ไมโครเซนตริฟิวจ์ อุปกรณ์ชีวการแพทย์แบบโอเพนซอร์ส: 11 ขั้นตอน

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

นี่เป็นโครงการต่อเนื่องที่จะได้รับการปรับปรุงด้วยการสนับสนุนจากชุมชนและการวิจัยและการสอนเพิ่มเติม

จุดมุ่งหมายของโครงการนี้คือการสร้างอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการแบบโอเพ่นซอร์สแบบโมดูลาร์ที่ง่ายต่อการขนส่ง และสร้างจากชิ้นส่วนที่มีราคาถูก เพื่อช่วยในการวินิจฉัยโรคในพื้นที่ห่างไกลและโครงสร้างพื้นฐานต่ำ

นี่จะเป็นโครงการโอเพนซอร์ซที่กำลังดำเนินอยู่ โดยมีภารกิจในการจัดหาแพลตฟอร์มโมดูลาร์สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนและขยายได้อย่างง่ายดายด้วยต้นทุนที่ต่ำ

การออกแบบเบื้องต้นจะใช้สำหรับแบตเตอรี่โมดูลาร์และชุดมอเตอร์ DC และเครื่องหมุนเหวี่ยงขนาดเล็ก

จะขอความช่วยเหลือจากชุมชนโอเพนซอร์ซออนไลน์เพื่อช่วยเหลือในการสนับสนุน ดัดแปลง และออกแบบเพิ่มเติม เพื่อกำหนดเป้าหมายความต้องการเฉพาะของบุคลากรทางการแพทย์ในพื้นที่ห่างไกลและในชนบท

การปฏิเสธความรับผิด: โครงการยังอยู่ในระหว่างการทดสอบการออกแบบและการทำงาน และยังไม่เหมาะสำหรับการใช้งานในการวินิจฉัยหรือทางคลินิกใดๆ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และมอเตอร์จะต้องถูกประกอบและใช้งานโดยมีความเสี่ยงของผู้อ่านเอง

ขั้นตอนที่ 1: คำชี้แจงปัญหาและการออกแบบ

คำชี้แจงปัญหา:

การขาดการเข้าถึงอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการและทางคลินิกเพื่อช่วยในการวินิจฉัยและรักษาโรคทำให้มีผู้เสียชีวิตจำนวนมากในพื้นที่ห่างไกลและโครงสร้างพื้นฐานต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การขาดการเข้าถึงเครื่องหมุนเหวี่ยงที่เชื่อถือได้ขั้นพื้นฐานทำให้บุคลากรทางการแพทย์ขาดเครื่องมือสำคัญในการต่อสู้กับเชื้อโรคที่ส่งผ่านเลือด เช่น เอดส์และมาลาเรีย

คำชี้แจงการออกแบบ:เพื่อออกแบบเครื่องหมุนเหวี่ยงขนาดเล็กและแบตเตอรี่แบบแยกส่วนและชุดมอเตอร์ DC เพื่อช่วยในการวินิจฉัยและรักษาโรคที่เกิดจากโรคที่เกิดจากเลือด (เชื้อโรคและปรสิต) การใช้เทคนิคการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุที่เป็นไปได้ การออกแบบนี้พยายามที่จะปรับปรุงการพกพาและลดอุปสรรคทางเศรษฐกิจของเทคโนโลยีช่วยชีวิต

ขั้นตอนที่ 2: เหตุผลในการออกแบบ:

การออกแบบนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อผลิตไมโครเซนตริฟิวจ์ที่เหมาะสำหรับใช้ทดแทนในพื้นที่ชนบทโดยใช้การพิมพ์ FDM 3D บนเดสก์ท็อป การตัดด้วยเลเซอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกรดงานอดิเรก ในการทำเช่นนั้น หวังว่าอุปกรณ์จะสามารถเข้าถึงได้โดยผู้เชี่ยวชาญด้านสุขภาพที่หลากหลายด้วยการเข้าถึงทรัพยากรที่แตกต่างกัน

เมื่อออกแบบโรเตอร์ centrifuge (ส่วนหนึ่งของการออกแบบที่มีหลอดทดลอง):

