Abordar los desafíos de la ingeniería en dispositivos de diagnóstico

Se prevé que el mercado mundial de diagnóstico en el punto de atención alcance los $75 mil millones para 2027, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) superior a 10%. Esto se debe a la urgente necesidad de pruebas de diagnóstico rápido para detectar enfermedades infecciosas y otros factores, como el envejecimiento de la población y el aumento de las enfermedades crónicas.

Los diagnósticos en el punto de atención son pruebas que se realizan cerca o cerca de la ubicación del paciente, lo que permite diagnósticos y decisiones de tratamiento rápidos. Los ejemplos incluyen monitoreo de glucosa en sangre, pruebas de embarazo caseras y pruebas de hemoglobina, sangre oculta en heces, tiempo de protrombina, marcadores cardíacos, marcadores de orina y pruebas de enfermedades infecciosas como COVID-19.

Diseño de sistema de diagnóstico en el punto de atención.

El diseño de sistemas de diagnóstico en el punto de atención presenta varias consideraciones críticas para los equipos de ingeniería. Estos incluyen garantizar la precisión y confiabilidad de las mediciones, un funcionamiento fácil de usar y una producción escalable con procesos de fabricación validados. En las soluciones típicas de diagnóstico en el punto de atención, un lector de sistema duradero gestiona todo el ciclo de medición, mientras que dentro de un casete desechable, la combinación de la muestra con reactivos específicos amplifica el analito y lo prepara para una mayor detección.

Estos son los pasos típicos de la prueba.

A continuación, profundizaremos en cada paso (recolección, separación, amplificación, transducción, medición, visualización y transferencia) para repasar funciones, desafíos y soluciones clave.

Recopilación

Obtener una muestra del paciente y depositarla en un depósito para su posterior procesamiento requiere una forma confiable de mantener tanto la esterilidad como la facilidad de uso. Es fundamental garantizar que las herramientas utilizadas para la recolección de muestras sean estériles para evitar la contaminación y garantizar resultados precisos. Además, diseñar una experiencia fácil de usar que sea intuitiva, simple y confiable es esencial para mejorar la usabilidad del sistema de diagnóstico.

Para abordar el desafío de la recolección de muestras estériles, los equipos de ingeniería pueden concentrarse en integrar componentes en el cartucho desechable. Al reducir el número de operaciones manuales requeridas por el usuario final, se puede minimizar el riesgo de contaminación. Esta integración también contribuye a la reducción de costes de montaje y embalaje.

Para mantener la coherencia en el tamaño de la muestra y el volumen de disolvente, se puede realizar una prueba secundaria. Esta prueba proporciona una señal independiente proporcional a la concentración del material recolectado, como el ADN. Al compensar las variaciones en el tamaño de la muestra y el volumen del disolvente, se puede mejorar la precisión de la medición.

Separación

Después de la recolección, la muestra se transfiere a un cartucho desechable, que funciona como un laboratorio de diagnóstico en miniatura. En este paso, la arquitectura del fluido debe garantizar el movimiento eficiente del líquido y al mismo tiempo evitar las interrupciones causadas por impurezas o la presencia de partículas traídas a la solución por el hisopo. Además, la interfaz térmica entre el cartucho y el lector debe diseñarse cuidadosamente para lograr condiciones de temperatura controladas para el proceso de lisis.

Se pueden emplear diferentes arquitecturas fluídicas para garantizar un movimiento de líquido eficiente. Los sistemas basados en gravedad utilizan válvulas para controlar el flujo, mientras que los cartuchos en forma de disco emplean fuerza centrífuga. Algunos sistemas incorporan bombas dentro del lector o microbombas en el cartucho para crear diferenciales de presión. Soluciones avanzadas

Aprovecha las fuerzas capilares y los canales de microfluidos para una navegación líquida precisa. También se pueden implementar mecanismos de filtrado para eliminar impurezas antes de que el líquido avance a través del sistema.

Para la interfaz térmica, son cruciales tolerancias precisas y la ausencia de espacios de aire entre los bloques calefactores del lector y el hueco del cartucho. El uso de una alfombra de goma suave y térmicamente conductora puede mejorar la interfaz térmica. Los sensores de temperatura colocados en el lector ayudan a lograr condiciones de temperatura controladas durante el proceso de lisis.

Figura 1 – Ejemplo de estructura fluídica y elementos principales en un cartucho

Los pasos posteriores a la lisis requieren la transferencia de la solución a un nuevo pozo y el diseño de canales fluídicos para garantizar un movimiento preciso del líquido sin atrapar burbujas de aire. En el caso de arquitecturas de múltiples pozos, se debe garantizar una distribución equitativa del líquido entre las ramas y el llenado simultáneo de los pozos.

Para lograr un movimiento de líquido preciso, se pueden utilizar microbombas en el lector para crear diferenciales de presión. Los electrodos colocados en diferentes puntos de entrada a lo largo del camino pueden informar a la electrónica sobre la posición del líquido en el cartucho.

