Microcentrifuge Open-source biomedisch apparaat - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Dit is een doorlopend project dat zal worden bijgewerkt met ondersteuning van de gemeenschap en verder onderzoek en instructie

Het doel van dit project is om open-source, modulaire laboratoriumapparatuur te creëren die gemakkelijk te vervoeren is en is opgebouwd uit goedkope onderdelen om te helpen bij de diagnose van ziekten in afgelegen en weinig infrastructuur

Dit wordt een doorlopend open source-project met als missie een modulair platform voor medische hulpmiddelen te bieden, dat eenvoudig kan worden aangepast en uitgebreid tegen lage kosten

De eerste ontwerpen zijn voor een modulair batterij- en DC-motorpakket en een microcentrifuge

Het zal de hulp inroepen van de online open-sourcegemeenschap om te helpen met ondersteuning, aanpassing en verdere ontwerpen, om te voldoen aan de individuele specifieke behoeften van gezondheidswerkers in afgelegen en landelijke omgevingen

DISCLAIMER: Project wordt nog steeds getest op ontwerp en functionaliteit en is nog niet geschikt voor ENIGE diagnostische of klinische toepassing. Elektronica en motoren moeten op eigen risico van de lezer worden gemonteerd en gebruikt

Stap 1: Probleem- en ontwerpverklaringen

Probleemstelling:

Het gebrek aan toegang tot laboratorium- en klinische apparatuur om te helpen bij de diagnose en behandeling van ziekten leidt tot de vermijdbare sterfgevallen van velen in afgelegen en weinig infrastructuur. Met name het gebrek aan toegang tot basisbetrouwbare centrifuges ontneemt gezondheidswerkers een essentieel instrument in de strijd tegen door bloed overgedragen ziekteverwekkers zoals aids en malaria.

Ontwerpverklaring: het ontwerpen van een microcentrifuge en een modulair batterij- en gelijkstroommotorpakket om te helpen bij de diagnose en behandeling van ziekten veroorzaakt door via bloed overgedragen pathologieën (pathogenen en parasieten). Dit ontwerp maakt waar mogelijk gebruik van additieve fabricagetechnieken om de draagbaarheid te verbeteren en de economische barrières van levensreddende technologieën te verlagen.

Stap 2: Ontwerpgrondslag:

Dit ontwerp is gericht op het produceren van een microcentrifuge die geschikt is voor vervangend gebruik in landelijke gebieden door gebruik te maken van desktop FDM 3D-printen, lasersnijden en elektronica van hobbykwaliteit. Daarbij wordt gehoopt dat het apparaat toegankelijk zal zijn voor een breed scala aan zorgprofessionals met verschillende toegang tot middelen.

Bij het ontwerpen van de centrifugerotor (onderdeel van het ontwerp dat reageerbuizen bevat):

De vereiste G-kracht voor het scheiden van monsters is afhankelijk van het gewenste monstertype, met gemiddelde krachten voor het scheiden van bloed in zijn bestanddelen variërend van 1.000 - 2.000 g (thermofiser.com)

De berekening van RPM naar RFC (G-kracht), kan worden berekend met RCF = (rpm)2 × 1.118 × 10-5 × r, waarbij 'r' de straal van de rotor is (bcf.technion.ac.il)

Stap 3: Ontwerpoverwegingen

Overwegingen bij de productie van additieven:

• Er kan een slechte laaghechting optreden, wat resulteert in een slechte treksterkte en schade aan onderdelen

• Vereiste eigenschappen, zal variëren met materialen. Sommige bieden een goede laterale belasting en compressiesterkte tegen een laag gewicht en lage kosten

• Correcte instellingen tijdens het snijden van de G-code moeten worden toegepast om ervoor te zorgen dat de gewenste materiaaleigenschappen worden verkregen

• De levensduur van onderdelen die met deze techniek zijn geproduceerd, is relatief laag in vergelijking met die met duurdere technieken en materialen zoals CNC-freesmetalen.

• Thermoplasten hebben een relatief lage overgangstemperatuur, dus een lage bedrijfstemperatuur moet worden gehandhaafd (< ca. 80-90 celcius) • Open source 3D-geprinte ontwerpen stellen gebruikers in staat om ontwerpen aan te passen aan hun behoeften en beperkingen

Verdere ontwerpbeperkingen:

• Sommige gebieden hebben mogelijk geen voldoende toegang tot stroom, moeten mogelijk worden gevoed door standaard draagbare zonne-energie, batterijen, enz.

• Trillingen en balans kunnen een probleem zijn

• Moet een hoog toerental kunnen leveren voor perioden van maximaal 15 minuten, wat resulteert in hoge mechanische belasting op sommige onderdelen

• Gebruikers hebben mogelijk geen ervaring met het gebruik van apparatuur en hebben ondersteuning nodig om de technische barrière te verlagen

Stap 4: Ontwerp van initiële/basismodule

Het bovenstaande ontwerp maakt optimaal gebruik van de ruimte om voldoende ruimte te bieden voor interne elektronische componenten en zorgt voor een straal die groot genoeg is voor een verscheidenheid aan centrifugerotoren en buisafmetingen. De 'snap together'-stijl van het ontwerp is gekozen om de noodzaak van ondersteunend materiaal tijdens de productie te elimineren en om gemakkelijk te kunnen printen, repareren en fabriceren in zowel additieve als subtractieve productie. Bovendien zal het printen van kleinere afzonderlijke onderdelen de impact van een printfout/-fout verminderen en een grotere verscheidenheid aan printbedformaten mogelijk maken.