แรง G ที่จำเป็นสำหรับการแยกตัวอย่างจะขึ้นอยู่กับชนิดของตัวอย่างที่ต้องการ โดยแรงเฉลี่ยในการแยกเลือดออกเป็นองค์ประกอบตั้งแต่ 1, 000 – 2, 000 กรัม (thermofisher.com)

การคำนวณ RPM เป็น RFC (แรง G) สามารถคำนวณได้โดยใช้ RCF = (rpm)2 × 1.118 × 10-5 × r โดยที่ 'r' คือรัศมีของโรเตอร์ (bcf.technion.ac.il)

ขั้นตอนที่ 3: ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ

ข้อควรพิจารณาในการผลิตสารเติมแต่ง:

• อาจเกิดการยึดเกาะของชั้นไม่ดี ส่งผลให้มีความต้านทานแรงดึงต่ำและชิ้นส่วนเสียหาย

• คุณสมบัติที่ต้องการจะแตกต่างกันไปตามวัสดุ บางชนิดมีแรงกดด้านข้างและกำลังอัดที่ดีที่น้ำหนักและต้นทุนต่ำ

• ต้องใช้การตั้งค่าที่ถูกต้องในระหว่างการหั่นของ G-code เพื่อให้แน่ใจว่าได้คุณสมบัติของวัสดุที่ต้องการ

• อายุการใช้งานของชิ้นส่วนที่ผลิตโดยใช้เทคนิคนี้ค่อนข้างจะต่ำเมื่อเทียบกับชิ้นส่วนที่ใช้เทคนิคและวัสดุที่มีราคาแพงกว่า เช่น เครื่องกัด CNC โลหะ

• เทอร์โมพลาสติกมีอุณหภูมิการเปลี่ยนภาพค่อนข้างต่ำ ดังนั้นต้องรักษาอุณหภูมิการทำงานที่ต่ำไว้ (< ประมาณ 80-90 องศาเซลเซียส) • การออกแบบการพิมพ์ 3 มิติแบบโอเพนซอร์สจะช่วยให้ผู้ใช้สามารถปรับเปลี่ยนการออกแบบเพื่อให้เหมาะกับความต้องการและข้อจำกัด

ข้อจำกัดในการออกแบบเพิ่มเติม:

• บางพื้นที่อาจไม่สามารถเข้าถึงพลังงานได้เพียงพอ อาจต้องใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์แบบพกพาพื้นฐาน แบตเตอรี่ ฯลฯ

• การสั่นสะเทือนและความสมดุลอาจเป็นปัญหา

• ต้องสามารถให้ RPM สูงเป็นระยะเวลาไม่เกิน 15 นาทีหรือมากกว่า ส่งผลให้เกิดความเครียดเชิงกลสูงในบางส่วน

• ผู้ใช้อาจไม่มีประสบการณ์ในการใช้อุปกรณ์และจะต้องได้รับการสนับสนุนเพื่อลดอุปสรรคทางเทคนิค

ขั้นตอนที่ 4: การออกแบบโมดูลเริ่มต้น/ฐาน

การออกแบบข้างต้นใช้พื้นที่ได้ดีที่สุดเพื่อให้มีที่ว่างเพียงพอสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ภายใน และช่วยให้มั่นใจว่ามีรัศมีเพียงพอสำหรับโรเตอร์หมุนเหวี่ยงและขนาดท่อที่หลากหลาย รูปแบบการออกแบบ 'รวมเข้าด้วยกัน' ได้รับเลือกให้ไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุรองรับในระหว่างการผลิต และเพื่อให้พิมพ์ ซ่อมแซม และผลิตได้ง่ายทั้งในการผลิตแบบเพิ่มเนื้อและแบบลดทอน นอกจากนี้ การพิมพ์ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นที่มีขนาดเล็กลงจะช่วยลดผลกระทบจากความล้มเหลวในการพิมพ์/ข้อผิดพลาด และช่วยให้สามารถใช้ขนาดแท่นพิมพ์ได้หลากหลายมากขึ้น

