประดิษฐ์ชิ้นส่วนใดๆ (เช่น การพิมพ์ 3 มิติ การตัดด้วยเลเซอร์ ฯลฯ)

หน้ากากถุงลมนิรภัย (BVM) หรือที่เรียกว่าเครื่องช่วยหายใจแบบใช้มือ เป็นอุปกรณ์พกพาที่ใช้เพื่อให้การช่วยหายใจด้วยแรงดันบวกแก่ผู้ป่วยที่ต้องการความช่วยเหลือด้านการหายใจ ใช้เพื่อให้การระบายอากาศชั่วคราวแก่ผู้ป่วยเมื่อไม่มีเครื่องช่วยหายใจแบบกลไก แต่ไม่ได้ใช้เป็นระยะเวลานานเนื่องจากต้องใช้มนุษย์บีบถุงในช่วงเวลาการหายใจปกติ

เครื่องช่วยหายใจแบบ DIY นี้จะทำการบีบ BVM โดยอัตโนมัติ เพื่อให้สามารถใช้ระบายอากาศผู้ป่วยได้ในระยะเวลาที่ไม่แน่นอน การบีบทำได้โดยการพอง/คลายผ้าพันแขนความดันโลหิตที่พันรอบ BVM ซ้ำๆ โรงพยาบาลส่วนใหญ่มีการติดตั้งช่องระบายอากาศและช่องระบายอากาศแบบสุญญากาศ ซึ่งสามารถใช้ในการขยายและคลายผ้าพันแขนความดันโลหิตได้ตามลำดับ โซลินอยด์วาล์วควบคุมการไหลของอากาศอัด ซึ่งควบคุมโดยไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino

นอกเหนือจาก BVM และผ้าพันแขนความดันโลหิต (ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีวางจำหน่ายแล้วในโรงพยาบาล) การออกแบบนี้ต้องใช้ชิ้นส่วนที่มีมูลค่าน้อยกว่า 100 ดอลลาร์ ซึ่งสามารถหาซื้อได้ง่ายจากผู้ขายออนไลน์ เช่น McMaster-Carr และ Amazon มีส่วนประกอบที่แนะนำและลิงก์ซื้อให้ แต่คุณสามารถสลับชิ้นส่วนหลายๆ ชิ้นกับส่วนประกอบอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันได้ หากไม่มีส่วนประกอบในรายการ

รับทราบ:

ขอขอบคุณเป็นพิเศษกับศาสตราจารย์ Ram Vasudevan จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนที่ให้ทุนสนับสนุนโครงการนี้ และ Mariama Runcie, MD จาก Harvard Affiliated Emergency Medicine Residency ที่โรงพยาบาล Massachusetts General Hospital และ Brigham and Women's Hospital ที่ให้ยืมความเชี่ยวชาญทางการแพทย์ของเธอและให้ข้อเสนอแนะเกี่ยวกับแนวคิดนี้

ฉันยังต้องการที่จะรู้จัก Christopher Zahner, M. D. และ Aisen Chacin, PhD จาก UTMB ที่หลอมรวมเข้ากับการออกแบบที่คล้ายกันอย่างอิสระก่อนที่ฉันจะโพสต์คำแนะนำนี้ (บทความข่าว) แม้ว่าอุปกรณ์ของฉันจะไม่ใช่สิ่งแปลกใหม่ ฉันหวังว่ารายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการสร้างอุปกรณ์นี้จะเป็นประโยชน์ต่อผู้อื่นที่ต้องการสร้างหรือปรับปรุงแนวคิดนี้

เสบียง

ส่วนประกอบทางการแพทย์:

- หน้ากากวาล์วแบบถุง ราคา 30 เหรียญ (https://www.amazon.com/Simple-Breathing-Tool-Adult-Oxygen/dp/B082NK2H5R)

- เครื่องวัดความดันโลหิต ~ 17 เหรียญ (https://www.amazon.com/gp/product/B00VGHZG3C)

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์:

