Mikro-centrifuga Biomedicinski uređaj otvorenog izvora: 11 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

Ovo je projekt u tijeku koji će se ažurirati uz podršku zajednice i daljnja istraživanja i upute

Cilj ovog projekta je stvoriti modularnu laboratorijsku opremu otvorenog koda, laku za transport i izgrađenu od jeftinih dijelova za pomoć u dijagnostici bolesti u udaljenim i niskim infrastrukturnim područjima

Ovo će biti tekući projekt otvorenog koda s misijom pružanja modularne platforme za medicinske uređaje, koja se može lako mijenjati i proširivati uz niske troškove

Početni projekti bit će za modularnu bateriju i istosmjerni motor, te mikro-centrifugu

Tražit će pomoć internetske zajednice otvorenog koda kako bi pomogao u podršci, izmjenama i daljnjem dizajnu kako bi se usmjerile na individualne specifične potrebe zdravstvenih radnika u udaljenim i ruralnim područjima

ODRICANJE ODGOVORNOSTI: Projekt još uvijek prolazi kroz testiranje dizajna i funkcionalnosti te još nije prikladan za BILO KAKVU dijagnostičku ili kliničku primjenu. Elektronika i motori moraju se sastaviti i koristiti na vlastitu odgovornost čitatelja

Korak 1: Izjave o problemu i dizajnu

Izjava o problemu:

Nedostatak pristupa laboratorijskoj i kliničkoj opremi za pomoć u dijagnostici i liječenju bolesti dovodi do smrti mnogih u udaljenim i niskim infrastrukturnim područjima koja se mogu spriječiti. Točnije, nedostatak pristupa osnovnim pouzdanim centrifugama oduzima zdravstvenim radnicima vitalno oruđe u borbi protiv patogena koji se prenose krvlju, poput AIDS-a i malarije.

Izjava o dizajnu: Za projektiranje mikro-centrifuge, modularne baterije i istosmjernog motora, za pomoć u dijagnostici i liječenju bolesti uzrokovanih patologijama koje se prenose krvlju (patogeni i paraziti). Koristeći tehnike aditivne proizvodnje gdje je izvedivo, ovaj dizajn nastoji poboljšati prenosivost i smanjiti ekonomske barijere tehnologija koje spašavaju živote.

Korak 2: Obrazloženje dizajna:

Ovaj dizajn ima za cilj proizvodnju mikrocentrifuge pogodne za zamjensku uporabu u ruralnim područjima upotrebom stolnog FDM 3D ispisa, laserskog rezanja i elektronike za hobi razrede. Nadamo se da će time uređaj biti dostupan širokom rasponu zdravstvenih djelatnika s različitim pristupom resursima.

Prilikom projektiranja rotora centrifuge (dio dizajna koji sadrži epruvete):

Potrebna G-sila za odvajanje uzoraka ovisi o željenoj vrsti uzorka, a prosječne sile za odvajanje krvi na njene sastojke kreću se od 1 000-2 000 g (thermofisher.com)

Izračun RPM-a prema RFC-u (G-sila) može se izračunati pomoću RCF = (rpm) 2 × 1.118 × 10-5 × r, gdje je 'r' polumjer rotora (bcf.technion.ac.il)

Korak 3: Razmišljanja o dizajnu

Razmatranja aditivne proizvodnje:

• Može doći do slabog prianjanja sloja, što dovodi do slabe vlačne čvrstoće i oštećenja dijela

• Svojstva su potrebna, ovisit će o materijalima. Neki nude dobro bočno naprezanje i čvrstoću na pritisak pri maloj težini i cijeni

• Točne postavke tijekom rezanja G-koda moraju se primijeniti kako bi se osiguralo da se dobiju željena svojstva materijala

• Trajnost dijelova proizvedenih ovom tehnikom relativno je niska u usporedbi s onima koji koriste skuplje tehnike i materijale poput CNC glodanja metala.

• Termoplastike imaju relativno nisku prijelaznu temperaturu, pa se mora održavati niska radna temperatura (<približno 80-90 Celzijevih stupnjeva) • 3D tiskani dizajn otvorenog koda omogućit će korisnicima da izmijene dizajn prema svojim potrebama i ograničenjima

Daljnja ograničenja dizajna:

• Neka područja možda nemaju odgovarajući pristup napajanju, možda će se morati napajati osnovnom prijenosnom solarnom energijom, baterijama itd.

• Vibracije i ravnoteža mogu biti problem

• Mora biti u mogućnosti izlaziti visoke okretaje u razdobljima do 15 minuta ili dulje, što rezultira visokim mehaničkim naprezanjem na nekim dijelovima

• Korisnici možda nemaju iskustva u korištenju opreme i trebat će im podrška za smanjenje tehničke barijere

Korak 4: Dizajn početnog/osnovnog modula

Gornji dizajn najbolje iskorištava prostor za osiguravanje odgovarajućeg prostora za unutarnje elektroničke komponente i osigurava dovoljno veliki radijus za razne rotore centrifuge i dimenzije cijevi. Stil dizajna "spojite zajedno" odabran je kako bi se uklonila potreba za potpornim materijalom tijekom proizvodnje i omogućilo jednostavno tiskanje, popravak i izrada u aditivnoj i oduzimajućoj proizvodnji. Dodatno, ispis manjih pojedinačnih dijelova smanjit će utjecaj greške/pogreške u ispisu i omogućiti korištenje veće raznolikosti veličina tiskanih kreveta.

