描述

項目目標

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”時會很高興！

執行摘要

自從這場 Covid-19 危機開始以來，這個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和慶祝。“成熟的西方”民主國家的政治領導人所采用的混亂信息并沒有幫助解決這一問題。當我們考慮到管理流行病的資源有限的發展中國家的領導人經常從西方民主國家的同行那里獲得應對全球危機的線索時，這變得更加令人擔憂。

另一方面，醫學界和世界衛生組織堅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，認識到如果我們都戴口罩，我們就會互相保護。該項目旨在回答的問題是——科學家如何才能圍繞面具引導信息傳遞，從而使客觀事實高于主觀意見。

該項目關注一個經常被引用但有時是有效的關注點，即幽閉恐懼癥。窒息的感覺可能在第一次戴上口罩時出現，或者由于在戴口罩時不斷變化的情況，因為壓力誘發條件（如跑步）的出現。由于身體供氧不足，最初的不適可能會惡化為非常真實的窒息或窒息發作。如果個體恐慌導致過度換氣，這種血流中氧氣剝奪的發作可能會變得更糟。在佩戴者進行日常工作時實時監測 SPO2 水平，用戶（或護理人員）可以主動改變面罩的張力以避免導致窒息的情況。

動機

開始這個項目的個人動機是一個復雜的原因網絡：部分是個人的，部分是科學的。

個人因素可以追溯到將近六年前，當時我注意到我父親在與癌癥作斗爭的最后幾個月里，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。當時我把這種情況歸咎于他身體的惡化狀態。切到現在，幾周前，在我們定期在我們居住的風景如畫的北約克郡村莊散步時，我可以看到我年邁的（盡管相當健康）的母親戴著 N95 口罩爬上山時明顯呼吸困難。

閱讀更多關于口罩的已發表建議，人們了解到窒息感不一定是一種感知，而是當口罩佩戴者承受進一步壓力時的一種非常真實的情況——無論是外部性質的（走上坡路！ ）或內部（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制執行。

我的科學動機是憤怒和好奇的結合。我的憤怒在于，僅僅戴上口罩似乎已成為一種政治象征，是這些兩極分化時代的明顯犧牲品。令人沮喪的是，將事實置于一切之上的大多數科學界現在正被一小群既得利益集團拖入這個扭曲的現實。我的好奇心是在閱讀更多關于面罩背后的要求和建議以及線程數如何影響透氣性和液滴傳輸的信息時引發的（參考文獻 [1]）。通過訪談（參考文獻 [2]）以及圍繞“非醫療人員”的醫療建議（參考文獻 [3]）進行更多挖掘，得出了用于跟蹤血氧水平的氧飽和度指標。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 的醫生，有效地確定了這一點（參考文獻 [4]）。我們都需要一個理想的面罩：它可以告訴我們它是太松（讓液滴流出）還是太緊（窒息）。哎呀，我們需要一個金發姑娘面罩！

將其帶回個人：我首先確定自己是科學家。一個我喜歡思考的科學家，尋找理性來解釋看似不合理的事情。在一個越來越歇斯底里的世界里，我相信科學界有責任將客觀推理帶回公眾對話中。我也相信大多數人并不真正關心現有的政治兩極分化，或者確實對此有意見。他們知道他們對科學知之甚少，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。作為科學家和工程師，我堅信這個 COVID19 檢測和保護挑戰賽非常適合幫助那些人，我想這個 MaskSpoT 項目可以幫助將針頭朝正確的方向發展。

建造

為了理解此處構建 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注（參考文獻 [5]）。要求是監測 SPO2 水平并就危險水平提出建議。
• 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不戴口罩。
• 小題大做：戴上儀表面罩應該不會比戴上普通面罩更復雜！
• 實時信息：數據流式傳輸到瀏覽器（或應用程序_允許實時監控和即時決策。
• 簡單：為佩戴者和制造商設計和建造！

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。盡管這些在臺式機上工作，但設計的復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工作，這些原始值可用于識別面罩狀態（打開或關閉）。SPO2 估計被證明更有趣，這個早期的原型被放棄了，轉而進行最終設計。