El diseño de características fluídicas, incluidos pozos, válvulas y canales, requiere una ingeniería y una optimización cuidadosas. Los avances recientes en simulaciones de microfluidos en 3D pueden reducir significativamente el tiempo necesario para optimizar la arquitectura del cartucho, lo que permite iteraciones de diseño más eficientes.

Abordar los desafíos en la arquitectura fluídica y el diseño de la interfaz térmica implica emplear varias arquitecturas fluídicas, implementar mecanismos de filtrado, optimizar la interfaz térmica, utilizar microbombas y electrodos y emplear membranas de bloqueo. Estas soluciones contribuyen al procesamiento eficiente de muestras y al movimiento preciso de líquidos en sistemas de diagnóstico en el punto de atención.

Amplificación

En este paso, el dispositivo de diagnóstico en el lugar de atención debe amplificar la baja concentración del analito utilizando tecnología basada en PCR u otros medios moleculares. Los reactivos utilizados en el proceso de amplificación deben someterse a controles de sensibilidad, especificidad y efectos térmicos. La degradación de los reactivos y la sensibilidad a la humedad son cuestiones clave en la fabricación, especialmente cuando se utilizan reactivos preliofilizados en forma de perlas. El ensamblaje del casete debe realizarse en un ambiente controlado de baja humedad y sellado con barreras contra la humedad y desecantes para evitar la degradación del reactivo.

Figura 2: Accesorio automatizado para singularizar e insertar perlas en el pozo.

Las soluciones de fabricación para sellar canales incluyen adhesivos sensibles a la presión, pegado con curado UV, soldadura láser selectiva o moldeado multidisparo. La elección del método de sellado puede requerir una prueba 100% de la función de sellado durante la producción.

Garantizar la eficiencia y la uniformidad del calentamiento es esencial cuando se inserta el cartucho en el lector. El disipador de calor, normalmente hecho de aluminio o cobre, es responsable de subir y bajar la temperatura del pozo de reacción. La masa del disipador de calor debe minimizarse para reducir la carga térmica y el consumo de energía manteniendo al mismo tiempo una distribución uniforme de la temperatura.

Figura 3 – Simulación térmica de un cartucho con ocho pocillos

Diseñar el esparcidor de calor con el espesor óptimo garantiza una distribución uniforme de la temperatura y un calentamiento uniforme. El análisis térmico y la simulación adecuados contribuyen al rendimiento general del sistema lector de cartuchos. La integración de ventiladores puede acelerar el proceso de enfriamiento, pero es necesario controlar los niveles de ruido y el mantenimiento regular de los filtros de aire para garantizar un sistema de enfriamiento limpio y eficiente.

Transducción

En el paso de transducción, el diseño del material del casete debe ser transparente por un lado para mediciones ópticas y al mismo tiempo proporcionar un calentamiento efectivo a través de un disipador de calor metálico opaco. Resolver estos requisitos contradictorios exige soluciones de ingeniería innovadoras.

Para lograr un equilibrio entre la eficiencia térmica y la accesibilidad óptica, es necesario optimizar cuidadosamente la selección de materiales y el diseño del disipador de calor metálico.

Un posible enfoque es incorporar características como ventanas o secciones transparentes en el material del casete para permitir el paso de la luz y al mismo tiempo proporcionar un calentamiento eficaz a través del disipador de calor. Las simulaciones ópticas precisas también pueden permitir el uso del otro lado del pozo para mediciones ópticas.

Un enfoque alternativo es la adopción de un calentador flexible impreso conectado directamente al cartucho. Esto elimina la interfaz térmica con el lector y la reemplaza con una interfaz eléctrica para alimentar la resistencia de calentamiento a través de contactos de resorte. El calentador flexible impreso reduce la masa térmica y la resistencia, lo que permite un control de temperatura más preciso y sensible. Garantiza un control de temperatura rápido y preciso durante el ciclo térmico.

La calefacción también juega un papel importante en el consumo de energía del sistema y, en última instancia, toda ella se desperdicia. Esto tiene implicaciones para la selección de la capacidad de la batería en dispositivos portátiles, influyendo en el tamaño y peso de la solución. También contribuye a una mayor huella de carbono.

Para abordar las preocupaciones sobre el consumo de energía y la huella de carbono, es importante optimizar la eficiencia del sistema de calefacción. Esto puede implicar el uso de calefacción innovadora.

tecnologías, como los calentadores flexibles impresos, que proporcionan un control más preciso de la temperatura y reducen el desperdicio de energía. Además, explorar fuentes de energía alternativas o estrategias de ahorro de energía puede ayudar a minimizar el consumo total de energía del sistema.

Medición

Al convertir la intensidad de la luz emitida en un valor numérico, el diseño del sistema óptico es crucial, ya que requiere una recolección y enfoque adecuados de la luz láser o LED en la muestra líquida. La longitud de onda de la fuente de luz debe alinearse con el ancho de banda de aceptación del reactivo etiquetado.

