Este repositório tem como objetivo, apresentar o firmware para o protótipo de respirador mecânico AIR-ONE.
O COLLAB em parceria com a DAF - Ponta Grossa, que propôs o desafio, a equipe que pertence ao COLLAB aceitou o mesmo. Em 26 dias o protótipo estava pronto e em abril de 2020 foi apresentado para a comunidade empresarial, secretários e autoridades da saúde, com a ilustre presença do nosso prefeito.
O sistema eletrônico do ventilador é composto de:
- Válvula Solenóide 2/2 X 3/8 NPT 3,2MM, com bobina de 24VCC) VALVULA SOLENOIDE 2/2 X 3/8 NPT 3,2MM LT 7KGF C/BOB 24VCC EPDM MULTICOIL
- Encoder (As5040)
- TIP122
- sensor de pressão (Mpx2050dp)
- driver (BTS7960)
- Módulo regulador de tensão step down LM2596
- sensor indutivo (Pnp Lj12a3-4-z/by)
- display LCD 20x4 Backlight Azul (PF)
- buzzer
- leds, cores (Azul, Vermelho, Amarelo e Verde)
- Módulo Arduino Mega 2560 R3
- Módulo Raspberry Pi 3
- Fonte de alimentação
O sistema é controlado por um módulo microprocessado Arduino© Mega 2560 R3, o qual possui 16 portas de entrada analógicas e 54 digitais, das quais 15 podem ser utilizadas para PWM. Tais portas foram necessárias devido a gama de sensores e atuadores utilizados no equipamento. O arduino foi acoplado em uma espécie de “cama” impressa em 3D para atender melhor às necessidades do grupo. As funções do módulo microprocessado foram divididas em: processamento de alarmes, interface homem-máquina (IHM) e acionamento do motor (respiração). O equipamento dispõe de um segundo módulo microprocessado, responsável pela interface gráfica (dashboard) que exibe as curvas de monitoramento respiratório do paciente, bem como, mensagens de status e alarmes. Para essa função foi escolhido o Raspberry Pi 3, pois possibilita conectar o sistema a um monitor convencional externo através de sua saída HDMI. O controlador foi inserido juntamente à estrutura do Arduino Mega.
Através da Interface Homem-Máquina (IHM) é possível realizar a parametrização das funcionalidades e modos de operação do equipamento, possibilitando assim os ajustes dos c controles internos, para regulagem e adaptação dos mesmos, de acordo com quadro clínico do paciente. O menu é exibido em uma display de cristal líquido (LCD) matricial de 20 colunas por 4 linhas, escolhida para facilitar a configuração e comunicação entre os parâmetros setados no microprocessador e aqueles dos quais o operador deseja introduzir. Além do display, há um conjunto de 6 botões sendo 4 desses direcionais (cima, baixo, esquerda e direita) e os outros dois, sendo um para confirmação (verde) e outro para anulação (vermelho) de parâmetros. A navegação foi planejada para ser simples e intuitiva Em um equipamento de ventilação pulmonar, é de suma importância a exteriorização de alarmes e a apresentação de mensagens de status, para que o profissional que está operando o mesmo possa intervir quando necessário. Para o projeto do AIR ONE foi escolhido um conjunto de 4 LEDs de cores diferentes para indicar visualmente condições de alarme e modos de operação, quando ligados. O sistema conta também com um dispositivo buzzer para alarme sonoro. Ao optar pelo acoplamento do equipamento a um monitor, também se pode visualizar alarmes e mensagens de status na interface gráfica
Para a alimentação do Aparelho de Interface Respiratória foi utilizada uma fonte chaveada de 24 Volts de tensão contínua e 14 Amperes, em função das características do motor utilizado no projeto. Para alimentar o Arduino© e o Raspberry, cujas tensões de alimentação são 12 e 5 Volts respectivamente, foi utilizado um regulador de tensão LM7812 para o Arduino© e um conversor buck step down (módulo regulador LM2596) para o Raspberry. Para o controle do posicionamento do eixo do motor, que está diretamente relacionado à compressão do AMBU e consequentemente ao volume de ar fornecido ao paciente, foi acoplado a este um encoder angular (As5040), como pode-se observar na Figura 5. O transdutor escolhido foi um encoder magnético de 12 bits, que usa a direção e o sentido das linhas de campo geradas pelo imã acoplado ao eixo do motor, como base de coleta de informações. Por ser magnético há a vantagem de não ser essencial o contato direto entre transdutor e motor.
Além do encoder, foi acrescentado o sensor indutivo de modelo “Pnp Lj12a3-4-z/by”, o qual indica o fim do curso do braço mecânico, para que ocorra a movimentação na extensão angular correta, evitando assim um possível travamento do motor.
Em função dos requisitos do projeto, foi selecionado o sensor de pressão MPX5010DP da NXP, que é próprio para utilização em equipamentos médicos. O sensor é capaz de medir a pressão diferencial entre o ambiente e o pulmão do paciente. A utilização da medida de pressão diferencial é adequada, pois possibilita a operação do equipamento independentemente da pressão atmosférica local (altitude). A escala de pressão vai de 0 a 102 cmH2O, que engloba a faixa de pressão necessária para monitorar o ciclo respiratório de um humano. A respiração do paciente é controlada por meio do aperto do AMBU, através de um braço mecânico que é acoplado ao eixo do motor. O volume de ar enviado ao paciente por meio de um circuito respiratório, é proporcional à compressão do AMBU. Enquanto a inspiração do paciente depende do volume de ar entregue pelo AMBU, a expiração ocorre de forma passiva a partir da abertura da válvula exalatória, ou seja, sem interferência do equipamento, sendo apenas monitorada a pressão para o fechamento da válvula exalatória, com a finalidade de manter a PEEP. O AMBU dispõe de uma válvula “bico de pato”, que foi mantida com o intuito de evitar o retorno de ar do paciente para o mesmo. Durante a inspiração a válvula exalatória é fechada para que o volume de ar deslocado pelo AMBU chegue totalmente ao paciente e durante o ciclo de expiração a válvula é aberta, permitindo a saída do ar para fora do circuito respiratório. Para acionar a válvula exalatória foi utilizado um transistor TIP122, que é controlado pelo módulo Arduino