Ontwikkelaars ondersteunen COVID-19-inspanningen met goedkope ventilatorontwerpen

Ventilatoren zijn ontworpen om zuurstof in de longen te houden en koolstofdioxide te verwijderen. Ze zijn een belangrijk hulpmiddel voor de behandeling van ernstige gevallen van COVID-19, omdat het virus trilhaartjes in de longen kan aanvallen. Als dit gebeurt, hoopt zich slijm op in de longen en neemt het risico op secundaire infectie toe, waardoor de opname van zuurstof door de longen wordt belemmerd. We worden in deze onzekere periode geconfronteerd met veel noodsituaties, niet in de laatste plaats het tekort aan beademingsapparatuur, aangezien gezondheidsfaciliteiten instorten als gevolg van het enorme aantal coronaviruspatiënten. COVID-19 verspreidt zich razendsnel over de hele wereld. Vanwege deze hoge diffusiesnelheid zijn veel ziekenhuismiddelen niet onmiddellijk beschikbaar. Veel industrieën en bedrijven bouwen in recordtijd verschillende medische en gezondheidsapparatuur, zoals maskers, ademhalingstoestellen, wattenstaafjes, medicijnen en ventilatoren. Dit laatste stelt mensen in staat om te blijven ademen of beter te ademen, aangezien het grootste probleem van COVID-19 de verstopping van de longen is (Figuur 1 ). In deze tijd van nood hebben technisch georiënteerde mensen een groot open-sourceproject gestart om apparaten te plannen en te produceren die bedoeld zijn om patiënten te helpen, waaronder ventilatoren. Aan het project hebben honderden ingenieurs, medische professionals en onderzoekers deelgenomen. Veel ontwerpers gebruiken 3D-printen en andere technologieën om on-demand reserveonderdelen en apparatuur te maken.

Figuur 1:Een professionele ventilator (Afbeelding:Hamilton Medical)

Hoe werken ventilatoren?

Deze apparaten ondersteunen de ademhaling door zuurstof in de longen te krijgen en koolstofdioxide te verwijderen. De zuurstof kan worden geregeld via een monitor. De ventilator is verbonden met de patiënt via een buis die in de mond of neus wordt geplaatst. Moderne ventilatoren worden elektronisch aangestuurd door een kleine embedded computer. Ze zijn geclassificeerd als levenskritieke systemen en er moeten hoge voorzorgsmaatregelen worden genomen om ervoor te zorgen dat ze betrouwbaar zijn.

De projecten

Verschillende ventilatorontwerpen, waarvan er veel ook op GitHub staan, spelen een belangrijke rol wanneer ziekenhuizen en huizen niet genoeg apparaten beschikbaar hebben. Veel ideeën hebben betrekking op het bouwen van goedkope rudimentaire ventilatoren die kunnen helpen bij het ademen tijdens een acute longcrisis. Dit zijn echter apparaten die de medische toestand van mensen beïnvloeden. Om deze reden moet een arts worden geraadpleegd en mag geen rekening worden gehouden met willekeurige informatie op internet. Er zijn zelfs aanzienlijke risico's verbonden aan het gebruik van ventilatoren, vooral als ze onder hoge druk werken.

Goedkoop open-source beademingsapparaat (PAPR)

Dit project is beschikbaar op GitHub (Figuur 2 ). Het is een goedkoop apparaat dat, als het op de juiste manier wordt gebruikt, vele levens kan redden. Het werkt met een programmeerbare ademhalingsfrequentie (10–16 ademhalingen/minuut) en kan een piekluchtwegdruk tot 45 cmH20 genereren, hoewel meer dan 20 cmH20 gevaarlijk kan zijn. Het duwt alleen de atmosferische lucht (met 21% zuurstof). Voor andere zuurstofverhoudingen is professionele apparatuur nodig, maar het apparaat is nuttig en waardevol in noodsituaties wanneer er geen alternatief is. Het project staat nog open voor wijzigingen en suggesties. De maker is beschikbaar om samen te werken met bedrijven en leveranciers voor massaproductie van het apparaat. Het is zelfs mogelijk dat sommige componenten op korte termijn niet gemakkelijk verkrijgbaar zijn. Het apparaat is nog minimaal. Het zou interessant zijn om een ​​uitputtend systeem te ontwerpen om de verspreiding van virussen te minimaliseren. In feite werkt het alleen in reeds geïnfecteerde omgevingen, waar druppeltjes met virussen in de lucht zweven. Operationeel beheer is toevertrouwd aan Arduino. Systemen en oplossingen moeten ook worden bestudeerd om te voorkomen dat de ventilator gevaarlijk wordt in het geval van een stroomstoring.