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Sketch [1]：早期原型開發和測試

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• 特定血氧：所采用的傳感協議是為了利用 MAX30105 實現的血氧飽和度測量。傳感器是反射模式血氧計類型。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：光學發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：發射器和檢測器彼此相鄰，并應用于身體的一個表面，例如這里使用的臉頰。
• 在任何一種模式下，發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的散射光。反射模式傳感器已在涉及前額（參考文獻 [6]）和臉頰（參考文獻 [7]）的應用中進行了測試，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 電路設計和臺式測試

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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——目前它被滑入一個皮套中，可以套在穿戴者的衣服上（就像跑步時佩戴Apple iPod Nano一樣）。對于當前的設計，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 上的實時MaskSpoT 儀表板，來自 Feather 定期發送的兩個提要：maskon和spo2

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[Sketch 3]：Mask Spot 構建步驟，從裸面具到最終使用儀表板狀態

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這個怎么運作

在引擎蓋下，系統的工作原理如下：

• MAX30105 使用紅色和紅外傳感器生成 SPO2 水平估計值。接近傳感器計算并行運行。這兩個測量值使我們能夠估計我們試圖通過這個項目回答的兩個問題：
• 面罩是否太松：接近傳感器。IR 傳感器采用一組原始值，范圍是根據粒子傳感器檢測到的反射光確定的。根據經驗測試，我們硬連線代碼以選擇一個中間值作為截止值，以指示傳感器是否離皮膚太遠并觸發蒙版關閉狀態。根據選擇的閾值截止，Feather 向maskonFeed發送 1 或 0 。
• 我窒息了嗎：SPO2 傳感：對于 spo2 水平計算，我們在 Sparkfun 發布的代碼中使用 MAX30105 傳感器部署邏輯。SPO2 計算源自紅光和紅外 LED 反射率測量。此 spo2 水平以百分比計算并發送到spo2Feed。
• Feather 需要 wi-fi 連接才能將數據傳輸到 Adafruit IO 饋送。對于戶外操作，該設備可以連接到配置為移動熱點的佩戴者手機。
• MaskSpoT Dashboard上的設置基于已發布的醫療建議（參考文獻 [5]）進行配置，如下所示：
• 面罩太松：maskon Feed
• 1：蒙版開啟，設置為綠色
• 0：遮罩關閉，設置為紅色
• 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，顏色為紅色

基本改進

設計雖然很有前途，但離成品還很遠。某些方面需要進一步考慮和實驗，以便找到進入成品的途徑。進入列表的一些項目是：

• 柔性鍍錫銅線是需要更正式考慮的主要方面。這種修改應該相當簡單，可以用現成的 4 芯線代替。
• Feather Huzzah 可以替換為 Feather FONA。這將允許戶外數據流操作，而無需支持手機作為 Wifi 服務器。Feather Bluefruit LE 是另一種高效的低功耗選項，但需要手機的藍牙支持
• 該傳感器已在相當健康的受試者身上進行了測試。還有其他方面需要考慮 -
• SPO2 水平：需要使用住院監測儀對各種人群、年齡組、COVID-19 合并癥和 COVID19 幸存者進行校準。
• 儀表板配置：在這些 COVID 時期，SPO2 的“正常”水平可能是個體特異性的，并且可能隨肺部狀況而有很大差異（參考文獻 [5]）。我們是否需要一個帶有血氧儀設置的面罩，該面罩設計為適合個人身體（可能）？我們如何在第一次用戶設置時啟用它？是否需要自校準系統，如果可能的話？
• 反射式血氧儀：需要更好地了解對環境光條件的敏感性
• Feather Huzzah：如果使用，我們需要開發一個應用程序，使用戶能夠配置 wifi 設置。
• 尺寸和外形優化：這種配置包括一個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、更纖薄的外形設計以確保面罩是獨立的？
• 環境防護——雨和熱是兩種會對儀表面罩產生不利影響的環境條件。盡管可以使用一些硅膠保護裝置進行防水，但在高溫條件下的電池操作是一個問題。

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