מיקרו צנטריפוגה מכשיר ביו-רפואי ממקור פתוח: 11 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:13

זהו פרויקט מתמשך שיעודכן בתמיכה קהילתית ובהמשך מחקר והדרכה

מטרת הפרויקט היא ליצור ציוד מעבדה מודולרי פתוח, קל להובלה ובנוי מחלקים שמקורם בזול כדי לסייע באבחון מחלות באזורי תשתית מרוחקים ונמוכים

זה יהיה פרויקט מתמשך ממקור פתוח עם המטרה לספק פלטפורמה מודולרית למכשור רפואי, שניתן לשנות בקלות ולהרחיב עליה בעלות נמוכה

העיצובים הראשוניים יהיו עבור סוללה מודולרית וחבילת מנועי DC, ומיקרו צנטריפוגה

היא תבקש את עזרת קהילת הקוד הפתוח המקוון בכדי לסייע בתמיכה, שינוי ועיצובים נוספים, במטרה למקד את הצרכים הספציפיים של עובדי שירותי בריאות באזור מרוחק וכפרי

כתב ויתור: הפרויקט עדיין נמצא בבדיקות עיצוב ופונקציונאליות והוא עדיין אינו מתאים לאף אבחון או יישום קליני. יש להרכיב את האלקטרוניקה והמנועים ולהשתמש בהם באחריות הקוראים בלבד

שלב 1: הצהרות בעיות ותכנון

הצהרת בעיה:

היעדר גישה לציוד מעבדה וקליני לסיוע באבחון וטיפול במחלות מוביל למותם של רבים באזורי תשתית נידחים ונמוכים. באופן ספציפי, היעדר הגישה לצנטריפוגות מהימנות בסיסיות מפשיט מעובדי הבריאות כלי חיוני במאבק נגד פתוגנים הנישאים בדם כמו איידס ומלריה.

הצהרת עיצוב: לעצב מיקרו-צנטריפוגות וסוללה מודולרית ומנוע DC, כדי לסייע באבחון וטיפול במחלות הנגרמות על ידי פתולוגיות המועברות בדם (פתוגנים וטפילים). עיצוב זה, תוך שימוש בטכניקות ייצור תוספות היכן שהן קיימות, מבקש לשפר את הניידות ולהוריד מחסומים כלכליים של טכנולוגיות מצילות חיים.

שלב 2: נימוק עיצוב:

עיצוב זה נועד לייצר מיקרוצנטריפוגה המתאימה לשימוש חלופי באזורים כפריים על ידי שימוש בהדפסה תלת -ממדית FDM שולחנית, חיתוך בלייזר ואלקטרוניקה בדרגת תחביב. בכך, יש לקוות כי המכשיר יהיה נגיש למגוון רחב של אנשי מקצוע בתחום הבריאות עם גישה משתנה למשאבים.

בעת עיצוב הרוטור הצנטריפוגות (חלק בעיצוב המכיל מבחנות):

כוח G הנדרש להפרדת דגימות תלוי בסוג הדגימה הרצוי, עם כוחות ממוצעים להפרדת הדם למרכיביו הנעים בין 1 000-2, 000 גרם (thermofisher.com)

ניתן לחשב את חישוב הסל"ד ל- RFC (כוח G) באמצעות RCF = (סל"ד) 2 × 1.118 × 10-5 × r, כאשר 'r' הוא רדיוס הרוטור (bcf.technion.ac.il)

שלב 3: שיקולי עיצוב

שיקולי ייצור תוסף:

• הדבקה לקויה בשכבות עלולה להתרחש וכתוצאה מכך חוזק מתיחה ירוד ופגיעה בחלקים

• המאפיינים הנדרשים, ישתנו בהתאם לחומרים. חלקם מציעים מתיחה רוחבית טובה וחוזק דחיסה במשקל ובעלות נמוכים

• יש ליישם הגדרות נכונות במהלך חיתוך קוד ה- G על מנת להבטיח שיתקבלו תכונות החומר הרצויות

• אורך החיים של חלקים המיוצרים בטכניקה זו נמוך יחסית בהשוואה לאלה המשתמשים בטכניקות וחומרים יקרים יותר כגון מתכות כרסום CNC.