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

โซลินอยด์วาล์วอิเล็กทรอนิกส์แบบ 3 ทาง (12V), ~$30 (https://www.mcmaster.com/61975k413)

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

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

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

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

- ลวดแกนเดี่ยว ~ $ 15 สำหรับทั้งชุดของสีที่ต่างกัน (https://www.amazon.com/TUOFENG-Wire-Solid-different-colored-spools/dp/B07TX6BX47)

ส่วนประกอบอื่นๆ:

- ข้อต่อท่อทองเหลืองมีหนาม 10-32 เส้น ~$4 (https://www.mcmaster.com/5346k93)

-(x2) ข้อต่อท่อพลาสติกมีหนามพร้อมเกลียว NPT 1/4 เส้น, ~$1 (https://www.mcmaster.com/5372k121)

-ตัวเว้นวรรคพลาสติก <$1 (https://www.mcmaster.com/94639a258)

-(x2) หลอดออกซิเจนทนแรงกดทับ, ~$10 (https://www.amazon.com/dp/B07S427JSY)

-กล่องเล็กหรือภาชนะอื่นๆ เพื่อใช้เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และตัวเรือนวาล์ว

ขั้นตอนที่ 1: วางสายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ใช้ลวดแกนแข็งและเขียงหั่นขนมขนาดเล็กเชื่อมต่อ Arduino, TIP 120 และโพเทนชิออมิเตอร์ตามที่แสดงในแผนภาพการเดินสาย คุณอาจต้องการติดเทปหรือกาว Arduino และเขียงหั่นขนมกับกระดาษแข็งเพราะจะช่วยจำกัดการดึงสายไฟโดยไม่ได้ตั้งใจ

โปรดทราบว่าตัวต้านทาน 1k เป็นทางเลือก มันทำงานเป็นประกันกับไฟฟ้าช็อต แต่ถ้าคุณไม่มีหนึ่งวางอยู่รอบตัวคุณก็สามารถแทนที่ด้วยลวดและทุกอย่างจะยังคงทำงานได้ดี

Arduino ไม่สามารถขับวาล์วได้โดยตรงเพราะต้องการพลังงานมากกว่าที่ขาเอาต์พุตของ Arduino สามารถจ่ายได้ แต่ Arduino ขับเคลื่อนทรานซิสเตอร์ TIP 120 ซึ่งทำหน้าที่เหมือนสวิตช์เพื่อเปิดและปิดวาล์ว

โพเทนชิออมิเตอร์ทำหน้าที่เป็น "ปุ่มปรับอัตราการหายใจ" การปรับการตั้งค่าหม้อจะเปลี่ยนสัญญาณแรงดันไฟฟ้าเป็นพิน A0 ของ Arduino รหัสที่ทำงานบน Arduino จะแปลงแรงดันไฟฟ้านั้นเป็น "อัตราการหายใจ" และกำหนดอัตราการเปิดและปิดวาล์วให้ตรงกัน

ขั้นตอนที่ 2: ต่อสายโซลินอยด์วาล์วอิเล็กทรอนิกส์

วาล์วอิเล็กทรอนิกส์ไม่ได้มาพร้อมกับสายไฟใดๆ ที่เชื่อมต่ออยู่ ดังนั้นจึงต้องดำเนินการด้วยตนเอง

ขั้นแรก ให้ถอดฝาครอบด้านบนออกโดยใช้ไขควงปากแฉกเพื่อให้เห็นขั้วสกรูสามตัว V+, V- และ GND (ดูจากรูปภาพเพื่อดูว่าอันไหนคืออันไหน)

จากนั้นติดสายไฟโดยขันให้แน่นด้วยสกรู ฉันขอแนะนำให้ใช้สายสีส้มหรือสีเหลืองสำหรับ V+ (หรือสีใดก็ตามที่คุณใช้สำหรับสาย 12V ในขั้นตอนก่อนหน้า), สีน้ำเงินหรือสีดำสำหรับ V- และสีดำสำหรับ GND (หรือสีใดก็ตามที่คุณใช้สำหรับสาย GND บน ขั้นตอนก่อนหน้า ฉันใช้สีดำสำหรับทั้ง V- และ GND แต่ติดเทปเล็กๆ ไว้บนสาย GND เพื่อที่ฉันจะได้แยกแยะได้

