制作Goldilocks面罩

描述

項(xiàng)目目標(biāo)

制作 Goldilocks 面罩：如果戴得太松（傳播飛沫）或太緊（窒息），它會(huì)抱怨，戴得“恰到好處”時(shí)會(huì)很高興！

執(zhí)行摘要

自從這場(chǎng) Covid-19 危機(jī)開始以來，這個(gè)不起眼的面具就被拖到了聚光燈下，受到了足夠奇怪的政治和文化偏好的譴責(zé)和慶祝。“成熟的西方”民主國(guó)家的政治領(lǐng)導(dǎo)人所采用的混亂信息并沒有幫助解決這一問題。當(dāng)我們考慮到管理流行病的資源有限的發(fā)展中國(guó)家的領(lǐng)導(dǎo)人經(jīng)常從西方民主國(guó)家的同行那里獲得應(yīng)對(duì)全球危機(jī)的線索時(shí)，這變得更加令人擔(dān)憂。

另一方面，醫(yī)學(xué)界和世界衛(wèi)生組織堅(jiān)定地建議在公共場(chǎng)合戴口罩以限制病毒的傳播。這是基于公眾全心全意地采取措施，認(rèn)識(shí)到如果我們都戴口罩，我們就會(huì)互相保護(hù)。該項(xiàng)目旨在回答的問題是——科學(xué)家如何才能圍繞面具引導(dǎo)信息傳遞，從而使客觀事實(shí)高于主觀意見。

該項(xiàng)目關(guān)注一個(gè)經(jīng)常被引用但有時(shí)是有效的關(guān)注點(diǎn)，即幽閉恐懼癥。窒息的感覺可能在第一次戴上口罩時(shí)出現(xiàn)，或者由于在戴口罩時(shí)不斷變化的情況，因?yàn)閴毫φT發(fā)條件（如跑步）的出現(xiàn)。由于身體供氧不足，最初的不適可能會(huì)惡化為非常真實(shí)的窒息或窒息發(fā)作。如果個(gè)體恐慌導(dǎo)致過度換氣，這種血流中氧氣剝奪的發(fā)作可能會(huì)變得更糟。在佩戴者進(jìn)行日常工作時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) SPO2 水平，用戶（或護(hù)理人員）可以主動(dòng)改變面罩的張力以避免導(dǎo)致窒息的情況。

動(dòng)機(jī)

開始這個(gè)項(xiàng)目的個(gè)人動(dòng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的原因網(wǎng)絡(luò)：部分是個(gè)人的，部分是科學(xué)的。

個(gè)人因素可以追溯到將近六年前，當(dāng)時(shí)我注意到我父親在與癌癥作斗爭(zhēng)的最后幾個(gè)月里，常常被窒息感和 SPO2 水平下降所克服，但矛盾的是，他戴著氧氣面罩。當(dāng)時(shí)我把這種情況歸咎于他身體的惡化狀態(tài)。切到現(xiàn)在，幾周前，在我們定期在我們居住的風(fēng)景如畫的北約克郡村莊散步時(shí)，我可以看到我年邁的（盡管相當(dāng)健康）的母親戴著 N95 口罩爬上山時(shí)明顯呼吸困難。

閱讀更多關(guān)于口罩的已發(fā)表建議，人們了解到窒息感不一定是一種感知，而是當(dāng)口罩佩戴者承受進(jìn)一步壓力時(shí)的一種非常真實(shí)的情況——無論是外部性質(zhì)的（走上坡路！ ）或內(nèi)部（低肺活量），這反過來會(huì)降低血液中的氧氣水平。盡管大部分年輕、健康、沒有潛在疾病的人可以戴著口罩完成日常工作，但不能排除一小部分人受到不利影響。這就引出了一個(gè)問題：口罩可以對(duì)所有人都安全嗎？只有這樣，它們才能對(duì)所有人強(qiáng)制執(zhí)行。

我的科學(xué)動(dòng)機(jī)是憤怒和好奇的結(jié)合。我的憤怒在于，僅僅戴上口罩似乎已成為一種政治象征，是這些兩極分化時(shí)代的明顯犧牲品。令人沮喪的是，將事實(shí)置于一切之上的大多數(shù)科學(xué)界現(xiàn)在正被一小群既得利益集團(tuán)拖入這個(gè)扭曲的現(xiàn)實(shí)。我的好奇心是在閱讀更多關(guān)于面罩背后的要求和建議以及線程數(shù)如何影響透氣性和液滴傳輸?shù)男畔r(shí)引發(fā)的（參考文獻(xiàn) [1]）。通過訪談（參考文獻(xiàn) [2]）以及圍繞“非醫(yī)療人員”的醫(yī)療建議（參考文獻(xiàn) [3]）進(jìn)行更多挖掘，得出了用于跟蹤血氧水平的氧飽和度指標(biāo)。最近的一次采訪引用了一位戴著面罩和脈搏血氧儀來測(cè)量血氧飽和度或 SPO2 的醫(yī)生，有效地確定了這一點(diǎn)（參考文獻(xiàn) [4]）。我們都需要一個(gè)理想的面罩：它可以告訴我們它是太松（讓液滴流出）還是太緊（窒息）。哎呀，我們需要一個(gè)金發(fā)姑娘面罩！

