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），它會抱怨，戴得“恰到好處”時(shí)會很高興！

執(zhí)行摘要

自從這場 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)展中國家的領(lǐng)導(dǎo)人經(jīng)常從西方民主國家的同行那里獲得應(yīng)對全球危機(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)識到如果我們都戴口罩，我們就會互相保護(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)作可能會變得更糟。在佩戴者進(jìn)行日常工作時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測 SPO2 水平，用戶（或護(hù)理人員）可以主動改變面罩的張力以避免導(dǎo)致窒息的情況。

動機(jī)

開始這個(gè)項(xiàng)目的個(gè)人動機(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：口罩可以對所有人都安全嗎？只有這樣，它們才能對所有人強(qiáng)制執(zhí)行。

我的科學(xué)動機(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)對此有意見。他們知道他們對科學(xué)知之甚少，對混合的政治信息感到困惑，但他們希望通過家人和社會做正確的事。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 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)的血氧飽和度測量。傳感器是反射模式血氧計(jì)類型。請注意，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)射器和檢測器位于身體四肢的相對表面上（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)射器都會將紅光和紅外光照射到皮膚上，檢測器會測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)行了測試，測試表明從臉頰反射的傳感器對血氧水平的變化反應(yīng)更快。這對我們的配置很有用，因此在這里部署。

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[草圖 2]：MaskSpoT 電路設(shè)計(jì)和臺式測試

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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，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)測量值使我們能夠估計(jì)我們試圖通過這個(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)粒子傳感器檢測到的反射光確定的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測試，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：對于 spo2 水平計(jì)算，我們在 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。對于戶外操作，該設(shè)備可以連接到配置為移動熱點(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：儀表級別，表示正常級別，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)行了測試。還有其他方面需要考慮 -
• SPO2 水平：需要使用住院監(jiān)測儀對各種人群、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“正常”水平可能是個(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)——雨和熱是兩種會對儀表面罩產(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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