• לתרמופלסטיק יש טמפרטורת מעבר נמוכה יחסית, ולכן יש לשמור על טמפרטורת הפעלה נמוכה (<כ- 80-90 צלזיוס) • עיצובים מודפסים תלת-ממדיים פתוחים יאפשרו למשתמשים לשנות עיצובים בהתאם לצרכיהם ואילוצים.

אילוצי עיצוב נוספים:

• לאזורים מסוימים אין גישה מספקת לחשמל, ייתכן שיהיה צורך להפעיל אותם באמצעות סוללות ניידות בסיסיות, סוללות וכו '.

• רטט ואיזון עשויים להוות בעיה

• חייב להיות מסוגל להפיק סל ד גבוה לתקופות של עד 15 דקות או יותר, וכתוצאה מכך לחץ מכני גבוה בחלקים מסוימים

• ייתכן כי משתמשים אינם מנוסים בשימוש בציוד וידרשו תמיכה להורדת המכשול הטכני

שלב 4: עיצוב מודול ראשוני/בסיס

העיצוב לעיל מנצל את החלל בצורה הטובה ביותר כדי לספק מקום הולם לרכיבים אלקטרוניים פנימיים ומבטיח רדיוס גדול מספיק למגוון רוטורים וצנטריפוגות. סגנון 'הצמד יחד' של העיצוב נבחר כדי לבטל את הצורך בחומר תמיכה במהלך הייצור ולאפשר הדפסה, תיקון וייצור קלים בייצור תוספי וחסר. בנוסף, הדפסה של חלקים בודדים קטנים יותר תפחית את ההשפעה של כשל/שגיאה בהדפסה, ותאפשר שימוש במגוון גדול יותר של גדלי מיטה מודפסת.

על ידי ניצול עיצוב מודולרי, סוגים רבים ושונים של קערות צנטריפוגליות עשויות להיות מחוברות למכשיר. שינויים מהירים וייצור של חלקים אלה באמצעות ייצור תוספי מאפשר שינויים בכוח G המיוצר, ועיבוד גודל/סוג הדגימה. זה עוזר לתת לו יתרון על פני מכונות מסורתיות ומספק גישה חדשנית לעיצוב מכונות סביב צרכיו של משתמש קצה. יתר על כן, מיכלי הנטל מספקים הזדמנות להוסיף תמיכה ולבלום רטט.

שלב 5: רשימת חלקים

חלקים מודפסים בתלת -ממד: קבצים יועלו ל- Github ול- dingiverse ויעודכנו בהקדם האפשרי.

• 1 x בורג ציר
• 1 x אגוז רוטור
• 1 x אגוז מכסה
• 1 x מכסה ראשי
• 4 x גוף רוטור
• 1 x רוטור זווית קבועה
• 4 x נטל עליון/תחתון
• 2 x נטל צד

אלקטרוניקה: (קישורים למוצרים בקרוב)

Arduino Nano ($ 8-10)

חוטי מחברים (<$ 0.2)

בקר מהירות אלקטרוני (8-10 $)

מנוע DC ללא מברשות 12V ($ 15-25)

פוטנציומטר ($ 0.1)

סוללה נטענת Li-po ($ 15-25)

שלב 6: הדפסת חלקים:

כל החלקים זמינים מ- github כאן: זמינים גם מ- dingiverse כאן:

חלקים מודפסים בתלת -ממד: 1 x בורג ציר

1 x אגוז רוטור

1 x אגוז מכסה

1 x מכסה ראשי

4 x גוף רוטור

1 x רוטור זווית קבועה

4 x נטל עליון/תחתון

2 x נטל צד

הגדרות הטיוטה הכלליות של Cura, או דומות בתוכנות הפרוסות הנבחרות, הן הנחיה טובה להדפסה של כל חלקי הגוף והנטל.

