Mikro-centrifuga Biomedicinski uređaj otvorenog izvora: 11 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Ovo je projekat u toku koji će biti ažuriran uz podršku zajednice i dalja istraživanja i instrukcije

Cilj ovog projekta je stvaranje modularne laboratorijske opreme otvorenog koda koja se lako transportira i izrađena od jeftinih dijelova za pomoć u dijagnostici bolesti u udaljenim i niskim infrastrukturnim područjima

Ovo će biti tekući projekt otvorenog koda sa misijom pružanja modularne platforme za medicinske uređaje, koja se može lako mijenjati i proširivati po niskim cijenama

Inicijalni projekti će biti za modularnu bateriju i DC motorni paket i mikro-centrifugu

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

ODRICANJE: Projekt je još uvijek u fazi testiranja dizajna i funkcionalnosti i još nije prikladan za BILO KAKVU dijagnostičku ili kliničku primjenu. Elektroniku i motore treba 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. Konkretno, 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: Dizajnirati mikro-centrifugu, modularnu bateriju i DC motorni paket, za pomoć u dijagnostici i liječenju bolesti uzrokovanih patologijama koje se prenose krvlju (patogeni i paraziti). Koristeći tehnike aditivne proizvodnje gdje god je to moguće, 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 upotrebu u ruralnim područjima upotrebom desktop FDM 3D štampe, laserskog rezanja i elektronike za hobi. Nadamo se da će pri tome uređaj biti dostupan širokom spektru zdravstvenih radnika sa 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 sastavne dijelove 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: Razmatranja 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

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

• Vijek trajanja dijelova proizvedenih ovom tehnikom relativno je nizak 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 Celzijusa) • 3D štampani dizajn otvorenog koda će omogućiti korisnicima da modifikuju dizajn prema svojim potrebama i ograničenjima

Dodatna ograničenja u dizajnu:

• 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 više, što rezultira visokim mehaničkim naprezanjem na nekim dijelovima

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

Korak 4: Dizajn početnog/osnovnog modula

Gornji dizajn najbolje iskorištava prostor kako bi se osiguralo odgovarajuće mjesto 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. Osim toga, ispisivanje manjih pojedinačnih dijelova smanjit će utjecaj greške/greške pri štampanju i omogućiti upotrebu većeg broja veličina ležišta za štampanje.

Koristeći prednost modularnog dizajna, mnoge različite vrste centrifugalnih zdjela mogu se pričvrstiti na uređaj. Brze modifikacije 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 kontejneri pružaju priliku za dodatnu podršku i prigušivanje vibracija

Korak 5: Lista dijelova

3D štampani delovi: Datoteke će biti postavljene na Github i thingiverse i ažurirane što je pre moguće.

• 1 x Vijak sa vretenom
• 1 x Matica rotora
• 1 x Matica poklopca
• 1 x glavni poklopac
• 4 x Kućište rotora
• 1 x Rotor sa fiksnim uglom
• 4 x Gornji/donji balast
• 2 x bočni balast

Elektronika: (Uskoro linkovi do proizvoda)

Arduino Nano (8-10 USD)

Konektorske žice (<0,2 USD)

Elektronski 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: Štampanje 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 Kućište rotora

1 x Rotor sa fiksnim uglom

4 x Gornji/donji balast

2 x bočni balast

Opće postavke Cura -a 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 kućište rotora
• Svi dijelovi trebaju čvrsto pristajati i biti pričvršćeni odgovarajućim ljepilima

Korak 8: Montaža: elektroničke komponente

Za testiranje pripremite sljedeće elektroničke komponente:

• DC motor i ECS
• Baterija
• Arduino Nano
• Breadboard
• Potenciometar
• Žice za kratkospojnike

Kodiranje i upute za arduino možete pronaći ovdje:

Članak na

Testni motor radi glatko i reagira na potenciometar. Ako jeste, instalirajte elektroniku u kućište i testirajte da motor radi glatko i s malo vibracija.

Slike tačnog 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.

Uvjerite se da rotor ima glatku putanju i da ne preskače ili se pretjerano ljulja. Ravna posuda može se odštampati ili izrezati iz akrila kako bi se pomoglo u stabilnosti ako je potrebno.

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

Rotor se može ukloniti radi istovara i utovara uzoraka ili za promjenu tipova rotora.

Korak 10: Montaža: balast i poklopci

Prikupite gornje i bočne spremnike balasta, oni će djelovati kao potpora, utezi i prigušivanje vibracija.

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

Glavni poklopac preko rotora trebao bi sigurno prianjati kada je pričvršćen gornjom navrtkom rotora.

Dijelovi trebaju odgovarati kako je prikazano na slici.

Korak 11: Zaključak

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

Ovaj dizajn je ispunio željeni rezultat pokazujući da je moguće stvoriti medicinski uređaj otvorenog koda (mikrocentrifuga), koristeći tehnike izrade stonih računara i osnovne elektronske komponente. Može se proizvesti za desetinu cijene komercijalno dostupnih mašina i lako se popraviti ili rastaviti za dijelove koji će se koristiti u drugim uređajima, čime se smanjuju ekonomske prepreke. Elektroničke komponente pružaju konstantno pouzdano napajanje za vrijeme potrebno 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 uređaja otvorenog koda, koja koristi osnovni set komponenti za pogon različite opreme, poput peristaltičkih pumpi, ili kao u ovom dizajnu, mikrocentrifuga. Uspostavom biblioteke datoteka otvorenog koda, pristup jednom FDM pisaču mogao bi se koristiti za proizvodnju niza dijelova, s krajnjim korisnikom malo znanja o dizajnu. Time bi se uklonili logistički problemi povezani s otpremom osnovnih komponenti, čime bi se uštedjelo vrijeme i životi.