Séptimo Coloquio Interdisciplinario de Doctorado – Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla

Diseño de Sistema Portátil para Análisis Clínico de Glucemia Carlos de Jesús Carrasco Verdín, Jesús Antonio López Ponce, Yair Almanza Armenta, José Eduardo Muñoz Pacheco, María del Rubí Salazar Amador, Alex Toledo Vázquez, Alfred Max Hofbauer Balmori, Juan Alberto Pacheco Machorro, Edel Leónido Gutiérrez Moguel, José Miguel Gutiérrez Ramírez, Dante Villavicencio Castañeda. Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla [email protected] [email protected]

Resumen El análisis clínico de glucemia es un examen que mide la cantidad de un azúcar --llamado glucosa-- en una muestra de sangre. La glucosa es una fuente importante de energía para la mayoría de las células del cuerpo, incluidas las del cerebro. Los carbohidratos que se encuentran en las frutas, los cereales, el pan, la pasta y el arroz se transforman rápidamente en glucosa en el cuerpo, lo que eleva el nivel de dicho azúcar en la sangre. Las hormonas producidas en el cuerpo llamadas insulina y glucagón ayudan a controlar los niveles de azúcar en la sangre. Para realizar un análisis de glucemia se necesita una muestra usualmente de sangre de una vena y analizada en laboratorio. La miniaturización de este tipo sistemas favorecerá a su transporte y gracias al diseño que este posee no necesitara de personas especializadas para la obtención de los resultados.

Palabras Clave Análisis de glucemia, Minilaboratorio, Análisis clínicos, Miniaturización, Sistemas de control.

1. Introducción El proyecto surge a través de una solicitud de una Empresa del ramo de los productos médicos y se trabajó a través de la vinculación con la Universidad. La complejidad para el manejo de los sistemas de análisis clínicos de glucemia, hace latente la necesidad de personal especializado para el manejo de los dispositivos que los componen lo que se ve reflejado en los costos. Esta complejidad radica en el uso de sistemas electrónicos muy avanzados que dificultan su uso, es por esto la necesidad de desarrollar un sistema miniaturizado capaz de utilizar en la mayoría de los casos, sistemas mecánicos en lugar de electrónicos para evitar la complejidad de estos, de tal forma que el uso del sistema pueda ser operado por personal con una mínima especialización en el tema, generando de esta forma una reducción importante en el costo que tienen dichos análisis. Existen varios métodos para el análisis de la glucosa en sangre que dependen del proveedor elegido (problemática de los análisis clínicos en Latinoamérica), ya que cada uno indica la manera en que se debe realizar las diferentes etapas que garanticen un buen resultado de la muestra tomada (American Diabetes Association). El método elegido para reproducir el proceso clínico es el de determinación de glucosa en suero sanguíneo mediante proceso de oxidasa/peroxidasa del proveedor Biosystems y todo el diseño del sistema está basado en este método.

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2. Objetivo Desarrollar de prototipo virtual para la miniaturización de un sistema para análisis clínico de glucemia, automático, con dimensiones máximas de 60 x 60 x 60 cm. Se da preferencia a la utilización de procesos mecánicos por sobre los electrónicos. Los consumibles se eligen bajo el método Glucosa Oxidasa/Peroxidasa de Biosystems.

3. Metodología 3.1. Método Glucosa Oxidasa/Peroxidasa de Biosystems. El método elegido para reproducir el proceso clínico es el de determinación de glucosa en suero sanguíneo mediante proceso de oxidasa/peroxidasa del proveedor Biosystem (Trinder 1969):

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4. Descripción del modelo La sangre está compuesta de dos partes, plasma y células sanguíneas. El plasma contiene diversas sustancias, entre ellas glucosa, electrolitos, proteínas y agua. El suero es la parte líquida que queda después de que la sangre se deja coagular en un tubo de ensayo. Específicamente, el suero es la parte líquida de la sangre que queda después de haber extraído una sustancia llamada fibrinógeno por medio de coagulación. Las células en la sangre abarcan glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas. La sangre se extrae de una vena, por lo general de la parte interior del codo o del dorso de la mano. El sitio se limpia con un desinfectante (antiséptico). El médico envuelve una banda elástica alrededor de la parte superior del brazo con el fin de aplicar presión en el área y hacer que la vena se llene de sangre. Enseguida, el médico introduce suavemente una aguja en la vena y recoge la sangre en un frasco hermético o en un tubo adherido a la aguja. La banda elástica se retira del brazo. Una vez que se ha recogido la muestra de sangre, se retira la aguja y se cubre el sitio de punción para detener cualquier sangrado. Cuando se inserta la aguja para extraer la sangre, se puede sentir un dolor moderado o sólo una sensación de pinchazo o picadura. Posteriormente, puede haber algo de sensación pulsátil. La forma de preparar al paciente depende del examen de sangre específico que se aplica. Muchos exámenes no requieren de ninguna preparación especial; otras veces, se le puede solicitar que evite alimentos o bebidas o que limite ciertos medicamentos antes del examen. Los valores normales de la glucemia en ayunas son entre 70 y 100 mg/dL. Si el nivel está entre 100 y 125 mg/dL significa que el paciente tiene una alteración de la glucosa en ayunas, un tipo de prediabetes; esto incrementa el riesgo para la diabetes tipo 2. Un nivel de 126 mg/dL o mayor casi siempre significa que el paciente tiene diabetes (Inzucchi 2011).

