Mikrocentrifuga Biomedicinska naprava odprtega vira: 11 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

To je projekt, ki se nadaljuje s podporo skupnosti ter nadaljnjimi raziskavami in navodili

Cilj tega projekta je ustvariti odprtokodno, modularno laboratorijsko opremo, ki jo je enostavno prevažati in je izdelana iz poceni nabavljenih delov za pomoč pri diagnosticiranju bolezni na oddaljenih in nizko infrastrukturnih območjih

To bo stalni projekt z odprtim virom, katerega poslanstvo je zagotoviti modularno platformo za medicinske pripomočke, ki jo je mogoče enostavno spremeniti in razširiti po nizki ceni

Začetne zasnove bodo za modularno baterijo in enosmerni motorni komplet ter mikrocentrifugo

Poiskala bo pomoč spletne odprtokodne skupnosti, ki bo pomagala pri podpori, spremembah in nadaljnjih načrtih, da bi se usmerila v posamezne posebne potrebe zdravstvenih delavcev na oddaljenem in podeželskem območju

IZJAVA O ODGOVORNOSTI: Projekt še vedno poteka v fazi testiranja zasnove in funkcionalnosti in še ni primeren za KAKRŠNO koli diagnostično ali klinično uporabo. Elektroniko in motorje je treba sestaviti in uporabljati na lastno odgovornost bralcev

1. korak: Izjave o težavah in načrtovanju

Izjava o težavi:

Pomanjkanje dostopa do laboratorijske in klinične opreme za pomoč pri diagnosticiranju in zdravljenju bolezni vodi v smrt mnogih na oddaljenih in nizko infrastrukturnih območjih. Natančneje, pomanjkanje dostopa do osnovnih zanesljivih centrifug zdravstvenih delavcev odvzame ključnega pomena v boju proti patogenom, ki se prenašajo s krvjo, kot sta AIDS in malarija.

Izjava o zasnovi: Oblikovanje mikro-centrifuge ter modularne baterije in enosmernega motorja za pomoč pri diagnosticiranju in zdravljenju bolezni, ki jih povzročajo patologije, ki se prenašajo s krvjo (patogeni in paraziti). Z uporabo aditivnih proizvodnih tehnik, kjer je to izvedljivo, želi ta zasnova izboljšati prenosljivost in zmanjšati gospodarske ovire reševalnih tehnologij.

2. korak: Utemeljitev oblikovanja:

Ta zasnova je namenjena izdelavi mikrocentrifuge, primerne za nadomestno uporabo na podeželju, z uporabo namiznega FDM 3D tiskanja, laserskega rezanja in elektronike za hobi. Pri tem upamo, da bo naprava dostopna najrazličnejšim zdravstvenim delavcem z različnim dostopom do virov.

Pri načrtovanju rotorja centrifuge (del zasnove, ki vsebuje epruvete):

Zahtevana G-sila za ločevanje vzorcev je odvisna od želenega tipa vzorca, pri čemer povprečne sile za ločevanje krvi na njene sestavine znašajo 1 000-2 000 g (thermofisher.com)

Izračun RPM do RFC (G-sila) je mogoče izračunati z uporabo RCF = (rpm) 2 × 1.118 × 10-5 × r, kjer je 'r' polmer rotorja (bcf.technion.ac.il)

3. korak: Oblikovanja

Dodatni pomisleki pri proizvodnji:

• Lahko pride do slabe oprijemljivosti plasti, kar povzroči slabo natezno trdnost in poškodbe delov

• Potrebne lastnosti se razlikujejo glede na materiale. Nekateri ponujajo dobro stransko obremenitev in tlačno trdnost pri nizki teži in stroških

• Med rezanjem kode G je treba uporabiti pravilne nastavitve, da se zagotovi doseganje želenih lastnosti materiala

• Dolgoživost delov, izdelanih s to tehniko, je relativno nizka v primerjavi s tistimi, ki uporabljajo dražje tehnike in materiale, kot je CNC rezkanje kovin.

• Termoplasti imajo relativno nizko temperaturo prehoda, zato je treba vzdrževati nizko delovno temperaturo (<pribl. 80-90 stopinj Celzija). • 3D natisnjeni modeli odprte kode bodo uporabnikom omogočili spreminjanje modelov glede na njihove potrebe in omejitve

Dodatne omejitve pri oblikovanju:

• Nekatera območja morda nimajo ustreznega dostopa do električne energije, zato jih je treba napajati z osnovno prenosno sončno energijo, baterijami itd.

• Lahko pride do težav z vibracijami in ravnotežjem

• Moral bi biti sposoben oddajati visoke vrtljaje za obdobje do 15 minut ali več, kar ima za posledico visoko mehansko obremenitev na nekaterih delih

• Uporabniki morda ne bodo imeli izkušenj z uporabo opreme in bodo potrebovali podporo za znižanje tehnične ovire

4. korak: Zasnova začetnega/osnovnega modula

Zgornja zasnova najbolje izkoristi prostor, da zagotovi ustrezen prostor za notranje elektronske komponente in zagotovi dovolj velik polmer za različne rotorje centrifuge in dimenzije cevi. Slog "zaskoči skupaj" je bil izbran tako, da med proizvodnjo odpravi potrebo po podpornem materialu in omogoči enostavno tiskanje, popravilo in izdelavo pri aditivni in odštevalni proizvodnji. Poleg tega bo tiskanje manjših posameznih delov zmanjšalo vpliv napak/napak pri tiskanju in omogočilo uporabo večjega števila velikosti tiskanih ležišč.