Door gebruik te maken van een modulair ontwerp, kunnen veel verschillende soorten centrifugaalkommen aan het apparaat worden bevestigd. Snelle modificaties en productie van deze onderdelen door middel van additieve fabricage zorgen voor wijzigingen in de geproduceerde G-kracht en de verwerkte steekproefomvang/type. Dit geeft het een voordeel ten opzichte van traditionele machines en biedt een innovatieve benadering voor het ontwerpen van machines rond de behoeften van een eindgebruiker. Bovendien bieden de ballastcontainers een kans om ondersteuning toe te voegen en trillingen te dempen

Stap 5: Onderdelenlijst

3D-geprinte onderdelen: bestanden worden geüpload naar Github en thingiverse en zo snel mogelijk bijgewerkt.

• 1 x spindelschroef
• 1 x rotormoer
• 1 x dekselmoer
• 1 x hoofddeksel
• 4 x rotorlichaam
• 1 x vaste hoekrotor
• 4 x boven/onder ballast
• 2 x zijballast

Elektronica:(Links naar producten binnenkort)

Arduino Nano ($8-10)

Connectordraden (<$0,2)

Elektronische snelheidsregelaar ($ 8-10)

Borstelloze DC-motor 12V ($ 15-25)

Potentiometer ($ 0,1)

Li-po oplaadbare batterij ($ 15-25)

Stap 6: Afdrukken van onderdelen:

Alle onderdelen zijn hier verkrijgbaar bij github: Ook verkrijgbaar bij thingiverse hier:

3D-geprinte onderdelen: 1 x spindelschroef

1 x rotormoer

1 x dekselmoer

1 x hoofddeksel

4 x rotorlichaam

1 x vaste hoekrotor

4 x boven/onder ballast

2 x zijballast

De algemene conceptinstellingen van Cura, of vergelijkbaar in geselecteerde slicersoftware, zijn een goede richtlijn voor het afdrukken van alle carrosserie- en ballastonderdelen.

Stap 7: Montage: eerste stap

• Bereid de volgende onderdelen voor montage voor zoals afgebeeld:

  • Centrifugeerbasis
  • Component behuizing
  • 4 x rotorlichaam
• Alle onderdelen moeten goed op elkaar passen en worden vastgezet met geschikte lijmen

Stap 8: Montage: elektronische componenten

Bereid de volgende elektronische componenten voor om te testen:

• DC-motor en ECS
• Accu
• Arduino Nano
• Breadboard
• Potentiometer
• Doorverbindingsdraden

Codering en instructies voor de arduino zijn hier te vinden:

Artikel door

Testmotor loopt soepel en reageert op de potentiometer. Als dit het geval is, installeer dan de elektronica in de behuizing en test of de motor soepel en met weinig trillingen loopt.

Foto's van de exacte plaatsing zullen binnenkort worden toegevoegd.

Stap 9: Montage: Rotor en spinnerschroef bevestigen

Verzamel rotor, rollen, spinner en spinnermoeren.

Zorg ervoor dat alle onderdelen goed passen. Schuren kan helpen als de pasvorm te strak is.

Zorg ervoor dat de rotor een glad pad heeft en niet overmatig springt of wiebelt. Een platte schaal kan worden bedrukt of uit acryl worden gesneden om indien nodig te helpen bij de stabiliteit.

Nadat de onderdelen zijn geschuurd en gemonteerd, bevestigt u de spindelschroef op de motoras en zet u de rotor vast met de moeren zoals afgebeeld.

Rotor kan worden verwijderd voor het lossen en laden van monsters, of voor het wisselen van rotortypes.

Stap 10: Montage: ballast en deksels

Verzamel ballastcontainers aan de boven- en zijkant, deze zullen fungeren als ondersteuning, verzwaring en trillingsdemping.

Onderdelen moeten in elkaar passen en op hun plaats blijven wanneer ze gevuld zijn. Indien nodig kunnen onderdelen aan elkaar worden vastgezet met superlijm of soortgelijke lijm.

Het hoofddeksel over de rotor moet goed passen wanneer het wordt vastgemaakt met de bovenste rotormoer.

Onderdelen moeten passen zoals op de afbeelding.

Stap 11: Conclusie

Gezondheidswerkers op afstand worden geconfronteerd met de uitdaging van economische en logistieke barrières in verband met het verkrijgen en onderhouden van vitale medische en diagnostische apparaten en onderdelen. Een gebrek aan toegang tot basisapparatuur zoals centrifuges en pompsystemen kan leiden tot fatale wachttijden en verkeerde diagnoses.

Dit ontwerp heeft het gewenste resultaat bereikt door aan te tonen dat het haalbaar is om een open source medisch apparaat (een microcentrifuge) te maken, met behulp van desktopfabricagetechnieken en elementaire elektronische componenten. Het kan worden geproduceerd tegen een tiende van de kosten van in de handel verkrijgbare machines en kan gemakkelijk worden gerepareerd of gedemonteerd voor onderdelen die in andere apparaten kunnen worden gebruikt, waardoor de economische barrières worden verlaagd. De elektronische componenten leveren constant betrouwbaar vermogen gedurende de tijd die nodig is om de meest voorkomende bloedmonsters te verwerken, en bieden betere diagnostiek dan handaangedreven of outlet-units in gebieden met een lage infrastructuur. De haalbaarheid van dit ontwerp heeft toekomstig potentieel bij de ontwikkeling van een modulair open-sourceplatform van medische apparaten, waarbij een kernset van componenten wordt gebruikt om verschillende apparatuur aan te drijven, zoals peristaltische pompen of, zoals in dit ontwerp, microcentrifuges. Met de oprichting van een bibliotheek met open source-bestanden, kon toegang tot een enkele FDM-printer worden gebruikt om een reeks onderdelen te produceren, zonder dat de eindgebruiker weinig kennis van het ontwerp nodig had. Dit zou de logistieke problemen in verband met de verzending van basiscomponenten elimineren, wat tijd en levens zou besparen.