5. Detalle de implementación El sistema se compone de las siguientes partes: 5.1 Consumibles Los criterios de elección de los consumibles tanto para los tubos de ensayo y el microtubo que se tomaran son; disponibilidad, precio, material, tipo de tapa o cierre y un mismo proveedor. El criterio de elección de los consumibles para las puntas de pipeta se tomara el recomendado por el fabricante de la pipeta para así garantizar el mejor funcionamiento del mismo.  Tubos y microtubos. Se eligieron tubos comerciales con tapas pre-perforadas y perforables, que resultan muy convenientes para el proceso autónomo y son las únicas en su tipo. Son tubos de polipropileno el cual es adecuado ya que no interactúan con los reactivos que serán utilizados en la prueba, por lo tanto no se ve alterada. Se eligieron en los volúmenes recomendados por Biosystems. Particularmente el microtubo con faldón es el ideal ya que cuenta con las medidas para poder sujetarlo con el manipulador y el material de polipropileno con el que esta hecho no interactúa con el reactivo.  Puntas de pipeta. Para los desechables de las puntas de pipeta se busca el mejor funcionamiento del sistema con las puntas comerciales que correspondieron a los volúmenes y materiales requeridos. 5.2 Centrífuga La centrífuga que se desea encontrar debe cumplir con ciertas características y cumplir con ciertas especificaciones, debido a que formará parte de un conjunto de máquinas autómatas, y por lo tanto su accionamiento depende de su posicionamiento dentro de la máquina, por tal motivo a continuación se enumeran las propiedades que se desean encontrar en la centrífuga a emplear:  Fuerza centrífuga de 1250g (4287rpm)  Que la cámara o gabinete tenga una posición específica para cierto momento en el proceso.  Accionamiento automático en puntos específicos del proceso. Otro aspecto importante a destacar es el posicionamiento en un punto específico de las cubetas contenidas dentro de la cámara o gabinete, debido a su interacción con dispositivos autómatas dentro de la máquina, con lo cual se infiere que la centrífuga debe tener un accionamiento programable. 3

Carlos de Jesús Carrasco Verdín, Jesús Antonio López Ponce, Yair Almanza Armenta, José Eduardo Muñoz Pacheco, María del Rubí Salazar Amador, Alex Toledo Vázquez, Alfred Max Hofbauer Balmori, Juan Alberto Pacheco Machorro, Edel Leónido Gutiérrez Moguel, José Miguel Gutiérrez Ramírez, Dante Villavicencio Castañeda. Las centrífugas de marcas comerciales fueron descartadas por el criterio de automatización (capacidad de la centrífuga de interactuar dependiendo del posicionamiento del carrusel, con otros dispositivos, controlando su posición y funcionamiento --encendido y apagado-- en todo momento). Por tal motivo se requiere diseñar una centrífuga con las propiedades mecánicas y electrónicas que la aplicación requiere. El diseño de la centrífuga está pensado para un funcionamiento automatizado (controlado de encendido y apagado por un sistema embebido que asegura el funcionamiento óptimo del equipo). Por tal motivo sólo se debe ensamblar la centrífuga dentro del mini laboratorio, y dejar que el sistema controle el motor. Partes de la centrifuga:  Indexador y Cubetas: La placa con perno de indexado sirve para que el índex ubique la centrífuga en el lugar conocido, como se muestra en la figura 1.  Barra de contención: La barra de contención es una medida de seguridad extra, ya que aseguran que las fuerzas en la centrifuga están contenidas por el diseño.  Motor y Driver: Revoluciones nominales mayores a 4300 rpm, capacidad de carga axial mayor a 2 kg o 20 N y que sea un motor de corriente continúa. El driver debe cumplir con una alimentación para el motor de 48 V y capacidad de contar con un módulo PWM, para el control en la rampa de aceleración al encendido y apagado del motor mediante la tarjeta de control.  Sistema de Trasmisión: El sistema de transmisión cumple las especificaciones y requerimientos, sin embargo su función es obvia: transmitir la potencia del motor al eje de la centrífuga.  Indexador de posición: El indexador es el elemento que posiciona la centrífuga en el lugar adecuado para que los tubos puedan ingresar o salir del sistema, como se puede apreciar en la ilustración.

