Mclennan is proud to provide motion control for the University of Liverpool’s ‘bedside’ diagnostic instrument for sepsis
Ash Vale, Surrey, UK – September 2015: Mclennan has been working with scientists and researchers at the University of Liverpool over the past two years to help develop a portable prototype diagnostic instrument that will perform a straightforward, quick, and robust test for detecting sepsis in patients from a small sample of blood. Sepsis is a bacterial infection of the blood, causing potentially fatal whole-body inflammation that injures tissue and organs. The condition may be overcome if treated early with antibiotics and intravenous fluids, but current tests can take up to two days to identify the condition, by which time a treatment regime can be ineffective. Scientists at the University have a successful method of detecting the infection at its early stages and are translating this test into a point-of-care device for improved ease and speed of diagnosis.
It is envisaged that rapid diagnosis can be a reality in the future to combat the condition which annually affects 18 million people worldwide and reportedly costs the NHS over £2billion. The project was funded by the National Institute for Health Research (NIHR) under the Invention for Innovation (i4i) programme (II-LS-1010-10045) which provides guided progression of innovative medical product prototypes via commercial development; aiming for eventual use in the clinical environment for the benefit of patients in the NHS.
The sepsis instrument and test, which has been protected via several patent applications, is a fairly simple application that could be described as a textbook example where motion control is used as an enabling technology to facilitate amazing science. With the small blood sample loaded into a specially developed multi layered disc which is about the size of a CD, the single axis machine combines high speed controlled ‘spinning’ of the disc to centrifugally separate the blood plasma and then performs precision indexing to rotate it through one or two revolutions to various positions where chambers containing biomarked and unmarked ‘control’ plasma samples are presented for microfluidic examination. Simply put, the difference between the sample and control determines the result. The disposable discs would be manufactured relatively inexpensively making the whole test a very economic as well as effective solution.
Initially, a very brief specification was delivered to engineers at Mclennan and as with many research projects there was sparse information about load characteristics and even some secrecy about the application as well as budget restrictions. Dr Dominic Banks, the research fellow working on the project, based at the University of Liverpool’s Institute of Infection and Global Health recalls, “We had a basic outline of the functions we needed, and more than anything required the flexibility in the motion controller to develop the project as we progressed along the development path”.
To meet the budget and prove the process for the first prototype machine Mclennan supplied an open loop stepper motor drive. From the control requirements given at the time, it was clear that an intelligent drive with I/O and maths capability could possibly take on most of the machine functions. As the exclusive UK distributor for Applied Motion Products (AMP), its ST series intelligent microstepping drives proved to adequately provide the instrument control requirements.
As the ST series stepper drive essentially uses the same programming and has similar functionality to AMP’s servo range, it was an easy transition when the instrument was further developed and servo motor control with high resolution position feedback was specified to meet more exacting positional requirements as well as provide the compactness and low audible noise levels that were needed for the envisioned point-of-care bedside version.
Dr Banks had an eye on the servo route from the outset, “We were most interested to learn that the AMP stepper and servo versions were scalable – this was a deciding factor to initially go with Mclennan so as to make the transition more seamless when funding was increased”.
AMP SV7 series intelligent drives combine many progressive features for digital servo control including advanced current control and Ethernet communications that proved useful for programming and developing the application. Programming was taken care with AMP’s ‘Q ProgrammerTM’ language – a multi-tasking BASIC like language with stored program execution, maths functions and conditional processing. A simple LCD display and pushbutton panel connected to the drive is used to initiate and run the SV7 program that includes data registers along with I/O for various functions including interaction with the microfluidic examination process developed by the University. Sample processing is completed automatically with the results displayed on screen. It would be possible to output this information to a PC for further use.
In the latest prototype version these same components are included in a miniaturised model developed by the Liverpool team that demonstrates how the machine may look in full production. “Mclennan has worked very closely with us from the outset and provided vital information and support for the instruments motion control functionality which will prove invaluable going forward”, says Banks.
The project if continued would of course be cost reduced, and for Mclennan it would be unlikely that the AMP SV7 intelligent drive, servomotor and encoder would be selected but through the capability to design and supply customised mechatronic solutions the Hampshire based motion specialist may well play a role in the sepsis instrument’s future.