ด้วยการใช้ประโยชน์จากการออกแบบโมดูลาร์ ชามแบบแรงเหวี่ยงหลายประเภทอาจติดอยู่กับอุปกรณ์ การดัดแปลงและการผลิตชิ้นส่วนเหล่านี้อย่างรวดเร็วผ่านการผลิตแบบเพิ่มเนื้อทำให้สามารถเปลี่ยนแปลงแรง G และขนาดตัวอย่าง/ประเภทที่ประมวลผลได้ ช่วยให้ได้เปรียบเหนือเครื่องจักรแบบเดิมและเป็นแนวทางใหม่ในการออกแบบเครื่องจักรตามความต้องการของผู้ใช้ นอกจากนี้ คอนเทนเนอร์บัลลาสต์ยังให้โอกาสในการเพิ่มการรองรับและลดแรงสั่นสะเทือน

ขั้นตอนที่ 5: รายการชิ้นส่วน

ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติ: ไฟล์จะถูกอัปโหลดไปยัง Github และสิ่งของต่างๆ และอัปเดตโดยเร็วที่สุด

• 1 x สกรูแกนหมุน
• 1 x น็อตโรเตอร์
• 1 x ฝาอ่อนนุช
• 1 x ฝาหลัก
• 4 x ตัวโรเตอร์
• 1 x โรเตอร์มุมคงที่
• 4 x บัลลาสต์บน/ล่าง
• 2 x บัลลาสต์ด้านข้าง

อิเล็กทรอนิกส์:(ลิงก์ไปยังผลิตภัณฑ์เร็ว ๆ นี้)

Arduino นาโน ($8-10)

สายต่อ (<$0.2)

ตัวควบคุมความเร็วแบบอิเล็กทรอนิกส์ ($8-10)

มอเตอร์ DC แบบไม่มีแปรง 12V ($ 15-25)

โพเทนชิออมิเตอร์ ($0.1)

แบตเตอรี่แบบชาร์จ Li-po ($ 15-25)

ขั้นตอนที่ 6: การพิมพ์ชิ้นส่วน:

ทุกส่วนมีให้จาก github ที่นี่: นอกจากนี้ยังมีจาก thingiverse ที่นี่:

ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติ: 1 x สกรูแกนหมุน

1 x น็อตโรเตอร์

1 x ฝาอ่อนนุช

1 x ฝาหลัก

4 x ตัวโรเตอร์

1 x โรเตอร์มุมคงที่

4 x บัลลาสต์บน/ล่าง

2 x บัลลาสต์ด้านข้าง

การตั้งค่าแบบร่างทั่วไปจาก Cura หรือซอฟต์แวร์ตัวแบ่งส่วนข้อมูลที่คล้ายกันเป็นแนวทางที่ดีสำหรับการพิมพ์ส่วนประกอบทั้งหมดและบัลลาสต์

ขั้นตอนที่ 7: การประกอบ: ขั้นตอนแรก

• เตรียมชิ้นส่วนต่อไปนี้สำหรับการประกอบตามภาพ:

  • ฐานเครื่องปั่นเหวี่ยง
  • ปลอกส่วนประกอบ
  • ตัวโรเตอร์ 4 ตัว
• ชิ้นส่วนทั้งหมดควรพอดีกันและยึดด้วยกาวที่เหมาะสม

ขั้นตอนที่ 8: การประกอบ: ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์

เตรียมส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ต่อไปนี้สำหรับการทดสอบ:

• มอเตอร์กระแสตรงและECS
• แบตเตอรี่
• Arduino นาโน
• เขียงหั่นขนม
• โพเทนชิออมิเตอร์
• สายจัมเปอร์

สามารถอ่านโค้ดและคำแนะนำสำหรับ Arduino ได้ที่นี่:

บทความโดย

มอเตอร์ทดสอบทำงานได้อย่างราบรื่นและตอบสนองต่อโพเทนชิออมิเตอร์ หากใช่ ให้ติดตั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ลงในเคสและทดสอบว่ามอเตอร์ทำงานได้อย่างราบรื่นและมีการสั่นสะเทือนเพียงเล็กน้อย

รูปภาพของตำแหน่งที่แน่นอนจะถูกเพิ่มในไม่ช้า

ขั้นตอนที่ 9: การประกอบ: การต่อสกรูโรเตอร์และสปินเนอร์

รวบรวมโรเตอร์ โรลเลอร์ สปินเนอร์ และน็อตสปินเนอร์

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนทั้งหมดมีความพอดี การขัดอาจช่วยได้ถ้าพอดีตัวแน่นเกินไป