เมื่อต่อสายไฟแล้ว ให้ใส่ฝาครอบกลับเข้าไปแล้วขันให้เข้าที่

จากนั้นเชื่อมต่อสายไฟเข้ากับเขียงหั่นขนมตามที่แสดงในแผนภาพการเดินสายที่อัปเดต

เพื่อความชัดเจน มีแผนภาพวงจรรวมอยู่ด้วย แต่ถ้าคุณไม่คุ้นเคยกับสัญกรณ์ประเภทนั้น คุณก็สามารถเพิกเฉยได้:)

ขั้นตอนที่ 3: อัปโหลดโค้ด Arduino และทดสอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

หากคุณยังไม่มี ให้ดาวน์โหลด Arudino IDE หรือเปิดตัวแก้ไขเว็บ Arduino (https://www.arduino.cc/en/main/software)

หากคุณกำลังใช้โปรแกรมแก้ไขเว็บ Arduino Create คุณสามารถเข้าถึงแบบร่างสำหรับโครงการนี้ได้ที่นี่ หากคุณกำลังใช้ Arduino IDE ในเครื่องคอมพิวเตอร์ของคุณ คุณสามารถดาวน์โหลดแบบร่างได้จากคำแนะนำนี้

เปิดภาพสเก็ตช์ เชื่อมต่อ Arduino กับคอมพิวเตอร์ของคุณโดยใช้สายเคเบิลเครื่องพิมพ์ USB และอัปโหลดภาพร่างไปยัง Arduino หากคุณประสบปัญหาในการอัปโหลดภาพสเก็ตช์ สามารถดูความช่วยเหลือได้ที่นี่

ตอนนี้เสียบแหล่งจ่ายไฟ 12V วาล์วควรส่งเสียงคลิกและสว่างขึ้นเป็นระยะ ดังที่แสดงในวิดีโอ หากคุณหมุนปุ่มโพเทนชิออมิเตอร์ตามเข็มนาฬิกา มันควรจะเปลี่ยนเร็วขึ้น และช้าลงหากคุณหมุนทวนเข็มนาฬิกา หากนี่ไม่ใช่พฤติกรรมที่คุณเห็น ให้กลับไปตรวจสอบขั้นตอนก่อนหน้าทั้งหมด

ขั้นตอนที่ 4: แนบตัวเชื่อมต่อท่อมีหนามเข้ากับ Valve

วาล์วมีสามพอร์ต: A, P และท่อไอเสีย เมื่อวาล์วไม่ทำงาน A จะเชื่อมต่อกับท่อไอเสียและ P จะถูกปิด เมื่อวาล์วทำงาน A จะเชื่อมต่อกับ P และท่อไอเสียจะปิด เราจะเชื่อมต่อ P กับแหล่งอากาศอัด A กับข้อมือความดันโลหิต และท่อไอเสียเข้ากับสุญญากาศ ด้วยการกำหนดค่านี้ ปลอกรัดความดันโลหิตจะพองตัวเมื่อวาล์วทำงาน และปล่อยลมออกเมื่อวาล์วไม่ทำงาน

ช่องระบายอากาศออกได้รับการออกแบบให้เปิดออกสู่บรรยากาศได้ แต่เราจำเป็นต้องเชื่อมต่อกับเครื่องดูดควันเพื่อให้ผ้าพันแขนวัดความดันโลหิตปล่อยลมออกเร็วขึ้น ในการทำเช่นนี้ ก่อนอื่นให้ถอดฝาพลาสติกสีดำที่ปิดพอร์ตท่อไอเสียออก จากนั้นวางตัวเว้นวรรคพลาสติกไว้เหนือเกลียวที่เปิดออกและติดขั้วต่อทองเหลืองที่ด้านบน