Durante el ciclo de amplificación, la señal eléctrica inicialmente permanece constante y luego surge una rampa a medida que la amplificación alcanza el nivel apropiado. Los diferentes métodos de amplificación, como los basados en PCR o RT-LAMP, generan diferentes patrones de respuesta.

El diseño óptico requiere un enfoque de arquitectura del sistema, considerando aspectos mecánicos, eléctricos y de software. Las simulaciones y el análisis R&R del sistema de medición pueden ayudar a optimizar el sistema. Se pueden emplear técnicas de multiplexación para reducir el costo de la conversión óptica a eléctrica, ya sea mediante la activación de fuentes de luz en tiempo compartido o utilizando múltiples reactivos que emiten luz en diferentes longitudes de onda.

Una vez que la luz emitida se enfoca en el fotodiodo, se convierte en una señal eléctrica que debe amplificarse y protegerse del ruido externo. Un buen diseño, disposición y blindaje eléctricos son esenciales para evitar interferencias electromagnéticas. Luego, la señal amplificada se convierte en una forma numérica mediante un convertidor analógico a digital (ADC) para su posterior procesamiento de software. La elección del ADC y su configuración debe considerarse cuidadosamente para garantizar su exactitud y precisión.

Los algoritmos de procesamiento de señales varían según la solución específica, desde simples curvas de calibración lineal hasta arquitecturas más complejas basadas en el aprendizaje automático. El objetivo es garantizar la eficiencia y la rentabilidad y, al mismo tiempo, ofrecer resultados fiables. Finalmente, la capacidad de correlacionar los resultados con los de un laboratorio central es crucial en ciertos escenarios, lo que permite comparar y analizar cambios temporales en las mediciones.

Mostrar

Para dispositivos simples, se utilizan indicadores verdes y rojos para informar al usuario sobre la presencia o ausencia del analito. En dispositivos más complejos, se emplea una pantalla táctil a color para guiar a los usuarios a través de los pasos de preparación, mostrar el estado de la máquina y mostrar mediciones cuantitativas.

Figura 6 – Interfaz táctil con pistas conductoras insertadas como una película durante el proceso de moldeo del cartucho

Los avances en los algoritmos de procesamiento permiten la recreación de botones y perillas giratorias en pantallas táctiles, brindando una experiencia táctil con retroalimentación háptica. Una lente de policarbonato protege el área de la pantalla, asegurando la entrada de líquidos y protección contra descargas electrostáticas (ESD). Alternativamente, las opciones de conectividad como Bluetooth permiten una conexión perfecta a tabletas o teléfonos inteligentes, creando una interfaz integral sin aumentar significativamente el costo. Esto aprovecha la familiaridad de los dispositivos móviles para brindar una experiencia intuitiva y fácil de usar. En entornos con múltiples lectores, se puede usar una tableta para monitorear y controlar todos los lectores simultáneamente, simplificando la administración y agilizando el proceso de prueba para aumentar la eficiencia y la productividad.

Transferir

Los dispositivos de punto de atención pueden beneficiarse de la incorporación de puertos de conectividad por cable o capacidades WiFi/5G, lo que permite una importante automatización de datos. La utilización de módulos precalificados permite soluciones modulares y posibles actualizaciones, lo que mejora la versatilidad del dispositivo. La conectividad por cable o inalámbrica permite la carga directa de datos a un sistema basado en la nube, lo que agiliza la gestión de datos.

La inclusión de un lector de códigos de barras garantiza una recopilación de datos precisa y sin errores al capturar de manera eficiente la información del usuario a partir de códigos QR o formularios de registro. Para proteger la información confidencial, se pueden implementar funciones de cifrado y firma de certificados, mejorando la seguridad y la privacidad. Es posible que sean necesarias actualizaciones de software para admitir cartuchos nuevos o permitir análisis específicos, garantizando que el dispositivo permanezca actualizado. Las simulaciones de radiofrecuencia ayudan a mantener un rango de conectividad confiable en dispositivos portátiles, asegurando que la presencia de la mano no afecte la eficiencia de la antena del dispositivo.

Otros avances en la tecnología del punto de atención

Hay varias tecnologías interesantes en desarrollo que tienen el potencial de revolucionar pronto el diseño y la producción de dispositivos de diagnóstico en el punto de atención:

Conclusión

Cada paso y bloque tecnológico dentro de un dispositivo de diagnóstico en el punto de atención presenta sus propios desafíos de diseño únicos para los equipos de ingeniería, pero al abordar estos desafíos, los fabricantes de dispositivos médicos pueden garantizar resultados precisos, confiables y fáciles de usar que satisfagan la demanda urgente de pruebas rápidas y precisas.

Al involucrar a un socio experimentado en fabricación y cadena de suministro como Flex al principio del ciclo de desarrollo del producto, los fabricantes pueden moverse con mayor agilidad y mejorar aún más el proceso de diseño.