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าโรเตอร์มีเส้นทางที่ราบรื่นและไม่ข้ามหรือโยกเยกมากเกินไป สามารถพิมพ์จานแบนหรือตัดจากอะคริลิกเพื่อช่วยในการทรงตัวได้หากจำเป็น

เมื่อชิ้นส่วนผ่านการขัดและประกอบแล้ว ให้ขันสกรูสปินเนอร์เข้ากับสปินเดิลของมอเตอร์และยึดโรเตอร์ด้วยน็อตตามที่แสดง

สามารถถอดโรเตอร์เพื่อขนถ่ายและโหลดตัวอย่าง หรือสำหรับเปลี่ยนประเภทโรเตอร์

ขั้นตอนที่ 10: การประกอบ: บัลลาสต์และฝาปิด

รวบรวมภาชนะบัลลาสต์ด้านบนและด้านข้าง ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นส่วนรองรับ ถ่วงน้ำหนัก และรองรับแรงสั่นสะเทือน

ชิ้นส่วนควรเสียบเข้าด้วยกันและอยู่ในตำแหน่งเมื่อเติมแล้ว หากจำเป็น สามารถยึดชิ้นส่วนเข้าด้วยกันด้วยกาวซุปเปอร์กาวหรือกาวที่คล้ายกัน

ฝาปิดหลักเหนือโรเตอร์ควรแน่นพอดีเมื่อยึดด้วยน็อตโรเตอร์ด้านบน

อะไหล่ควรพอดีตามที่แสดงในภาพ

ขั้นตอนที่ 11: บทสรุป

เจ้าหน้าที่สาธารณสุขในพื้นที่ห่างไกลต้องเผชิญกับความท้าทายด้านเศรษฐกิจและอุปสรรคด้านการขนส่งที่เกี่ยวข้องกับการได้มาซึ่งและบำรุงรักษาอุปกรณ์ทางการแพทย์และการวินิจฉัยที่สำคัญและชิ้นส่วน การขาดการเข้าถึงอุปกรณ์พื้นฐาน เช่น เครื่องหมุนเหวี่ยงและระบบปั๊ม อาจทำให้รอนานและวินิจฉัยผิดพลาดได้

การออกแบบนี้ได้บรรลุผลตามที่ต้องการโดยแสดงให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้ที่จะสร้างอุปกรณ์ทางการแพทย์แบบโอเพนซอร์ส (เครื่องหมุนเหวี่ยงขนาดเล็ก) โดยใช้เทคนิคการผลิตเดสก์ท็อปและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน สามารถผลิตได้ในราคาหนึ่งในสิบของเครื่องจักรที่มีจำหน่ายในท้องตลาด และซ่อมแซมหรือถอดประกอบชิ้นส่วนเพื่อใช้ในอุปกรณ์อื่นๆ ได้ง่าย ช่วยลดอุปสรรคทางเศรษฐกิจ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ให้พลังงานที่เชื่อถือได้อย่างต่อเนื่องในช่วงเวลาที่จำเป็นในการประมวลผลตัวอย่างเลือดทั่วไป โดยให้การวินิจฉัยที่ดีกว่าเครื่องจ่ายไฟด้วยมือหรืออุปกรณ์จ่ายไฟ ในพื้นที่โครงสร้างพื้นฐานต่ำ ความเป็นไปได้ของการออกแบบนี้มีศักยภาพในอนาคตในการพัฒนาแพลตฟอร์มอุปกรณ์การแพทย์แบบโอเพนซอร์สแบบแยกส่วน โดยใช้ชุดส่วนประกอบหลักในการขับเคลื่อนอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ปั๊มรีดท่อ หรือในการออกแบบนี้ ไมโครเซนตริฟิวจ์ ด้วยการจัดตั้งไลบรารีของไฟล์โอเพ่นซอร์ส การเข้าถึงเครื่องพิมพ์ FDM เครื่องเดียวสามารถใช้เพื่อผลิตชิ้นส่วนต่างๆ โดยที่ผู้ใช้มีความรู้เพียงเล็กน้อยในการออกแบบที่ผู้ใช้ปลายทางต้องการ ซึ่งจะช่วยขจัดปัญหาด้านลอจิสติกส์ที่เกี่ยวข้องกับการจัดส่งส่วนประกอบพื้นฐาน ซึ่งช่วยประหยัดเวลาและชีวิต