Figura 1. Centrífuga, vista superior.

5.3 Incubadora El criterio de selección se ha basado en tres aspectos fundamentales, el sistema debe contar con la potencia que le permita incrementar su temperatura a 37ºC, debe poseer un controlador que tenga la capacidad de ser regulado mediante un sistema digital externo, y que dicho controlador se maneje bajo protocolo UART. Después de una búsqueda exhaustiva no se encontró en el mercado un producto que cumpliera con los requerimientos definidos, por lo que se procedió al diseño del mismo considerando como elemento central de calentamiento a una celda de Peltier. Partes que componen a la incubadora:  Celda Peltier: El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica, ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores, la corriente produce una transferencia de calor desde una unión, que se enfría, hasta la otra, que se calienta.  Puente H: Es un circuito electrónico que permite controlar el flujo de corriente en ambas direcciones de un circuito. Son ampliamente usados en robótica y como convertidores de potencia para motores. El diseño quedaría como muestran las figuras 2 y 3. 4

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Figura 2. Incubadora, vista isométrica.

Figura 3. Incubadora, vista superior.

5.4 Espectrofotómetro El espectrómetro es un instrumento de medición que analiza el tipo de espectro que emite una fuente o que es absorbida por una sustancia que se encuentra en el camino de la luz emitido por una fuente. Estos espectros de emisión o de absorción son como una huella digital de las sustancias que forman a nuestra naturaleza. El criterio de elección del espectrofotómetro se basó en la disponibilidad del equipo, cercanía del proveedor, tamaño, peso, resolución y principalmente a la cantidad de componentes que este requiere y su sistema operativo. 5.5 Desechos biológicos. La unidad de desechos para el mini-laboratorio debe cumplir las siguientes características:  Debe contar con un mecanismo que de soporte a la liberación de tubos de ensayo y puntas de pipeta.  Debe poder sujetar/liberar una bolsa para desechos médicos.  Debe ser insertable/extraíble del cuerpo general del sistema.  No debe ocupar más de 1/8 del volumen del diseño general del laboratorio. Estas tres consideraciones son cruciales para el diseño, y hay que hacer notar que las dimensiones del mismo se encuentran en función de estos tres parámetros. El producto seleccionado es un diseño propio, que satisface los requerimientos.

Figura 4. Unidad de desechos, abierto.

Figura 5. Unidad de desechos, cerrado.

5.6 Bandeja de Entrada La bandeja de entrada para el mini-laboratorio debe cumplir las siguientes características:  Tener las dimensiones adecuadas para contener el kit de consumibles.

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Debe contar con los mecanismos necesarios para permitir el movimiento tangencial en el círculo de acción del gripper y del brazo pipeteador. Debe contar con un mecanismo de sujeción para la banda transportadora. Debe contar con un mecanismo de sujeción para el indexador; aprovechar el movimiento tangencial que tiene la bandeja de entrada para transportar el indexador y colocar la centrífuga en la posición conocida. Colocar el kit en una posición visible para el usuario y mostrarle el tubo que contiene la muestra sanguínea. Así el usuario puede decidir si quiere continuar con el estudio en el paso intermedio para tal propósito.

Estas consideraciones son cruciales para el diseño de la bandeja de entrada, y hay que hacer notar que las dimensiones se encuentran en función del kit de consumibles.

Figura 6. Bandeja de entrada, vista superior.

Figura 7. Bandeja de entrada, vista isométrica.

5.7 Brazo y gripper El brazo y el gripper para el mini-laboratorio deben cumplir las siguientes características:  El brazo debe contar con un movimiento en Z, para poder subir o bajar, también debe tener un movimiento radial para transportarse a las diferentes estaciones del mini-laboratorio.  EL gripper debe ser capaz de contener y soportar los tubos de estudio y los que contienen los reactivos.  El brazo y el gripper, deben contar con un dispositivo de sujeción para acoplarse el uno al otro.  El diseño del brazo y del gripper debe ser lo suficientemente robusto y sencillo para evitar gastos en los procesos de maquinado. El producto seleccionado es un diseño propio, pensado para un funcionamiento dentro del mini-laboratorio. Por tal motivo sólo se deben ensamblar dentro del mini-laboratorio, y permitir que el sistema interactúe con el módulo. Consta de las siguientes partes:  Perfil base del Brazo: El perfil base del brazo, es una pieza elemental, que soporta las cargas axiales y radiales debido a su diseño robusto pero sencillo.  Soporte de la banda: Los soportes para la banda son indispensables para la sujeción de la banda dentada y por consiguiente para la movilidad del brazo en el eje Z.  Soporte para el perfil base del brazo, el motor y la polea tensora: El soporte para el motor y la polea tensora, es fundamental ya que como su nombre lo indica, sujeta tres partes fundamentales del brazo, dando apoyo confiable, seguro y robusto al sistema.  Gripper: EL gripper es capaz de contener y soportar los tubos de estudio y los que contienen los reactivos, a la vez que los sostiene en posición horizontal respecto a la base. El ensamble queda como se muestra en la figura 8. 6

