Design of fluidics driving board for compact point-of-care devices

The need for fully integrated and automated diagnostics solutions for human health is increasing, fueled by the widespread tendency of the industry to offer portable approaches enabled by the latest technological improvements in many medical sectors. CSEM S.A. (Centre Swisse d’Electronique et Microtechnologie), a Swiss based R&D company funded by privates and the Swiss government, has been working towards a highly versatile, easily customizable solution that allows non-invasive, point-of-care body fluid testing even for non-medically skilled users. This was accomplished by switching from the analog color-changing dipsticks, which are error-prone due to the human factor, to a digitally quantitative measurement approach. As a result, the obtained data can be shared with the physician, with all the benefits that come from point-of-care devices. The modularity of the system derives from the stacking strategy used throughout the design phase. A main board, housing the μC (microcontroller), memory, Bluetooth chip and battery, is acting like a central computer and a board-to-board connector allows this main board to communicate with other peripheral boards, including the analog front-end board that carries out the electrochemical measurements. The laboratory validation of the previously developed analog front end was carried out in the Laboratory. The preexisting firmware was then customized so that it would allow automatic execution of measurement routines without requiring the presence of a user that would manually start or stop measurements. A fluidic actuation board, developed as a stackable module, capable of automating all liquid handling procedures was then designed and manufactured, and the firmware was coded to allow it to cooperate with the reader.

La necessità di soluzioni complete, compatte e automatizzate in campo sanitario è in continuo aumento, alimentata dalla tendenza dell’industria ad offrire agli utenti dei dispositivi portatili, cosa possibile solo grazie ai recenti avanzamenti in tutte le tecnologie riguardanti l’ambito biomedicale. CSEM S.A. (Centro Svizzero di Elettronica e Microtecnologie), una compagnia Svizzera finanziata in parte dallo stato ed in parte da privati, che si occupa di Ricerca e sviluppo in ambito industriale, ha lavorato per cercare di realizzare una soluzione versatile e facilmente adattabile che possa permettere anche a individui non esperti in medicina di effettuare una analisi non invasiva dei fluidi corporei. A questo scopo, la strategia adottata è stata quella di cambiare metodo di misura, dall’approccio analogico delle strisce cambia colore che spesso porta ad errori di interpretazione, a un approccio digitale quantitativo tramite sensori elettrochimici. Il risultato è che i dati così ottenuti possono essere condivisi con il medico o dottore, portando tutti i benefici dei dispositivi point-of-care. La modularità del sistema deriva dalla strategia adottata durante la fase di design basata sul concetto di interconnessione verticale. Una MainBoard, che alloggia il microcontrollore, memoria, batteria e chip Bluetooth, fa da controllore centrale e attraverso un connettore scheda-scheda comunica e pilota con altri moduli impilati sopra ad essa. Tra questi, una scheda dedicata appunto a misure elettrochimiche. Una prima validazione della piattaforma è stata effettuata nel laboratorio di chimica, poi il firmware è stato modificato per permettere l’esecuzione automatica di un protocollo di misure, evitando la necessità di un controllo manuale. Un altro modulo per lo stack è stato sviluppato, il suo scopo è quello di pilotare pompe e valvole, in modo da poter rendere automatiche anche le operazioni fluidiche. Il firmware scritto per questa scheda le permette di cooperare con il lettore elettrochimico quando sta effettuando una misura automatica oppure di lavorare in autonomia quando collegata ad un computer.