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基于 Arduino Nano R3 的COVID-19 紧急呼吸机

发布时间:2021-11-26
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基于 Arduino Nano R3 的COVID-19 紧急呼吸机

发布时间:2021-11-26
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本方案是一个简约的紧急呼吸机,可精细控制 BPM、潮气量和流速,带有数字接口。

在冠状病毒大流行造成的全球危机中,医院和医疗机构报告称,重要设备短缺。

需求增加的一种重要设备是呼吸机,供因 COVID-19 的呼吸影响而需要呼吸帮助的患者使用。基本上,呼吸机是一种机器,可将可呼吸的空气提供进出肺部,为身体无法呼吸或呼吸不足的患者提供呼吸。DIY 呼吸机的效率可能不如医疗级呼吸机,但如果它可以控制以下关键参数,它可以作为一个很好的替代品

  • 潮气量:它是呼吸机每次呼吸时输送到肺部的空气量 - 通常在静止状态下为 500 毫升。
  • BPM(每分钟呼吸次数):这是提供呼吸的设定速率。
  • 吸气:呼气比(IE Ratio):指吸气时间:呼气时间的比值。
  • 流速:是呼吸机输送设定的潮气量呼吸的最大流量
  • Peep(呼气末正压):它是在呼气末存在的高于大气压的肺部压力。

我的设计基于手动 BVM(Ambu-bag)的自动化,您可以在任何医疗用品商店找到它。它是一种手持式设备,通常用于提供正压通气。

当袋子被挤压时,空气进入患者的肺部,而不可逆的呼吸阀可防止呼出的空气回火。然后,AMBU 袋子通过从其背面从阀门吸入空气来自行分配。可以使用环境空气作为“燃料”,也可以连接氧气瓶。在后一种情况下,可以连接一个罐来收集患者未使用的多余氧气。

大多数 DIY 呼吸机都基于 ambu 袋和直接驱动执行器。在我的设计中,我试图简化致动器机制,并且我还为该单元制作了一个更好的用户界面。

我的设计中的关键元素是一个线性致动器,它与一个杠杆机构相结合,可以压缩 ambu 袋。还提供了一个控制面板,用于精确控制通风参数。

使用胶合板或类似的坚固材料制作外壳和杠杆机构。在杠杆臂下切一个切口,这样 ambu 袋子就可以放在那里而不会滑动。我不建议您使用任何特定的硬件(螺母、轴承等),因为在这种不利情况下您可能很难找到零件。但请确保遵循设计。对于那些拥有 CNC 的人,我会尽快上传计划。

驱动机构
为了制作线性执行器,我使用了一个与丝杠(或 Nema 17+ 联轴器)集成的双极步进电机,并与一个移动螺母耦合。当电机轴旋转时,移动螺母沿丝杠平移,从而实现线性运动。

最后,可以通过改变来实现对通风参数的控制;

  • 转数(行程)----> 潮气量
  • 转速----->流量
  • 顺时针步进:逆时针步进--->IE比率
  • 每分钟换向频率---->BPM

电路

我正在使用A4988来控制步进电机。A4988 是一种用于控制双极步进电机的微步进驱动器,它具有易于操作的内置转换器。这意味着我们可以使用 Arduino 的 2 个引脚来控制步进电机,即一个用于控制旋转方向,另一个用于控制步骤。

对于用户界面,我用 20X4 字符显示器和 3 个按钮(用于向上、向下和确定功能)制作了一个控制面板。您可以简单地将显示器直接与 arduino 连接,但我更喜欢使用I2c 显示适配器,以便您可以即插即用而不会出现混乱。为下拉目的为每个单独的按钮添加了10K电阻器。

如图所示连接组件。确保您已经安装了代码中提到的所有必要的库。现在,上传任何提供给您的 arduino 的草图。使用 12v SMPS(最小 3A)为设置供电。

在运行测试代码时,电机执行顺时针和逆时针旋转的循环,以确保执行器运行平稳。

为了整体测试控制面板和设备,将final_code.ino上传到 arduino。现在您可以通过控制面板与呼吸机连接。默认情况下,所有通气参数都显示在屏幕上。使用“向上”/“向下”按钮在参数之间切换,然后按“确定”按钮选择参数。再次使用向上/向下按钮增加/减少所选参数的值。最后按“确定”确认值。

将电路和电源装置组装在呼吸机外壳内,并确保一切都固定到位。

我很难找到为机械零件制作外壳的资源。所以我不得不使用可用的东西。但是正如您所看到的,我在构建此版本时遵循了概念设计中的关键功能,并且它的效果比我预期的要好得多!

如果您对此项目有任何想法、意见或问题,请在下方留言。

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