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Figura 8. Brazo y gripper, vista isométrica.

5.8 Pipeteador El criterio de elección del sistema de pipeteo se llevara a cabo de acuerdo a sistemas los sistemas comerciales: tamaño, peso, fácil ensamble, tipo de comunicación. El sistema elegido cuenta con un sistema bastante completo en cuanto a su funcionalidad, además de que es muy adecuado para las cantidades que se quieren manipular ya que va de 1ul-1000ul y cuenta con una resolución de 0.1ul, con un sistema con carrera en el eje Z y con proveeduría de sus propias puntas para diferentes volúmenes; se controla con un bus de comunicación CAN, su acoplamiento se lleva a cabo por 6 tornillos y sus dimensiones son las adecuadas para el sistema. 5.9 Carrusel Por las dimensiones del equipo, desempeño del pipeteador y del manipulador se necesita un mecanismo que sea capaz de llevar los componentes en una trayectoria circular y que a su vez sea capaz de soportar la carga axial que agregan estos, que cumpla con un fácil montaje y ensamblaje y que su transmisión motormecanismo sea de una alta precisión y bajo ruido. De los mecanismos se pueden destacar dos; transmisión por correa y tornillo sinfín- corona. Sin embargo es definitivo el aspecto de desgaste ya que en esto se define el tiempo de mantenimiento del sistema, bajo estos datos la mejor elección de mecanismo es la transmisión por correa ya que cuenta con un buen desempeño en la precisión y bajo ruido, estas dos características son las más importantes de mecanismo a seleccionar. Además de la polea, el sistema requiere un motor de pasos.

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6. Resultados Como resultado de la unión de cada uno de los componentes se obtuvo un prototipo virtual que satisface la obtención, medición e interpretación de un análisis clínico de glucemia bajo el método de oxidasa/peroxidasa bajo el protocolo de la empresa Biosystems. En las siguientes figuras se puede observar el ensamble final (sin la carcasa) del prototipo virtual para el análisis clínico de glucosa.

Figura 11. Minilaboratorio, vista superior.

Figura 12. Minilaboratorio, vista isométrica. En base al análisis de mercado que se realizó, este sistema resulta ser muy rentable ya que en comparación con otros dispositivos, cuenta con la ventaja de requerir personal con muy poco grado de especialización, en parte por no contar con muchos sistemas electrónicos como sus competidores, así mismo requiere de un menor número de personas para tratar la muestra, ya que es un sistema totalmente automatizado capaz de realizar las diferentes funciones que se requieren para este análisis de glucemia. Este proyecto es viable para su construcción y puesta en marcha como un modelo de negocios rentable, además de que significa un avance tecnológico considerable para la Empresa, mismo que la posicionaría como una empresa vanguardista en su sector.

7. Conclusiones La miniaturización de sistemas requiere de un amplio conocimiento multidisciplinario, ya que un sistema miniaturizado se vuelve un sistema complejo en donde intervienen partes mecánicas, eléctricas, electrónicas y sistemas de control para lograr una automatización completa. 9

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Referencias American Diabetes Association (2011) Standards of medical care in diabetes -Diabetes Care, Jan; 35 Suppl 1:S11-63. Inzucchi SE, Sherwin (2011) RS. Type 2 diabetes mellitus. In: Goldman L, Schafer AI, eds. Cecil Medicine. 24th ed., Philadelphia. Steri Beam Systems GmbH, (2001). Sterilization with http://www.steribeam.com/technology/SBS-PUV-principles.pdf

UV

Flash

Lamps.

Obtenido

de

Trinder P. (1969) Determination of glucose in blood using glucose oxidase with an alternative oxygen acceptor. Ann Clin Biochem . United States Environmental Protection Agency, (1999). Folleto Informativo de tecnología de aguas residuales. Desinfección con luz ultravioleta. Recuperado de: http://water.epa.gov/aboutow/owm/upload/2004_07_07_septics_cs-99-064.pdf

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