Πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα ηλεκτροφόρησης

Έκθεση ανάλυσης απαιτήσεων 

 

Ως αρχή ανάπτυξης θα πρέπει να τεθούν οι προδιαγραφές και τα όρια για τη νέα συσκευή. Είναι φανερό ότι είναι μάλλον αρκετά αμφίβολο ότι μπορεί να αναπτυχθεί μία συσκευή που να εκτελεί όλα τα είδη αναλύσεων σε όλους τους τύπους ηλεκτροφόρησης. Αν και κάτι τέτοιο θα αποτελούσε την ιδανική περίπτωση, ο συνολικός αριθμός των περιπτώσεων και των σχεδιαστικών παραμέτρων που θα απαιτούνταν, θα καθιστούσαν ανέφικτη  την υλοποίηση και χρήση μίας τέτοιας συσκευής. Ένα ανάλογο συμπέρασμα προκύπτει και από την αγορά, καθώς οι συσκευές ηλεκτροφόρησης διακρίνονται κυρίως ανάλογα με το υπόστρωμα που χρησιμοποιούν.

Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη το πιθανό εύρος και εφαρμοσιμότητα της συσκευής, λήφθηκε η απόφαση υλοποίησης μίας συσκευής οριζόντιας ηλεκτροφόρησης σε υπόστρωμα αγαρόζης. Η οριζόντια ηλεκτροφόρηση αποτελεί μία αρκετά διαδεδομένη κλινική εφαρμογή, όπως επίσης και η χρήση του υποστρώματος αγαρόζης, αν κρίνει κανείς από τη σχετική ευκολία εύρεσης των απαραίτητων αναλωσίμων.

Μία άλλη σημαντική παράμετρος αποτελεί το εύρος των αναλύσεων που θα μπορεί να εκτελέσει η εν λόγω συσκευή. Όπως αναφέρθηκε η ηλεκτροφόρηση ως τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανάλυση πρωτεϊνών, DNA κτλ. Έτσι κρίθηκε σκόπιμο η νέα συσκευή να μην επεκταθεί σε αναλύσεις DNA οι οποίες εκτελούνται κυρίως με συσκευές κάθετης ηλεκτροφόρησης και επιπλέον με άλλες μεθόδους, πλην της ηλεκτροφόρησης.

Ένα βασικό σύνολο αναλύσεων-προγραμμάτων που είναι σκόπιμο να εκτελεί η νέα συσκευή, ώστε να καλύπτει με ασφάλεια ένα μεγάλο εύρος πιθανών εφαρμογών περιλαμβάνει τα παρακάτω:

• Ηλεκτροφόρηση πρωτεϊνών
• Ανοσοδιέγερση (immunofixation)
• Ηλεκτροφόρηση αιμοσφαιρίνης
• Ηλεκτροφόρηση λιποπρωτεϊνών
• Ηλεκτροφόρηση ισοενζύμων

3D μοντέλο συσκευής ηλεκτροφόρησης

 

Το πρώτο στάδιο για την υλοποίηση της συσκευής, αφορά στη 3D σχεδίαση όλων των επιμέρους τμημάτων για το σχηματισμό του πλαισίου ανάπτυξης του νέου προϊόντος. Το αποτέλεσμα του παραδοτέου είναι η δημιουργία ψηφιακών αρχείων υπό τη μορφή λογισμικού που περιγράφουν λειτουργικά τα επιμέρους τμήματα της συσκευής ηλεκτροφόρησης. Τα ψηφιακά αρχεία είναι αναλυτικά και σχεδιασμένα με λεπτομέρεια ώστε να είναι δυνατή τόσο η τρισδιάστατη εκτύπωση των επιμέρους λειτουργικών τμημάτων της συσκευής αλλά και κατασκευή τους σε μηχανολογικά εργαστήρια. Επιπλέον η 3D αναπαράσταση της συσκευής στα ψηφιακά αρχεία είναι πλήρως λειτουργική ώστε να μελετηθούν τα κινούμενα τμήματα της συσκευής. Ο σχεδιασμός της συσκευής ξεκίνησε με την μελέτη και επιλογή βασικών στοιχείων της διαδικασίας ηλεκτροφόρησης, που αφορούν (i) στο φιλμ αγαρόζης και (ii) στους δοκιμαστικούς σωλήνες που κυκλοφορούν στο εμπορίου και έχουν τυποποιημένες διαστάσεις.