Z uporabo modularne zasnove je na napravo mogoče pritrditi veliko različnih vrst centrifugalnih posod. Hitre spremembe in proizvodnja teh delov z aditivno proizvodnjo omogočajo spremembo proizvedene sile G in velikosti/vrste vzorca. To daje prednost pred tradicionalnimi stroji in ponuja inovativen pristop k oblikovanju strojev glede na potrebe končnega uporabnika.

5. korak: Seznam delov

3D natisnjeni deli: Datoteke bodo naložene v Github in thingiverse in posodobljene čim prej.

• 1 x Vijak vretena
• 1 x matica rotorja
• 1 x Matica pokrova
• 1 x glavni pokrov
• 4 x ohišje rotorja
• 1 x rotor s fiksnim kotom
• 4 x zgornji/spodnji balast
• 2 x stranska predstikalna naprava

Elektronika: (Kmalu povezave do izdelkov)

Arduino Nano (8-10 USD)

Priključne žice (<0,2 USD)

Elektronski krmilnik hitrosti (8-10 USD)

Brezkrtačni enosmerni motor 12V (15-25 USD)

Potenciometer (0,1 USD)

Polnilna baterija Li-po (15-25 USD)

6. korak: Tiskanje delov:

Vsi deli so na voljo pri githubu tukaj: na voljo tudi pri thingiverse tukaj:

3D natisnjeni deli: 1 x vretenski vijak

1 x matica rotorja

1 x Matica pokrova

1 x glavni pokrov

4 x ohišje rotorja

1 x rotor s fiksnim kotom

4 x zgornji/spodnji balast

2 x stranska predstikalna naprava

Splošne nastavitve osnutka iz Cure ali podobne v izbrani programski opremi za rezanje so dobro vodilo za tiskanje vseh delov karoserije in balasta.

7. korak: Montaža: Prvi korak

• Pripravite naslednje dele za montažo, kot je prikazano:

  • Osnova centrifuge
  • Ohišje sestavnih delov
  • 4 x ohišje rotorja
• Vsi deli se morajo tesno prilegati in pritrditi z ustreznimi lepili

8. korak: Montaža: elektronske komponente

Za testiranje pripravite naslednje elektronske komponente:

• DC motor in ECS
• Baterija
• Arduino Nano
• Ogledna plošča
• Potenciometer
• Mostične žice

Kodiranje in navodila za arduino najdete tukaj:

Članek

Testni motor deluje nemoteno in se odziva na potenciometer. Če je, namestite elektroniko v ohišje in preizkusite, da motor deluje gladko in z majhnimi vibracijami.

Slike natančne umestitve bodo kmalu dodane.

9. korak: Montaža: Pritrditev rotorja in vijaka

Zberite rotor, valje, ožemalnike in matice.

Poskrbite, da se vsi deli dobro prilegajo. Brušenje lahko pomaga, če je prileganje pretesno.

Prepričajte se, da ima rotor gladko pot in da ne preskakuje ali se preveč niha. Ploščato posodo lahko natisnete ali izrežete iz akrila, da po potrebi pomagate pri stabilnosti.

Ko so deli brušeni in nameščeni, pritrdite vijak predilnika na vreteno motorja in pritrdite rotor z maticami, kot je prikazano.

Rotor lahko odstranite za raztovarjanje in nalaganje vzorcev ali za spreminjanje tipov rotorja.

10. korak: Montaža: balast in pokrovi

Zberite zgornje in stranske balastne posode, ki bodo delovale kot podpora, uteži in dušenje vibracij.

Deli se morajo rezati skupaj in ostati na mestu, ko so napolnjeni. Po potrebi lahko dele pritrdite skupaj s super lepilom ali podobnim lepilom.

Glavni pokrov nad rotorjem mora biti varno pritrjen, ko je pritrjen z zgornjo matico rotorja.

Deli se morajo prilegati, kot je prikazano na sliki.

11. korak: Zaključek

Zdravstveni delavci na oddaljenih lokacijah se soočajo z izzivom gospodarskih in logističnih ovir, povezanih s pridobivanjem in vzdrževanjem vitalnih medicinskih in diagnostičnih naprav in delov. Pomanjkanje dostopa do osnovne opreme, kot so centrifuge in črpalni sistemi, lahko povzroči usodne čakalne dobe in napačno diagnozo.

Ta zasnova je dosegla želeni rezultat, saj je pokazala, da je mogoče ustvariti medicinski pripomoček odprtega vira (mikrocentrifuga) z uporabo namiznih proizvodnih tehnik in osnovnih elektronskih komponent. Lahko se proizvede za desetino cene strojev, ki so na voljo na trgu, in ga je mogoče enostavno popraviti ali razstaviti za dele, ki jih je mogoče uporabiti v drugih napravah, kar zmanjšuje gospodarske ovire. Elektronske komponente zagotavljajo konstantno zanesljivo napajanje za čas, potreben za obdelavo najpogostejših vzorcev krvi, kar zagotavlja boljšo diagnostiko kot ročno ali izhodno enoto na območjih z nizko infrastrukturo. Uresničljivost te zasnove ima prihodnji potencial pri razvoju modularne odprtokodne platforme medicinskih pripomočkov z uporabo osnovnega sklopa komponent za pogon različne opreme, kot so peristaltične črpalke, ali kot v tej zasnovi, mikrocentrifug. Z vzpostavitvijo knjižnice odprtokodnih datotek bi lahko dostop do enega samega tiskalnika FDM uporabili za izdelavo številnih delov, pri čemer končni uporabnik potrebuje malo znanja o oblikovanju. To bi odpravilo logistične težave, povezane z odpremo osnovnih sestavnih delov, prihranilo čas in življenja.