ติดขั้วต่อหนามพลาสติกเข้ากับพอร์ต A และ P ขันให้แน่นด้วยประแจเพื่อไม่ให้เกิดการรั่วซึม

ขั้นตอนที่ 5: สร้างที่อยู่อาศัยสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

เนื่องจากไม่มีการบัดกรีสายไฟใดๆ เข้าที่ จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะป้องกันไม่ให้สายไฟถูกดึงออกโดยไม่ได้ตั้งใจ สามารถทำได้โดยวางไว้ในเคสป้องกัน

สำหรับตัวเรือน ฉันใช้กล่องกระดาษแข็งขนาดเล็ก (หนึ่งในกล่องจัดส่งของ McMaster ที่มีชิ้นส่วนมาในกล่อง) คุณยังสามารถใช้ภาชนะทัปเปอร์แวร์ขนาดเล็กหรืออย่างอื่นก็ได้หากต้องการ

ขั้นแรก วางวาล์ว Arduino และเขียงหั่นขนมขนาดเล็กในภาชนะ จากนั้นเจาะ/เจาะรูในภาชนะสำหรับสายไฟ 12V และท่ออากาศ เมื่อเจาะรูเสร็จแล้ว ให้ใช้กาวร้อน เทป หรือซิปผูกวาล์ว Arduino และเขียงหั่นขนมไว้ในตำแหน่งที่ต้องการ

ขั้นตอนที่ 6: พันข้อมือความดันโลหิตรอบ BVM

ถอดหลอดเงินเฟ้อออกจากข้อมือความดันโลหิต (คุณควรดึงออกได้) ในขั้นตอนต่อไป ท่อนี้จะเชื่อมต่อกับวาล์วอิเล็กทรอนิกส์

พันผ้าพันแขนความดันโลหิตรอบ BVM ตรวจสอบให้แน่ใจว่าผ้าพันแขนรัดแน่นเท่าที่จะทำได้โดยไม่ทำให้กระเป๋ายุบ

ขั้นตอนที่ 7: แนบท่ออากาศ

ขั้นตอนสุดท้ายคือการเชื่อมต่อสายพันแขนความดันโลหิต แหล่งอากาศอัด และแหล่งสุญญากาศเข้ากับวาล์วอิเล็กทรอนิกส์

ต่อสายวัดความดันโลหิตเข้ากับขั้ว A ของวาล์ว

ใช้ท่อออกซิเจนเชื่อมต่อขั้ว P ของวาล์วกับแหล่งอากาศอัด โรงพยาบาลส่วนใหญ่ควรมีช่องระบายอากาศที่แรงดัน 4 บาร์ (58 psi) (ที่มา)

ใช้ท่ออ็อกซิเจนอื่นเชื่อมต่อขั้วท่อไอเสียของวาล์วกับแหล่งสุญญากาศ โรงพยาบาลส่วนใหญ่ควรมีช่องระบายอากาศที่ 400mmHg (7.7 psi) ต่ำกว่าบรรยากาศ (แหล่งที่มา)

ขณะนี้อุปกรณ์เสร็จสมบูรณ์แล้ว ยกเว้นท่อ/อะแดปเตอร์ที่จำเป็นในการเชื่อมต่อทางออกของ BVM กับปอดของผู้ป่วย ฉันไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญด้านสุขภาพ ดังนั้นฉันจึงไม่ได้รวมองค์ประกอบเหล่านั้นไว้ในการออกแบบ แต่สันนิษฐานว่าส่วนประกอบเหล่านี้จะมีจำหน่ายในโรงพยาบาลทุกแห่ง

ขั้นตอนที่ 8: ทดสอบอุปกรณ์

เสียบอุปกรณ์ หากทุกอย่างเชื่อมต่ออย่างถูกต้อง ผ้าพันแขนวัดความดันโลหิตควรพองและปล่อยลมออกเป็นระยะ ดังที่แสดงในวิดีโอ

