CC BY
12
РАЗРАБОТКА ПОРТАТИВНОГО ДАТЧИКА ПОТОКА КИСЛОРОДА ДЛЯ КИСЛОРОДОТЕРАПИИ ПАЦИЕНТОВ С НОВОЙ КОРОНАВИРУСНОЙ
ИНФЕКЦИЕЙ Лавров В.В.1, Аношкина Н.Л.2
1Лавров Вадим Витальевич - студент магистратуры;
2Аношкина Наталья Леонидовна - кандидат биологических наук, доцент, кафедра физики и биомедицинской техники, Липецкий государственный технический университет, г. Липецк
Аннотация: оксигенотерапия при коронавирусе необходима, чтобы справиться с острой дыхательной недостаточностью при большом проценте повреждения легочной ткани. Кислородная терапия при ковиде используется, когда у больного затруднено дыхание, а сатурация кислорода в крови падает ниже 92 %. Если врач, при проведении у пациента процедуры оксигенотерапии, будет иметь возможность проводить непрерывный анализ выдыхаемого воздуха, то это позволит контролировать объем этого воздуха, предупреждать баротравмы и утечки воздуха. Все это позволит осуществлять процесс отклика и обратной связи на дыхательную попытку больного. В статье описывается поиск возможных путей улучшения работы аппаратов оксигенотерапии при интегрировании в их узлы датчиков потока кислорода. Ключевые слова: анемометр, кислородный датчик, Arduino, датчик температуры, датчик потока.
DEVELOPMENT OF A PORTABLE OXYGEN FLOW SENSOR FOR OXYGEN THERAPY OF PATIENTS WITH NEW CORONAVIRUS INFECTION Lavrov V.V.1, Anoshkina N.L.2
1Lavrov Vadim Vitalievich - master's student;
2Anoshkina Natalya Leonidovna - Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, DEPARTMENT OF PHYSICS AND BIOMEDICAL ENGINEERING, LIPETSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY, LIPETSK
Abstract: oxygen therapy for coronavirus is necessary to cope with acute respiratory failure with a large percentage of lung tissue damage. Oxygen therapy for covid is used when the patient has difficulty breathing and oxygen saturation in the blood drops
below 92%. If a doctor, when performing an oxygen therapy procedure for a patient, will be able to conduct a continuous analysis of exhaled air, this will allow him to control the volume of this air, prevent barotrauma and air leaks. All this will allow the process of response and feedback to the patient's respiratory attempt. The article describes the search for possible ways to improve the operation of oxygen therapy devices when integrating oxygen flow sensors into their nodes.
Keywords: anemometer, oxygen sensor, Arduino, temperature sensor, flow sensor.
УДК 617-7
Сила потока - одна из ключевых характеристик выбора концентратора кислорода, наряду с показателем насыщенности в потоке. Характеристика тесно связана с главным назначением устройства - подачей концентрированного кислорода.
То есть, для использования концентратора важен предельный выходной поток смеси газов (чистый кислород ядовит для человека, поэтому мы получаем разбавленный), при котором показатель содержащегося кислорода не будет составлять меньше 80-90% . Изменяется поток в литрах в минуту.
Основная задача датчика потока - анализ выдыхаемого воздуха. Датчик измеряет величину потока, затем микропроцессор респиратора интегрирует этот показатель и вычисляет объем выдыхаемого больным воздуха. Последний должен соответствовать объему, установленному врачом на панели респиратора и вдуваемому в легкие пациента.
У качественного концентратора поток должен содержать около 80-90% кислорода, в идеале - 95%. Когда мы говорим о силе потока, то имеем в виду количество кислорода в литрах, который аппарат выдает за 1 минуту.
В качестве основы для создания многофункционального датчика будет взят модуль Arduino UNO (рисунок 1).
Mitivsiuini и а * ¡¡ ¿ t * PC С €
* 0P6H-50URCE ELECTRONICS PLATFORM
\ii444444 4 4444i
• anaú sss/s..... ft © ;
к J v J J J с ) < á J l ■! Í : • "f
Рис. 1 - Внешний вид контроллера Arduino UNO.
Arduino Uno - это контроллер, построенный на ATmega328.
В идеальном случае кислород должен быть подогрет до температуры тела. Обогрев кислорода можно осуществить пропусканием его через сосуд с подогреваемым увлажнителем. Жидкость для увлажнения кислорода нагревают до 40-45°С, за исключением пеногасителей, температура которых должна быть комнатной. В аппаратах ИВЛ подогрев кислорода предусмотрен конструкцией.
Недопустимо превышать указанную температуру увлажнителя во избежание термального ожога при вдыхании перегретого газа.