將其帶回個(gè)人：我首先確定自己是科學(xué)家。一個(gè)我喜歡思考的科學(xué)家，尋找理性來解釋看似不合理的事情。在一個(gè)越來越歇斯底里的世界里，我相信科學(xué)界有責(zé)任將客觀推理帶回公眾對(duì)話中。我也相信大多數(shù)人并不真正關(guān)心現(xiàn)有的政治兩極分化，或者確實(shí)對(duì)此有意見。他們知道他們對(duì)科學(xué)知之甚少，對(duì)混合的政治信息感到困惑，但他們希望通過家人和社會(huì)做正確的事。作為科學(xué)家和工程師，我堅(jiān)信這個(gè) COVID19 檢測(cè)和保護(hù)挑戰(zhàn)賽非常適合幫助那些人，我想這個(gè) MaskSpoT 項(xiàng)目可以幫助將針頭朝正確的方向發(fā)展。

建造

為了理解此處構(gòu)建 MaskSpoT 傳感器的路徑，我們概述了基本要求、嘗試和放棄的最初想法，最后概述了實(shí)際傳感器本身。

Basic requirements:

• 我是否窒息：典型的脈搏血氧飽和度指示表明 SPO2 低于 95% 的任何情況都值得關(guān)注（參考文獻(xiàn) [5]）。要求是監(jiān)測(cè) SPO2 水平并就危險(xiǎn)水平提出建議。
• 是否開啟：MAX30105 中的傳感器允許我們跟蹤佩戴者面部的接近程度。我們需要利用它來跟蹤何時(shí)不戴口罩。
• 小題大做：戴上儀表面罩應(yīng)該不會(huì)比戴上普通面罩更復(fù)雜！
• 實(shí)時(shí)信息：數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)綖g覽器（或應(yīng)用程序_允許實(shí)時(shí)監(jiān)控和即時(shí)決策。
• 簡(jiǎn)單：為佩戴者和制造商設(shè)計(jì)和建造！

Initial prototyping and ideas

• Proximity & Temp and Humidity ：測(cè)試的初始原型（參考草圖 1）檢查了將接近傳感器放置在面罩附近以及溫度和濕度傳感器 (AM2320) 放置在面罩中的選項(xiàng)。盡管這些在臺(tái)式機(jī)上工作，但設(shè)計(jì)的復(fù)雜性掩蓋了使用情況。盡管如此，接近測(cè)試表明 IR 傳感器可以在廣泛的原始值范圍內(nèi)工作，這些原始值可用于識(shí)別面罩狀態(tài)（打開或關(guān)閉）。SPO2 估計(jì)被證明更有趣，這個(gè)早期的原型被放棄了，轉(zhuǎn)而進(jìn)行最終設(shè)計(jì)。

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Sketch [1]：早期原型開發(fā)和測(cè)試

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• 特定血氧：所采用的傳感協(xié)議是為了利用 MAX30105 實(shí)現(xiàn)的血氧飽和度測(cè)量。傳感器是反射模式血氧計(jì)類型。請(qǐng)注意，兩種常見類型的脈搏血氧飽和度傳感器配置是透射模式 和反射模式。
• 傳輸模式：光學(xué)發(fā)射器和檢測(cè)器位于身體四肢的相對(duì)表面上（例如在脈搏血氧飽和度傳感器中看到的手指）。
• 反射模式：發(fā)射器和檢測(cè)器彼此相鄰，并應(yīng)用于身體的一個(gè)表面，例如這里使用的臉頰。
• 在任何一種模式下，發(fā)射器都會(huì)將紅光和紅外光照射到皮膚上，檢測(cè)器會(huì)測(cè)量通過血液灌注組織傳輸?shù)纳⑸涔狻?/font>反射模式傳感器已在涉及前額（參考文獻(xiàn) [6]）和臉頰（參考文獻(xiàn) [7]）的應(yīng)用中進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試表明從臉頰反射的傳感器對(duì)血氧水平的變化反應(yīng)更快。這對(duì)我們的配置很有用，因此在這里部署。

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[草圖 2]：MaskSpoT 電路設(shè)計(jì)和臺(tái)式測(cè)試

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Final Design：Proximity & SPO2 with_MAX30105

Sketch[3] 中顯示了面罩和附加傳感器與微控制器的完整布局：

• 面罩配備 MAX30105，帶有一個(gè)切口，用于傳感器與佩戴者的臉頰接觸。
• 如電路圖所示，傳感器連接到由 3V 電池組供電的 Arduino Feather Huzzah。
• 在當(dāng)前的配置中，羽毛和電池組由用戶佩戴在他們身上——目前它被滑入一個(gè)皮套中，可以套在穿戴者的衣服上（就像跑步時(shí)佩戴Apple iPod Nano一樣）。對(duì)于當(dāng)前的設(shè)計(jì)，4 根單芯線確保有足夠的能力來傳輸電壓和傳感信號(hào)，其中一些可以最大限度地減少任一焊接端的張力。
• 草圖的最后一部分顯示了 Adafruit IO 上的實(shí)時(shí)MaskSpoT 儀表板，來自 Feather 定期發(fā)送的兩個(gè)提要：maskon和spo2