Iskorištavanjem prednosti modularnog dizajna, mnoge različite vrste centrifugalnih zdjela mogu se pričvrstiti na uređaj. Brze izmjene i proizvodnja ovih dijelova kroz aditivnu proizvodnju omogućuju promjene proizvedene G-sile i obradu veličine/vrste uzorka. To mu daje prednost u odnosu na tradicionalne strojeve i pruža inovativan pristup projektiranju strojeva prema potrebama krajnjeg korisnika. Nadalje, balastni spremnici pružaju priliku za dodatnu podršku i prigušivanje vibracija

Korak 5: Popis dijelova

3D ispisani dijelovi: Datoteke će se učitati na Github i thingiverse i ažurirati što je prije moguće.

• 1 x Vijak s vretenom
• 1 x Matica rotora
• 1 x Matica poklopca
• 1 x glavni poklopac
• 4 x Tijelo rotora
• 1 x Rotor s fiksnim kutom
• 4 x Gornji/donji balast
• 2 x bočni balast

Elektronika: (Uskoro poveznice na proizvode)

Arduino Nano (8-10 USD)

Priključne žice (<0,2 USD)

Elektronički regulator brzine (8-10 USD)

DC motor bez četkica 12V (15-25 USD)

Potenciometar (0,1 USD)

Li-po punjiva baterija (15-25 USD)

Korak 6: Ispis dijelova:

Svi dijelovi su dostupni na githubu ovdje: Dostupni i sa thingiverse ovdje:

3D ispisani dijelovi: 1 x Vijak s vretenom

1 x Matica rotora

1 x Matica poklopca

1 x glavni poklopac

4 x Tijelo rotora

1 x Rotor s fiksnim kutom

4 x Gornji/donji balast

2 x bočni balast

Opće postavke nacrta iz Cure ili slične u odabranom softveru za rezanje dobre su smjernice za ispis svih dijelova karoserije i balasta.

Korak 7: Montaža: Prvi korak

• Pripremite sljedeće dijelove za montažu kako je prikazano:

  • Baza centrifuge
  • Kućište komponente
  • 4 x tijelo rotora
• Svi dijelovi trebaju čvrsto pristajati i biti učvršćeni odgovarajućim ljepilom

Korak 8: Montaža: elektroničke komponente

Za testiranje pripremite sljedeće elektroničke komponente:

• DC motor i ECS
• Baterija
• Arduino Nano
• Oglasna ploča
• Potenciometar
• Kratkospojne žice

Kodiranje i upute za arduino možete pronaći ovdje:

Članak na

Testni motor radi glatko i reagira na potenciometar. Ako jest, instalirajte elektroniku u kućište i provjerite radi li motor glatko i s malo vibracija.

Slike točnog postavljanja bit će dodane uskoro.

Korak 9: Montaža: pričvršćivanje rotora i zavrtnja

Skupite rotor, valjke, matice za predenje i zavrtnje.

Uvjerite se da svi dijelovi dobro pristaju. Brušenje može pomoći ako je pričvršćivanje preusko.

Pobrinite se da rotor ima glatku putanju i da ne preskače ili se pretjerano ljulja. Ravno jelo može se ispisati ili izrezati iz akrila kako bi se pomoglo u stabilnosti ako je potrebno.

Nakon što su dijelovi podvrgnuti brušenju i ugradnji, pričvrstite vijak centrifuge na vreteno motora i učvrstite rotor maticama kako je prikazano.

Rotor se može ukloniti radi istovara i utovara uzoraka ili zbog promjene vrste rotora.

Korak 10: Montaža: balast i poklopci

Skupite gornje i bočne spremnike balasta, oni će djelovati kao potpora, ponderiranje i prigušivanje vibracija.

Dijelovi bi trebali sjediti zajedno i ostati na mjestu kada su napunjeni. Ako je potrebno, dijelovi se mogu učvrstiti super ljepilom ili sličnim ljepilom.

Glavni poklopac iznad rotora trebao bi čvrsto pričvrstiti kada je pričvršćen gornjom maticom rotora.

Dijelovi trebaju stati kako je prikazano na slici.

Korak 11: Zaključak

Zdravstveni radnici na udaljenim lokacijama suočavaju se s izazovom ekonomskih i logističkih prepreka povezanih s nabavkom i održavanjem vitalnih medicinskih i dijagnostičkih uređaja i dijelova. Nedostatak pristupa osnovnoj opremi, poput centrifuga i pumpnih sustava, može dovesti do fatalnih vremena čekanja i pogrešne dijagnoze.

Ovaj je dizajn ispunio željeni ishod jer je pokazao da je moguće stvoriti medicinski uređaj otvorenog koda (mikrocentrifugu), koristeći tehnike izrade stolnih računala i osnovne elektroničke komponente. Može se proizvesti za desetinu cijene komercijalno dostupnih strojeva i lako se popraviti ili rastaviti za dijelove koji će se koristiti u drugim uređajima, čime se smanjuju ekonomske prepreke. Elektroničke komponente pružaju konstantnu pouzdanu snagu tijekom vremena potrebnog za obradu najčešćih uzoraka krvi, pružajući bolju dijagnostiku od ručnih ili izlaznih jedinica u područjima s niskom infrastrukturom. Izvodljivost ovog dizajna ima budući potencijal u razvoju modularne platforme medicinskih proizvoda otvorenog koda, koja koristi osnovni skup komponenti za pogon različite opreme, poput peristaltičkih crpki, ili kao u ovom dizajnu, mikrocentrifuga. Uspostavom biblioteke datoteka otvorenog koda, pristup jednom FDM pisaču mogao bi se koristiti za proizvodnju niza dijelova, a krajnji korisnik zahtijeva malo znanja o dizajnu. Time bi se uklonili logistički problemi povezani s otpremom osnovnih komponenti, čime bi se uštedjelo vrijeme i životi.