Основной характеристикой датчика температуры является точность измерений. Для полупроводниковых моделей она колеблется от ±1°С до ±3.5°С. Самые точные модели редко обеспечивают точность лучше чем ±0.5°С. При этом данный параметр сильно зависит от температуры. Как правило, в суженном диапазоне от -25° до 100°С точность в полтора раза выше, чем в полном диапазоне измерений -40°С до +125°С. Большинство аналоговых датчиков температуры, иначе называемых интегральными датчиками, содержит три вывода и включается по схеме диода. Третий вывод обычно используется для целей калибровки. Выходной сигнал датчика представляет собой напряжение, пропорциональное температуре [3]. Величина изменения напряжения различна и, например, составляет ШмВ/градус. Для точного определения значения температуры необходимо знать падение напряжения при каком-либо ее фиксированном значении. Обычно в качестве такового используется значение начала диапазона измерений либо 0°С.
Рис. 2. Типовая схема включения полупроводникового термометра с коррекцией.
Для разработки датчика потока кислорода будет использоваться полупроводниковый датчик температуры LM35, представленный на рисунке 3. Это низковольтная микросхема, которая требует питания постоянным напряжением от +4 до +20 вольт. Это идеально, потому что мы можем подключить датчик к выводу +5V на плате АМшпо. LM35 имеет всего 3 вывода: два для питания и один для аналогового выхода. Выходной вывод представляет собой аналоговый выход, напряжение на котором линейно пропорционально температуре в градусах Цельсия. Выходной сигнал находится в диапазоне от 0 до 1,5 вольта. Выходное напряжение 9 В соответствует температуре 0°С, и при каждом повышении температуры на один градус оно увеличивается на 10 мВ. Чтобы преобразовать выходное напряжение в температуру, необходимо просто разделить выходное напряжение в мВ на 10. Например, если выходное напряжение равно 315 мВ (0,315 В), температура равна 31,5°С.
Выходной вывод LM35 (вывод 2) подключен к выводу A0 Arduino. Код использует функцию analogRead() для преобразования выходного напряжения в число между 0 и 1023. Умножение этого числа на 0.48828125 преобразует его в градусы Цельсия, которые и отображаются в мониторе последовательного порта. Схема подсоединения датчика к плате Arduino UNO представлена на рисунке 4.
• Г
• о( 3)1 si Е J Hi •
— ЕЖ:
■I I 1 "
:
т. ::_:......
Г [ Е
1
Рис. 4. Схема подключении датчика температуры.
В качестве датчика влажности выбор пал на датчик DHT22. Его внешний вид представлен на рисунке 5. Подключение датчика показано на рисунке 6.
Рис. 5. Датчик влажности DHT22.
Рис. 6. Подключение датчика влажности.
Кислородный датчик представляет собой электронное устройство, которое измеряет долю кислорода в анализируемом газе или жидкости.
Ученые используют кислородные датчики для измерения дыхания или производства кислорода и используют другой подход. Датчики кислорода используются в анализаторах кислорода, которые находят широкое применение в медицинских приложениях, таких как мониторы анестезии, респираторы и концентраторы кислорода.
Существует множество различных способов измерения кислорода. К ним относятся такие технологии, как циркониевые, электрохимические (также известные как гальванические), инфракрасные, ультразвуковые, парамагнитные и совсем недавно лазерные методы.
Анемометр с горячей проволокой работает по уникальному принципу. Он определяет скорость ветра, измеряя разницу в температуре провода при ветре и в отсутствие воздуха.
Это устройство состоит из чрезвычайно тонкой проволоки длиной в несколько порядков микрометров. Этот провод должен нагреваться электрическим способом. Провод должен быть достаточно горячим, чтобы температура провода была выше температуры окружающей среды.
Провод теряет тепловую энергию и остывает, когда ветер проходит по горячему проводу. Следовательно, температура проволоки падает при постоянном потоке воздуха или ветра.
Кроме того, известно, что сопротивление электрического провода изменяется с изменением температуры. Следовательно, ток должен протекать для поддержания определенного сопротивления в проводе.
Можно установить связь между потоком ветра и требуемым током (который в основном представляет собой изменение сопротивления). В конечном счете, эта зависимость в основном определяет скорость ветра с потерей тепловой энергии.
В термоанемометрии используется чувствительный элемент, нагреваемый электрическим током, электрическое сопротивление которого зависит от температуры [4]. В результате потока тепло переносится в текучую среду, которая изменяется в зависимости от скорости потока. Измеряя электрические величины, можно сделать выводы о скорости потока. Сенсорные элементы могут быть выполнены по-разному (проволока, пленка) и частично нанесены на подложку. Для работы датчиков требуется специальная электроника, регулирующая ток нагрева и усиливающая сигнал датчика. Поскольку свойства датчика, а также системы электронного управления и усилителя оказывают значительное влияние на измерительный сигнал, обычно калибруется вся измерительная цепочка.
Анемометры с горячей проволокой обладают чрезвычайно высокой чувствительностью.
Отсутствие вращающейся части в устройстве делает его долговечным устройством.
За основу разрабатываемого датчика будет взят именно анемометр с горячей проволокой, типичный вид которого представлен на рисунке 7.
Рис. 7. Анемометр горячей проволоки.
Подключение датчика к модулю Arduino происходит по принципу GND - GND, VCC - 5V, OUT - A1.