Έκθεση τεχνικών προδιαγραφών συσκευής 

 

            Τεχνικές Προδιαγραφές Μηχανολογικών Τμημάτων

            Λαβίδα λήψης δειγμάτων

            Σχεδιασμός αυτόματου συρταριού και μηχανισμού αυτόματης καταγραφής δειγμάτων.

            Σχεδίαση δοχείου πλύσης λαβίδων

            Σχεδίαση πλαισίου στήριξης, μεταφοράς φιλμ δειγμάτων και  θάλαμος ηλεκτροφόρησης

            Σχεδίαση δοχείου χρώσης  και απόχρωσης

            Σχεδίαση στεγνωτηρίου φιλμ

            Σχεδιασμός θαλάμου φωτογράφησης φιλμ

            Σχεδιασμός ρομποτικού βραχίονα συσκευής

 

            Τεχνικές Προδιαγραφές Ηλεκτρολογικών και Ηλεκτρονικών Τμημάτων

            Τροφοδοτικό βασικές τεχνικές προδιαγραφές

            Κινητήρες και οδηγοί αυτών

 

            Τεχνικές Προδιαγραφές λοιπών HW και SW Τμημάτων

            Οθόνη αφής

            Μικροϋπολογιστής

            Κάρτες εισόδων-εξόδων

Κατασκευή μηχανολογικών τμημάτων συσκευής

 

Με απλά λόγια η βασική μηχανολογική διάταξη η οποία σχεδιάστηκε εξ αρχής και εκ του μηδενός για τη νέα αυτοματοποιημένη συσκευή ηλεκτροφόρησης.

Στρατηγικά, η υλοποίηση της ΕΕ2 αποτελεί την πρώτη ουσιαστικά αμιγώς τεχνική ΕΕ της κατασκευής της συσκευής ηλεκτροφόρησης. Αποτελεί το υπόβαθρο, πάνω στο οποίο αναπτυχθήκαν το σύνολο των υπολοίπων τμημάτων, κυρίως του ρομποτικού βραχίονα και των ηλεκτρολογικών ηλεκτρονικών τμημάτων για να ακολουθήσει στη συνέχεια η κρίσιμη και καθοριστικής σημασίας ολοκλήρωση όλων των υποσυστημάτων σε ενιαίο σύνολο με τη βοήθεια και εξειδικευμένων εφαρμογών λογισμικού.

Πλήρως λειτουργικός αυτόματος ρομποτικός βραχίονας 

 

Το παραδοτέο 3.1 αφορά στην πιλοτική κατασκευή του αυτόματου ρομποτικού βραχίονα εντός της αυτοματοποιημένης συσκευής ηλεκτροφόρησης. Το εξαγόμενο αποτέλεσμα του παραδοτέου είναι ο κατασκευασμένος και πλήρως λειτουργικός αυτόματος ρομποτικός βραχίονας που είναι διαθέσιμος προς επίδειξη από την ομάδα έργου. Στην παρούσα συνοδευτική έκθεση θα πραγματοποιηθεί μια σύντομη περιγραφή από μηχανολογική άποψη για την πιλοτική κατασκευή του αυτόματου ρομποτικού βραχίονα ο οποίος θα χρησιμοποιηθεί για την αυτοματοποιημένη μετατόπιση δειγμάτων, φιλμ κλπ.από την αρχή έως και το τέλος της ηλεκτροφόρησης.

 

Ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα υποστήριξης της κίνησης του ρομποτικού βραχίονα

 

Έκθεση καταγραφής λειτουργικών χαρακτηριστικών του ρομποτικού βραχίονα και των ηλεκτρονικών και ηλεκτρολογικών τμημάτων

 