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[Sketch 3]：Mask Spot 構(gòu)建步驟，從裸面具到最終使用儀表板狀態(tài)

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這個(gè)怎么運(yùn)作

在引擎蓋下，系統(tǒng)的工作原理如下：

• MAX30105 使用紅色和紅外傳感器生成 SPO2 水平估計(jì)值。接近傳感器計(jì)算并行運(yùn)行。這兩個(gè)測(cè)量值使我們能夠估計(jì)我們?cè)噲D通過這個(gè)項(xiàng)目回答的兩個(gè)問題：
• 面罩是否太松：接近傳感器。IR 傳感器采用一組原始值，范圍是根據(jù)粒子傳感器檢測(cè)到的反射光確定的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)試，我們硬連線代碼以選擇一個(gè)中間值作為截止值，以指示傳感器是否離皮膚太遠(yuǎn)并觸發(fā)蒙版關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)選擇的閾值截止，F(xiàn)eather 向maskonFeed發(fā)送 1 或 0 。
• 我窒息了嗎：SPO2 傳感：對(duì)于 spo2 水平計(jì)算，我們?cè)?Sparkfun 發(fā)布的代碼中使用 MAX30105 傳感器部署邏輯。SPO2 計(jì)算源自紅光和紅外 LED 反射率測(cè)量。此 spo2 水平以百分比計(jì)算并發(fā)送到spo2Feed。
• Feather 需要 wi-fi 連接才能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Adafruit IO 饋送。對(duì)于戶外操作，該設(shè)備可以連接到配置為移動(dòng)熱點(diǎn)的佩戴者手機(jī)。
• MaskSpoT Dashboard上的設(shè)置基于已發(fā)布的醫(yī)療建議（參考文獻(xiàn) [5]）進(jìn)行配置，如下所示：
• 面罩太松：maskon Feed
• 1：蒙版開啟，設(shè)置為綠色
• 0：遮罩關(guān)閉，設(shè)置為紅色
• 面罩太緊：spo2 Feed
• 95-100：儀表級(jí)別，表示正常級(jí)別，顏色為藍(lán)色
• 80-95：儀表液位低，表示警告，琥珀色
• <80：儀表水平低于最小值，表示危險(xiǎn)，顏色為紅色

基本改進(jìn)

設(shè)計(jì)雖然很有前途，但離成品還很遠(yuǎn)。某些方面需要進(jìn)一步考慮和實(shí)驗(yàn)，以便找到進(jìn)入成品的途徑。進(jìn)入列表的一些項(xiàng)目是：

• 柔性鍍錫銅線是需要更正式考慮的主要方面。這種修改應(yīng)該相當(dāng)簡(jiǎn)單，可以用現(xiàn)成的 4 芯線代替。
• Feather Huzzah 可以替換為 Feather FONA。這將允許戶外數(shù)據(jù)流操作，而無需支持手機(jī)作為 Wifi 服務(wù)器。Feather Bluefruit LE 是另一種高效的低功耗選項(xiàng)，但需要手機(jī)的藍(lán)牙支持
• 該傳感器已在相當(dāng)健康的受試者身上進(jìn)行了測(cè)試。還有其他方面需要考慮 -
• SPO2 水平：需要使用住院監(jiān)測(cè)儀對(duì)各種人群、年齡組、COVID-19 合并癥和 COVID19 幸存者進(jìn)行校準(zhǔn)。
• 儀表板配置：在這些 COVID 時(shí)期，SPO2 的“正?！彼娇赡苁莻€(gè)體特異性的，并且可能隨肺部狀況而有很大差異（參考文獻(xiàn) [5]）。我們是否需要一個(gè)帶有血氧儀設(shè)置的面罩，該面罩設(shè)計(jì)為適合個(gè)人身體（可能）？我們?nèi)绾卧诘谝淮斡脩粼O(shè)置時(shí)啟用它？是否需要自校準(zhǔn)系統(tǒng)，如果可能的話？
• 反射式血氧儀：需要更好地了解對(duì)環(huán)境光條件的敏感性
• Feather Huzzah：如果使用，我們需要開發(fā)一個(gè)應(yīng)用程序，使用戶能夠配置 wifi 設(shè)置。
• 尺寸和外形優(yōu)化：這種配置包括一個(gè)帶有電池的支撐外殼，佩戴在用戶身上，以避免面罩變得太重。是否可以識(shí)別出更小、更纖薄的外形設(shè)計(jì)以確保面罩是獨(dú)立的？
• 環(huán)境防護(hù)——雨和熱是兩種會(huì)對(duì)儀表面罩產(chǎn)生不利影響的環(huán)境條件。盡管可以使用一些硅膠保護(hù)裝置進(jìn)行防水，但在高溫條件下的電池操作是一個(gè)問題。

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