שלב 7: הרכבה: שלב ראשון

• הכינו את החלקים הבאים להרכבה כפי שמוצג:

  • בסיס צנטריפוגות
  • מעטפת רכיבים
  • 4 x גוף רוטור
• כל החלקים צריכים להתאים זה לזה ולהיות מאובטחים בעזרת דבקים מתאימים

שלב 8: הרכבה: רכיבים אלקטרוניים

הכינו את הרכיבים האלקטרוניים הבאים לבדיקה:

• מנוע DC ו- ECS
• סוֹלְלָה
• ארדואינו ננו
• לוח לחם
• פוטנציומטר
• חוטי מגשר

ניתן למצוא קידוד והדרכה עבור הארדואינו כאן:

מאמר מאת

מנוע הבדיקה פועל בצורה חלקה ומגיב לפוטנציומטר. אם כן, התקן את האלקטרוניקה במעטפת ובדוק את המנוע פועל חלק וללא רעידות מועטות.

תמונות של מיקום מדויק יתווספו בקרוב.

שלב 9: הרכבה: חיבור בורג הרוטור והספינר

אסוף רוטור, גלילים, ספינר ואגוזים.

ודא שכל החלקים מתאימים. שיוף עשוי לעזור אם ההתאמה צמודה מדי.

ודא שלרוטור יש נתיב חלק ואינו מדלג או מתנדנד יתר על המידה. ניתן להדפיס צלחת שטוחה, או לחתוך מאקריליק, כדי לסייע ליציבות במידת הצורך.

לאחר שחלקים עברו שיוף והתאמה, חבר את בורג הספינר לציר המנוע והדק את הרוטור בעזרת האומים כפי שמוצג.

ניתן להסיר את הרוטור לפריקה וטעינת דגימות, או לשינוי סוגי הרוטורים.

שלב 10: הרכבה: נטל ומכסים

אסוף מיכלי נטל עליונים וצדיים, אלה ישמשו כתמיכה, משקלים ועיכוב רטט.

חלקים צריכים להישמר יחד ולהישאר במקומם כאשר הם מלאים. במידת הצורך ניתן לאבטח חלקים יחד עם דבק סופר או דבק דומה.

המכסה הראשי מעל הרוטור צריך להתאים בצורה מאובטחת כאשר הוא מהודק עם אגוז הרוטור העליון.

החלקים צריכים להתאים כפי שמוצג בתמונה.

שלב 11: סיכום

עובדי בריאות במיקום מרוחק מתמודדים עם האתגר של חסמים כלכליים ולוגיסטיים הקשורים להשגה ולתחזוקה של מכשירים רפואיים וחלקים חיוניים. חוסר גישה לציוד בסיסי כגון צנטריפוגות ומערכות משאבה יכול להוביל לזמני המתנה קטלניים ולאבחון שגוי.

עיצוב זה השיג את התוצאה הרצויה בכך שהראה שאפשר ליצור מכשיר רפואי פתוח (מיקרוצנטריפוגה), תוך שימוש בטכניקות ייצור שולחניות ורכיבים אלקטרוניים בסיסיים. ניתן לייצר אותו בעשירית מהמחיר של מכונות זמינות מסחרית, ולתקן או לפרק בקלות לחלקים שניתן להשתמש בהם במכשירים אחרים, ולהוריד את המחסומים הכלכליים. הרכיבים האלקטרוניים מספקים כוח אמין קבוע לזמן הדרוש לעיבוד רוב דגימות הדם הנפוצות, ומספקים אבחון טוב יותר מאשר יחידות המונעות ביד או מוצא, באזורי תשתית נמוכים. להיתכנותו של עיצוב זה יש פוטנציאל עתידי בפיתוח פלטפורמה מודולרית של מכשירים רפואיים, תוך שימוש במערך ליבות של רכיבים להנעת ציוד שונים כגון משאבות פריסטלטיות, או כמו בעיצוב זה, מיקרוצנטריפוגות. עם הקמת ספרייה של קבצים ממקור פתוח, ניתן להשתמש בגישה למדפסת FDM אחת לייצור מגוון של חלקים, עם מעט ידע בעיצוב הנדרש על ידי משתמש הקצה. זה יבטל את הבעיות הלוגיסטיות הקשורות למשלוח רכיבים בסיסיים, וחוסך זמן וחיים.