Για την διεξαγωγή της ηλεκτροφόρησης, ο βραχίονας εκτελεί τρεις φάσεις λειτουργίας που ρυθμίζονται από τη συσκευή ΑΕΜ. Μια τέτοια περίπλοκη συσκευή απαρτίζεται από πλήθος ηλεκτρονικών και ηλεκτρολογικών συσκευών, διατάξεων και εξαρτημάτων των οποίων η λεπτομερής περιγραφή στην παρούσα έκθεση καθίσταται περιττή λόγω πολυπλοκότητας. Η τροφοδοσία της συσκευής πραγματοποιείται από το Ευρωπαϊκό Δίκτυο Χαμηλής Τάσης (230V, 50 Hz) ενώ η αλληλεπίδραση συσκευής-χρήστη επιτυγχάνεται μέσω κεντρικής μονάδας ελέγχου. Η κεντρική μονάδα ελέγχου του συστήματος είναι ένας mini υπολογιστής που διαθέτει το λειτουργικό σύστημα Windows 10. Ο υπολογιστής αυτός λαμβάνει εντολές από τον χειριστή μέσω μιας οθόνης αφής. Η όλη διαδικασία είναι πλήρως αυτοματοποιημένη χάρη σε έναν μικροϋπολογιστή τύπου ArduinoMega ο οποίος λειτουργεί παίρνοντας εντολές από την κεντρική μονάδα αλλά και αυτόνομα  σε πραγματικό χρόνο.

Λογισμικό σάρωσης, επεξεργασίας και διαχείρισης δεδομένων

 

Στον υπολογιστή της συσκευής τρέχει η εφαρμογή (application) η οποία  εκπονήθηκε από τη ομάδα έργου για να δώσει στο χειριστή τη δυνατότητα να επικοινωνεί με τη συσκευή με ένα φιλικό και αποδοτικό τρόπο.

Το πρόγραμμα έχει γραφεί στη γλώσσα Visual C#  σε περιβάλλον Microsoft Visual Studio.

Η εφαρμογή χειριστή (application interface) που τρέχει στον υπολογιστή της συσκευής  είναι υπεύθυνη για την επικοινωνία του χρήστη με τη συσκευή και υλοποιεί την ομαλή πορεία της ηλετροφόρησης.

Η εφαρμογή υλοποιεί  όλες τη διαδικασία με φιλικό για το χρήστη τρόπο καθώς μεταφράζει κάθε στάδιο τις διαδικασίας στις απαραίτητες εντολές προς τον  ελεγκτή Arduino Μega. Οι εντολές αυτές στέλνονται στον ελεγκτή με αυστηρά προγραμματισμένη σειρά μέσω της σειριακής θύρας USB (com3) του ελεγκτή.

Πρόγραμμα σε μικροεπεξεργαστή για την διαχείριση του ρομποτικού βραχίονα 

 

Το παραδοτέο 4.2 αφορά στην ανάπτυξη της απαραίτητης εφαρμογής λογισμικού firmware σε μικροεπεξεργαστή για τον έλεγχο την κίνησης του ρομποτικού βραχίονα. Το εξαγόμενο αποτέλεσμα του παραδοτέου είναι το πρόγραμμα λογισμικού του ελεγκτή που είναι υπεύθυνο για την εκτέλεση όλων των λειτουργιών του αυτόματου ρομποτικού βραχίονα.

 

Έκθεση καταγραφής λειτουργικών χαρακτηριστικών software και firmware

 

 

Το παραδοτέο 4.3 αφορά στην ανάπτυξη έκθεσης που αποτυπώνει το σύνολο των λειτουργικών των λογισμικών που συμβάλουν στην απρόσκοπτη λειτουργία της Μηχανής Αυτόματης Ηλεκτροφόρησης (Automated Electrophoresis Machine – AEM). Τα λογισμικά μπορούν να χωριστούν στα εξής τρία υποσυστήματα: (i) λογισμικό ελεγκτή, (ii) λογισμικό σάρωσης ανάλυσης και επεξεργασίας δεδομένων και (iii) λογισμικό διαχείρισης συσκευής ηλεκτροφόρησης.

