制作Goldilocks面罩

描述

项目目标

制作 Goldilocks 面罩：如果戴得太松（传播飞沫）或太紧（窒息），它会抱怨，戴得“恰到好处”时会很高兴！

执行摘要

自从这场 Covid-19 危机开始以来，这个不起眼的面具就被拖到了聚光灯下，受到了足够奇怪的政治和文化偏好的谴责和庆祝。“成熟的西方”民主国家的政治领导人所采用的混乱信息并没有帮助解决这一问题。当我们考虑到管理流行病的资源有限的发展中国家的领导人经常从西方民主国家的同行那里获得应对全球危机的线索时，这变得更加令人担忧。

另一方面，医学界和世界卫生组织坚定地建议在公共场合戴口罩以限制病毒的传播。这是基于公众全心全意地采取措施，认识到如果我们都戴口罩，我们就会互相保护。该项目旨在回答的问题是——科学家如何才能围绕面具引导信息传递，从而使客观事实高于主观意见。

该项目关注一个经常被引用但有时是有效的关注点，即幽闭恐惧症。窒息的感觉可能在第一次戴上口罩时出现，或者由于在戴口罩时不断变化的情况，因为压力诱发条件（如跑步）的出现。由于身体供氧不足，最初的不适可能会恶化为非常真实的窒息或窒息发作。如果个体恐慌导致过度换气，这种血流中氧气剥夺的发作可能会变得更糟。在佩戴者进行日常工作时实时监测 SPO2 水平，用户（或护理人员）可以主动改变面罩的张力以避免导致窒息的情况。

动机

开始这个项目的个人动机是一个复杂的原因网络：部分是个人的，部分是科学的。

个人因素可以追溯到将近六年前，当时我注意到我父亲在与癌症作斗争的最后几个月里，常常被窒息感和 SPO2 水平下降所克服，但矛盾的是，他戴着氧气面罩。当时我把这种情况归咎于他身体的恶化状态。切到现在，几周前，在我们定期在我们居住的风景如画的北约克郡村庄散步时，我可以看到我年迈的（尽管相当健康）的母亲戴着 N95 口罩爬上山时明显呼吸困难。

阅读更多关于口罩的已发表建议，人们了解到窒息感不一定是一种感知，而是当口罩佩戴者承受进一步压力时的一种非常真实的情况——无论是外部性质的（走上坡路！ ）或内部（低肺活量），这反过来会降低血液中的氧气水平。尽管大部分年轻、健康、没有潜在疾病的人可以戴着口罩完成日常工作，但不能排除一小部分人受到不利影响。这就引出了一个问题：口罩可以对所有人都安全吗？只有这样，它们才能对所有人强制执行。

我的科学动机是愤怒和好奇的结合。我的愤怒在于，仅仅戴上口罩似乎已成为一种政治象征，是这些两极分化时代的明显牺牲品。令人沮丧的是，将事实置于一切之上的大多数科学界现在正被一小群既得利益集团拖入这个扭曲的现实。我的好奇心是在阅读更多关于面罩背后的要求和建议以及线程数如何影响透气性和液滴传输的信息时引发的（参考文献 [1]）。通过访谈（参考文献 [2]）以及围绕“非医疗人员”的医疗建议（参考文献 [3]）进行更多挖掘，得出了用于跟踪血氧水平的氧饱和度指标。最近的一次采访引用了一位戴着面罩和脉搏血氧仪来测量血氧饱和度或 SPO2 的医生，有效地确定了这一点（参考文献 [4]）。我们都需要一个理想的面罩：它可以告诉我们它是太松（让液滴流出）还是太紧（窒息）。哎呀，我们需要一个金发姑娘面罩！

将其带回个人：我首先确定自己是科学家。一个我喜欢思考的科学家，寻找理性来解释看似不合理的事情。在一个越来越歇斯底里的世界里，我相信科学界有责任将客观推理带回公众对话中。我也相信大多数人并不真正关心现有的政治两极分化，或者确实对此有意见。他们知道他们对科学知之甚少，对混合的政治信息感到困惑，但他们希望通过家人和社会做正确的事。作为科学家和工程师，我坚信这个 COVID19 检测和保护挑战赛非常适合帮助那些人，我想这个 MaskSpoT 项目可以帮助将针头朝正确的方向发展。

建造

为了理解此处构建 MaskSpoT 传感器的路径，我们概述了基本要求、尝试和放弃的最初想法，最后概述了实际传感器本身。

Basic requirements:

• 我是否窒息：典型的脉搏血氧饱和度指示表明 SPO2 低于 95% 的任何情况都值得关注（参考文献 [5]）。要求是监测 SPO2 水平并就危险水平提出建议。
• 是否开启：MAX30105 中的传感器允许我们跟踪佩戴者面部的接近程度。我们需要利用它来跟踪何时不戴口罩。
• 小题大做：戴上仪表面罩应该不会比戴上普通面罩更复杂！
• 实时信息：数据流式传输到浏览器（或应用程序_允许实时监控和即时决策。
• 简单：为佩戴者和制造商设计和建造！

Initial prototyping and ideas

• Proximity & Temp and Humidity ：测试的初始原型（参考草图 1）检查了将接近传感器放置在面罩附近以及温度和湿度传感器 (AM2320) 放置在面罩中的选项。尽管这些在台式机上工作，但设计的复杂性掩盖了使用情况。尽管如此，接近测试表明 IR 传感器可以在广泛的原始值范围内工作，这些原始值可用于识别面罩状态（打开或关闭）。SPO2 估计被证明更有趣，这个早期的原型被放弃了，转而进行最终设计。