ฉันไม่ใช่ผู้ประกอบวิชาชีพด้านสุขภาพ ดังนั้นฉันจึงไม่มีสิทธิ์เข้าถึงเครื่องอัดอากาศหรือช่องดูดสูญญากาศของโรงพยาบาล ดังนั้นฉันจึงใช้เครื่องอัดอากาศขนาดเล็กและปั๊มสุญญากาศเพื่อทดสอบอุปกรณ์ในบ้านของฉัน ฉันตั้งค่าตัวปรับความดันบนคอมเพรสเซอร์เป็น 4 บาร์ (58 psi) และสุญญากาศเป็น -400 mmHg (-7.7 psi) เพื่อจำลองทางออกของโรงพยาบาลให้ดีที่สุด

ข้อจำกัดความรับผิดชอบและสิ่งที่ต้องพิจารณา:

- สามารถปรับอัตราการหายใจได้โดยการหมุนโพเทนชิออมิเตอร์ (ระหว่าง 12-40 ครั้งต่อนาที) เมื่อใช้การตั้งค่าอากาศอัด/สูญญากาศ ฉันสังเกตเห็นว่าสำหรับอัตราการหายใจที่มากกว่า 20 ครั้งต่อนาที ที่พันแขนวัดความดันโลหิตไม่มีเวลาที่จะปล่อยลมออกจนหมดระหว่างการหายใจ นี่อาจไม่ใช่ปัญหาเมื่อใช้ช่องระบายอากาศของโรงพยาบาล ซึ่งฉันคิดว่าสามารถจ่ายอัตราการไหลที่สูงขึ้นได้โดยไม่มีแรงดันตกมาก แต่ฉันไม่ทราบแน่ชัด

-วาล์วถุงลมไม่ได้ถูกบีบอัดจนสุดระหว่างการหายใจแต่ละครั้ง ซึ่งอาจส่งผลให้มีการสูบฉีดอากาศเข้าสู่ปอดของผู้ป่วยไม่เพียงพอ การทดสอบหุ่นแสดงทางเดินหายใจทางการแพทย์สามารถเปิดเผยได้ว่าเป็นกรณีนี้หรือไม่ หากเป็นเช่นนั้น อาจแก้ไขได้โดยการเพิ่มเวลาพองตัวในแต่ละลมหายใจ ซึ่งจะต้องมีการแก้ไขโค้ด Arduino

-ฉันไม่ได้ทดสอบความดันสูงสุดสำหรับผ้าพันแขนความดันโลหิต 4 บาร์สูงกว่าความดันปกติที่เกี่ยวข้องกับการอ่านค่าความดันโลหิตมาก ข้อมือวัดความดันโลหิตไม่แตกระหว่างการทดสอบของฉัน แต่นั่นไม่ได้หมายความว่ามันจะไม่เกิดขึ้นได้หากความดันในผ้าพันแขนถูกปล่อยให้เท่ากันหมดก่อนที่จะปล่อยลม

-BVM ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับอากาศโดยไม่ต้องมีท่อเสริมระหว่างวาล์วกับจมูก/ปากของผู้ป่วย ดังนั้น สำหรับการใช้งานจริง ความยาวของท่อระหว่าง BVM และผู้ป่วยควรถูกเก็บไว้ให้น้อยที่สุด

-การออกแบบเครื่องช่วยหายใจนี้ไม่ได้รับการอนุมัติจาก FDA และควรพิจารณาเป็นทางเลือกสุดท้ายเท่านั้น ได้รับการออกแบบมาโดยเจตนาเพื่อให้ง่ายต่อการประกอบจากอุปกรณ์ของโรงพยาบาลและชิ้นส่วนเชิงพาณิชย์ สำหรับสถานการณ์ที่ไม่มีทางเลือกที่ดีกว่า/ซับซ้อนกว่านี้ การปรับปรุงได้รับการสนับสนุน!