Κατάθεση του αρχικού πρωτοτύπου με ανάλυση θεμάτων τόσο σε επίπεδο κατασκευής όσο και επίπεδο υλικού - λογισμικού και λειτουργιών 

 

 

 

Στόχος του παραδοτέου αυτού είναι η παρουσίαση της πρώτης ολοκληρωμένης προσπάθειας για τη δημιουργία της συσκευής ηλεκτροφόρησης ΑΕΜ (Αutomated Electrophoresis Machine). Το αρχικό πρωτότυπο προέκυψε από την ολοκλήρωση των επιμέρους τμημάτων και έχει τη δυνατότητα να κάνει εργαστηριακές αναλύσεις αίματος με τη μέθοδο της ηλεκτροφόρησης, πλήρως αυτοματοποιημένα. Η ανθρώπινη παρέμβαση περιορίζεται μόνο στη φόρτωση της συσκευής με τα δείγματα αίματος και την αναπλήρωση των αναλωσίμων. Όλα τα υπόλοιπα βήματα της διαδικασίας είναι αυτόματα. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ενός πλήρους αυτοματοποιημένου συνόλου συστημάτων και διασυνδεδεμένων συσκευών που είναι σχαδιασμένα να εκτελούν  με ακρίβεια το σύνολο της διαδικασίας.

 

Ολοκληρωμένη και πλήρως λειτουργική συσκευή ηλεκτροφόρησης (τελικό πρωτότυπο) σε επίπεδο προϊόντος 

 

Η συσκευή ηλεκτροφόρησης ΑΕΜ (Αutomated Electrophoresis Machine) έχει τη δυνατότητα να κάνει εργαστηριακές αναλύσεις με τη μέθοδο της ηλεκτροφόρησης, πλήρως αυτοματοποιημένα. Η ανθρώπινη παρέμβαση περιορίζεται μόνο στη φόρτωση της συσκευής με τα δείγματα και την προσθήκη των αναλωσίμων. Όλα τα υπόλοιπα βήματα της διαδικασίας έχουν αυτοματοποιηθεί πλήρως.

Το πρώτο στάδιο για την υλοποίηση της συσκευής ηλεκτροφόρησης, αφορούσε στο σχεδιασμό των επιμέρους τμημάτων της συσκευής με αναλυτικά κατασκευαστικά σχέδια και 3D προοπτικά όλων των επιμέρους τμημάτων για το σχηματισμό του πλαισίου ανάπτυξης του νέου προϊόντος. Στο δεύτερο στάδιο (Π5.1) κατασκευάστηκε το πρώτο πρωτότυπο, βάσει του οποίου έγιναν παρατηρήσεις και βελτιώσεις που οδήγησαν στην παρούσα έκδοση της μηχανής ΑΕΜ.

Έκθεση λειτουργικότητας συσκευής 

 

Η συσκευή ηλεκτροφόρησης ΑΕΜ έχει τη δυνατότητα να κάνει εργαστηριακές αναλύσεις αίματος με τη μέθοδο της ηλεκτροφόρησης, πλήρως αυτοματοποιημένα. Η ανθρώπινη παρέμβαση περιορίζεται μόνο στη φόρτωση των δειγμάτων αίματος στην συσκευή και την αναπλήρωση των αναλωσίμων. Όλα τα υπόλοιπα βήματα της διαδικασίας λειτουργούν αυτόματα.

Το πρώτο στάδιο για την υλοποίηση της συσκευής ηλεκτροφόρησης, αφορούσε στο σχεδιασμό των επιμέρους τμημάτων της συσκευής με αναλυτικά κατασκευαστικά σχέδια και 3D προοπτικά σχέδια όλων των επιμέρους τμημάτων για το σχηματισμό του πλαισίου ανάπτυξης του νέου προϊόντος. Στο δεύτερο στάδιο (Π5.1) κατασκευάστηκε το πρώτο πρωτότυπο, βάσει του οποίου έγιναν παρατηρήσεις και βελτιώσεις που οδήγησαν στην παρούσα έκδοση της μηχανής ΑΕΜ.

 

Εγχειρίδια χρήσης της συσκευής στα Ελληνικά και τα Αγγλικά (ΑΤΕΙΘ, Έκθεση, Μήνας 24)

Τεχνοοικονομική αξιολόγηση αποτελεσμάτων (EVRESIS, Έκθεση, Μήνας 22)

Πλάνο αξιοποίησης αποτελεσμάτων (EVRESIS, Έκθεση, Μήνας 24)

Δημιουργία τουλάχιστον 2 δημοσιεύσεων σε διεθνή περιοδικά/συνέδρια (ΑΤΕΙΘ, Δημοσίευση, Μήνας 24)