Sketch [1]：早期原型开发和测试

 

• 特定血氧：所采用的传感协议是为了利用 MAX30105 实现的血氧饱和度测量。传感器是反射模式血氧计类型。请注意，两种常见类型的脉搏血氧饱和度传感器配置是透射模式 和反射模式。
• 传输模式：光学发射器和检测器位于身体四肢的相对表面上（例如在脉搏血氧饱和度传感器中看到的手指）。
• 反射模式：发射器和检测器彼此相邻，并应用于身体的一个表面，例如这里使用的脸颊。
• 在任何一种模式下，发射器都会将红光和红外光照射到皮肤上，检测器会测量通过血液灌注组织传输的散射光。反射模式传感器已在涉及前额（参考文献 [6]）和脸颊（参考文献 [7]）的应用中进行了测试，测试表明从脸颊反射的传感器对血氧水平的变化反应更快。这对我们的配置很有用，因此在这里部署。

[草图 2]：MaskSpoT 电路设计和台式测试

 

Final Design：Proximity & SPO2 with_MAX30105

Sketch[3] 中显示了面罩和附加传感器与微控制器的完整布局：

• 面罩配备 MAX30105，带有一个切口，用于传感器与佩戴者的脸颊接触。
• 如电路图所示，传感器连接到由 3V 电池组供电的 Arduino Feather Huzzah。
• 在当前的配置中，羽毛和电池组由用户佩戴在他们身上——目前它被滑入一个皮套中，可以套在穿戴者的衣服上（就像跑步时佩戴Apple iPod Nano一样）。对于当前的设计，4 根单芯线确保有足够的能力来传输电压和传感信号，其中一些可以最大限度地减少任一焊接端的张力。
• 草图的最后一部分显示了 Adafruit IO 上的实时MaskSpoT 仪表板，来自 Feather 定期发送的两个提要：maskon和spo2

[Sketch 3]：Mask Spot 构建步骤，从裸面具到最终使用仪表板状态

 

这个怎么运作

在引擎盖下，系统的工作原理如下：

• MAX30105 使用红色和红外传感器生成 SPO2 水平估计值。接近传感器计算并行运行。这两个测量值使我们能够估计我们试图通过这个项目回答的两个问题：
• 面罩是否太松：接近传感器。IR 传感器采用一组原始值，范围是根据粒子传感器检测到的反射光确定的。根据经验测试，我们硬连线代码以选择一个中间值作为截止值，以指示传感器是否离皮肤太远并触发蒙版关闭状态。根据选择的阈值截止，Feather 向maskonFeed发送 1 或 0 。
• 我窒息了吗：SPO2 传感：对于 spo2 水平计算，我们在 Sparkfun 发布的代码中使用 MAX30105 传感器部署逻辑。SPO2 计算源自红光和红外 LED 反射率测量。此 spo2 水平以百分比计算并发送到spo2Feed。
• Feather 需要 wi-fi 连接才能将数据传输到 Adafruit IO 馈送。对于户外操作，该设备可以连接到配置为移动热点的佩戴者手机。
• MaskSpoT Dashboard上的设置基于已发布的医疗建议（参考文献 [5]）进行配置，如下所示：
• 面罩太松：maskon Feed
• 1：蒙版开启，设置为绿色
• 0：遮罩关闭，设置为红色
• 面罩太紧：spo2 Feed
• 95-100：仪表级别，表示正常级别，颜色为蓝色
• 80-95：仪表液位低，表示警告，琥珀色
• <80：仪表水平低于最小值，表示危险，颜色为红色

基本改进

设计虽然很有前途，但离成品还很远。某些方面需要进一步考虑和实验，以便找到进入成品的途径。进入列表的一些项目是：

• 柔性镀锡铜线是需要更正式考虑的主要方面。这种修改应该相当简单，可以用现成的 4 芯线代替。
• Feather Huzzah 可以替换为 Feather FONA。这将允许户外数据流操作，而无需支持手机作为 Wifi 服务器。Feather Bluefruit LE 是另一种高效的低功耗选项，但需要手机的蓝牙支持
• 该传感器已在相当健康的受试者身上进行了测试。还有其他方面需要考虑 -
• SPO2 水平：需要使用住院监测仪对各种人群、年龄组、COVID-19 合并症和 COVID19 幸存者进行校准。
• 仪表板配置：在这些 COVID 时期，SPO2 的“正常”水平可能是个体特异性的，并且可能随肺部状况而有很大差异（参考文献 [5]）。我们是否需要一个带有血氧仪设置的面罩，该面罩设计为适合个人身体（可能）？我们如何在第一次用户设置时启用它？是否需要自校准系统，如果可能的话？
• 反射式血氧仪：需要更好地了解对环境光条件的敏感性
• Feather Huzzah：如果使用，我们需要开发一个应用程序，使用户能够配置 wifi 设置。
• 尺寸和外形优化：这种配置包括一个带有电池的支撑外壳，佩戴在用户身上，以避免面罩变得太重。是否可以识别出更小、更纤薄的外形设计以确保面罩是独立的？
• 环境防护——雨和热是两种会对仪表面罩产生不利影响的环境条件。尽管可以使用一些硅胶保护装置进行防水，但在高温条件下的电池操作是一个问题。