Figuur 2:Een beademingsproject (Afbeelding:GitHub)

De Pandemische Ventilator

Dit project is beschikbaar op Instructables en kan worden gemaakt met gemakkelijk verkrijgbare componenten (Figuur 3 ). Hoewel het volledig gebaseerd is op doe-het-zelf-technieken, is het doel levens te redden. Het kan worden gebruikt als een noodventilator. Het aantal mensen dat om deze behandeling gaat vragen, zal waarschijnlijk groter zijn dan het huidige aantal bestaande ventilatoren. Ziekenhuizen kunnen niet alle ventilatoren kopen die ze nodig hebben; het zou onmogelijk zijn. Dit apparaat heeft een zeer eenvoudig ontwerp, maar het maakt gebruik van een modern elektronisch besturingssysteem. Het maakt gebruik van hout, tape, plastic zakken, buis met schroefdraad, magneetventielen, magnetische schakelaars en een PLC. Het apparaat wordt continu geüpdatet en verbeterd, zowel op het gebied van hardware als software. De informatie die in het project wordt gerapporteerd, waarschuwt dat het gepresenteerde prototype slechts een experimenteel doel heeft en dat er geen veiligheidstests zijn uitgevoerd. In feite is een beademingsapparaat een potentieel gevaarlijk apparaat en mag het alleen worden gebruikt door een getrainde en gecertificeerde arts. Het gebruik ervan gebeurt dan ook onder zijn of haar eigen verantwoordelijkheid. Het bestaat in feite uit de balgeenheid, die is gemaakt van hout, kleppen en pijpen; een PLC-controller; sommige draden en schakelaars; en een voeding. De hele unit is gemonteerd op een stuk triplex van 18 × 21 × 0,5 inch. Normaal open en normaal gesloten kleppen zijn vereist. Ze moeten van het type direct werkende solenoïde zijn om met lucht te kunnen werken. Draadfittingen met Teflon-tape en adapters zijn ook nodig. De balg is gemaakt met een grote diepvrieszak.

Figuur 3:De Pandemic Ventilator (Afbeelding:Instructables)

De afsluiters zijn met leiding verbonden en zo gemonteerd dat de T naar de balg op één lijn ligt met het midden van de balgeenheid. Hier worden buisfittingen met schroefdraad met Teflon gebruikt. Het balgscharnier is gemaakt van vier stukken van 1,5 × 7 × 0,625 inch. multiplex stukken en een 1,5 × 1,5 × 17-in. stuk hout, twee 3-in. scharnieren. en een 2 × 12,5-in. versterking. Figuur 4 toont enkele details van de constructie. De balg wordt gemaakt door de onderste twee stukken multiplex op de steunplaat te schroeven. De zak wordt tijdens bedrijf tussen de twee multiplexsecties geklemd met behulp van de moeren en ringen op de slotbouten. De magneet is bevestigd aan het uiteinde van de balg nabij de sensorpool en de sensoren zijn bevestigd aan de sensorpool. Om de zak voor de balg te maken, heb ik een grote Ziploc diepvrieszak gebruikt. Snijd het ritsgedeelte af, steek 0,5 inch in. plastic buis in het midden en gebruik Tuck Tape om de randen af ​​​​te dichten en te versterken. De slang moet ver genoeg uit de zak steken om over het uiteinde van de 0,25-inch te kunnen worden geschoven. nippelgedeelte van de leidingen. De getapete naad van de balgzak moet zich aan de onderkant van het triplexgedeelte bevinden. Installeer de scharnierende kap en vervolgens de bovenste 17-inch. sectie. Klem samen met de 4-inch lange 0.25-in. slotbouten, twee moeren en twee ringen. De PLC-eenheid is een Direct Logic 06 DO-06DR van Automation Direct. Hun eenheden zijn goedkoop, flexibel genoeg en ze hebben veel gratis software om mee te programmeren. U kunt andere PLC-units gebruiken en uw eigen besturingsprogramma schrijven. Naast de PLC heb je ook een 24V voeding en een aan/uit schakelaar nodig om het systeem te starten. Het programma is geschreven in Ladderlogica. Het werkt in principe als volgt:

• Het opent klep 1 en sluit klep 2 totdat de balg vol is, wat wordt aangegeven wanneer de bovenste magnetische schakelaar sluit.
• Het sluit vervolgens klep 1, opent klep 2 en sluit klep 3 zodat de balg kan leeglopen en de lucht naar de patiënt kan pompen.
• Als de balg tot de ondergrens zakt, sluit de onderste magnetische schakelaar, waarna klep 2 sluit en klep 1 weer opent om de balg bij te vullen.
• Een timer laat de longen van de patiënt leeglopen met klep 3 open. Wanneer de timer afloopt, opent klep 2 en sluit klep 3 om de volgende ademhalingscyclus te starten.

Hier is het bedradingsschema:

• Ingangen
  • X0 top balg mag-schakelaar
  • X1 onderste balg mag-schakelaar
  • X2 aan/uit-schakelaar
  • C0 24 V
  • Alles keert terug naar de grond
• Uitgangen
  • Y0 ongebruikt
  • Y1 inademventiel (V2)
  • Y2 uitademventiel (V3)
  • Y3 balgvulklep (V1)
  • C0 120-VAC lijn
  • Alles keert terug naar lijnneutraal

Figuur 4:Enkele details van de constructie van de Pandemic Ventilator (Afbeelding:TEMPO.CO)

>> Lees verder over aanvullende ontwerpinspanningen voor ventilatoren die worden beschreven in het volledige oorspronkelijk gepubliceerde artikel op onze zustersite, EEWeb.