Зуммер, пьезопищалка - все это названия одного устройства. Данные модули используются для звукового оповещения в тех устройствах и системах, для функционирования которых в обязательном порядке нужен звуковой сигнал. Широко распространены зуммеры в различной бытовой технике и игрушках, использующих электронные платы. Пьезопищалки преобразуют команды, основанные на двухбитной системе счисления 1 и 0, в звуковые сигналы .
Пьезопищалка конструктивно представлена металлической пластиной с нанесенным на нее напылением из токопроводящей керамики. Пластина и напыление выступают в роли контактов. Устройство полярно, имеет свои «+» и «-». Принцип действия зуммера основан на открытом братьями Кюри в конце девятнадцатого века пьезоэлектрическом эффекте. Согласно ему, при подаче электричества на зуммер он начинает деформироваться. При этом происходят удары о металлическую пластинку, которая и производит "шум" нужной частоты.
Рис. 8. Внешний вид пьезопищалки.
Подключение модуля пьезоэлемента к Ардуино выглядит достаточно простым. Потребляемый ток маленький, поэтому можно просто напрямую соединить с нужным пином.
Рис. 9. Подключение пьезопищалки.
Одним из простейших способов заставить заговорить пищалку является использование функции «analogwrite». Но лучше воспользоваться встроенными функциями. За запуск звукового оповещения отвечает функция «tone()», в скобках пользователю следует указывать параметры частоты звука и номера входа, а также времени. Для отключения звука используется функция «noTone()».
Данный датчик должен иметь возможность быть использованным на выходной магистрали, то есть располагаться на шланге, исходящем от аппарата Боброва до непосредственно пациента. Такое расположение предусматривает его исполнение, предусматривающее санитарную обработку.
Также подобное расположение предусматривает наличие фильтра для предотвращения возможности выведения датчика из строя мокротой или конденсатом.
Заключение
В ходе разработки портативного датчика для аппарата оксигенотерапии были предложены следующие решения:
- использование в качестве электронно -вычислительный основы модуля платы Arduino UNO. Данный модуль при незначительных физических размерах обладает огромны потенциалом и способен стать концентратором сразу нескольких типов разномастных датчиков. Способность данного контроллера загружать различные библиотеки и большое количество портов входа и выхода делает его незаменимой часть любого вида электронного устройства. В работе он служит для получения выходных данных с датчиков и вывода их на экран для дальнейшего анализа медицинским персоналом;
- использование LCD-дисплея для вывода информации, полученных от контролирующих датчиков. Жидкокристаллический дисплей LCD 1602 является хорошим выбором для вывода строк символов в различных проектах. Его отличает низкая цена и универсальность использования, а с напаиваемым переходником он может занимать гораздо меньшее пространство на плате Arduino;
- использование в качестве датчика температуры полупроводникового датчика температуры LM35. Это низковольтная микросхема, которая требует питания постоянным напряжением от +4 до +20 вольт. Такой датчик можно подключить к выводу +5V на плате Arduino. LM35 имеет всего 3 вывода: два для питания и один для аналогового выхода. Выходной вывод представляет собой аналоговый выход, напряжение на котором линейно пропорционально температуре в градусах Цельсия;
- использование в качестве датчика влажности модуля DHT22. Он также является низковольтной микросхемой и имеет всего 3 вывода. Данный датчик может измерять влажность во всем доступном диапазоне и имеет достаточно высокую точность. Основа работы датчика - емкостной способ измерения влажности;
- использование в качестве датчика потока кислорода анемометра с горячей проволокой. Такие пнемометры обладают чрезвычайно высокой чувствительностью, а отсутствие вращающейся части в устройстве делает его долговечным устройством, однако. Данный вид анемометров подразумевает использование контроллера выходного параметра тока, именно с этим замечательно справляется модуль Arduino UNO, осуществляя процесс анализа сигнала обратной связи;
- использование в качестве сигнализирующего устройства пьезопищалки . Данное устройство очень просто подключается к модулю Arduino UNO и может издавать как двухтонные сигналы, требующиеся для простого оповещения об отклонении каких-либо показателей от нормы, так и программируемые отдельно более мелодичные сигналы.
Список литературы/References
1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение / Г. Виглеб. - Москва: «Мир», 1989. - 237 с.
2. Винокуров В.И. Электрорадиоизмерения / В.И. Винокуров, С.И. Каплин, И.Г. Петелин. - Москва:
Высшая школа, 1986. - 287 с.
3. Хансуваров К.И. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара / К.И.
Хансуваров, В.Г. Цейтлин. - Москва; Издательство стандартов, 1990. - 257 с.
4. Евтихиев, Н.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин. Учебное пособие для вузов / Н.Н.
Евтихеев. - Москва: Энергоатомиздат, 1990. - 341 с.
5. КотюкА. Ф. Датчики в современных измерениях / А. Ф. Котюк. -Москва: Радио и связь, 2006. - 65 с.