Graham Wingate, Mclennan’s Sales Director summarises, “Research based applications like the sepsis instrument may not yield generous income – we rely on our volume OEMs and end-user business for that - but they do give us a great deal of satisfaction and experience; and leave the door open for future business as university led projects progress through potential technology transfer initiatives.”
About Mclennan
Mclennan works closely with a small number of global motion control manufacturers and with its own in-house design and manufacturing capability the Hampshire based motion specialist offers complete integrated mechatronics assemblies with customised mechanics, gearheads and other power train components. Motor technologies include brushed and brushless servo motors, stepper motors, small AC motors and complementary gear unit drive technologies together with motion controls for competitively priced multi-axis motion and machine control for use throughout industrial and OEM automated machine applications – contact Mclennnan at sales@mclennan.co.uk
Ash Vale, Surrey, UK – Septembre 2015. Mclennan a longuement travaillé avec des scientifiques et des chercheurs de l'Université de Liverpool au cours de ces deux dernières années pour aider au développement d’un prototype d’instrument de diagnostic portable capable d’effectuer un test simple, rapide et robuste pour détecter un sepsis (septicémie) chez des patients à partir d'un simple échantillon de sang. Le sepsis est la conséquence d’une infection bactérienne grave du sang provoquant une inflammation généralisée potentiellement mortelle en blessant les tissus et les organes. Le risque pourrait-être écartée avec un traitement précoce d’antibiotiques et de liquides intraveineux car chaque heure gagnée améliore les chances de survie, malheureusement les tests actuels peuvent prendre jusqu'à deux jours pour identifier le sepsis, date à laquelle un traitement peut être inefficace. Les scientifiques de l'Université ont découvert une méthode de diagnostic plus rapide et plus efficace pou détecter les débuts de l'infection à travers un test dans un dispositif d’analyse simple et rapide.
Il est certain qu’un diagnostic rapide permettra une mise sous antibiotiques plus précoce pour lutter plus efficacement contre cette infection qui affecte chaque année quelques 18 millions de personnes dans le monde (une personne meurt dans le monde toutes les 3-4 secondes des suites des complications du sepsis – source Institut Pasteur) et aurait coûté aux NHS (service national de santé anglais) plus de 2,5 milliards €. Le projet a été financé par l'Institut national de recherche de santé (INDH) dans le cadre du programme Invention pour l’Innovation (i4i) projet (II-LS-1010-10045) qui publie la progression des prototypes de systèmes médicaux innovants visant un développement commercial et visant une éventuelle utilisation dans l'environnement clinique pour le plus grand bénéfice des patients.
Cet appareil de diagnostic, protégé par plusieurs brevets, est une application assez simple qui pourrait être décrite comme cas d'école, où le contrôle de mouvement sert une technologie qui permet de faciliter une science étonnante. Avec l’échantillon de sang déposé sur un disque multicouche spécialement développé et de la taille d'un CD, la machine à axe unique exécute un contrôle de "filage" sur le disque à haute vitesse pour séparer par centrifugation le plasma sanguin puis exécute ensuite une indexation de précision pour le faire pivoter de un ou deux tours à différentes positions lorsque des chambres contenant des échantillons plasmatiques bio marqués et non marquées sont présentés pour examen micro fluidique. Autrement dit, la différence entre l'échantillon et le contrôle détermine le résultat. La fabrication des disques jetables est peu coûteuse offrant à l’ensemble du test une solution particulièrement économique et d’une grande efficacité.
Initialement une très brève spécification a été remise à des ingénieurs de Mclennan et comme pour de nombreux projets il y avait peu d'informations sur les caractéristiques de charge et beaucoup de confidentialité autour du projet, sans oublier les restrictions budgétaires. Le Dr Dominic Banks, chercheur travaillant sur le projet et basé à l'Université de Liverpool à l’Institut des Maladies Infectieuses et de la Santé Mondiale rappelle: "Nous avions un aperçu des fonctions de base que nous recherchions et plus particulièrement la flexibilité dans le contrôleur de mouvement pour agrandir ce projet, si bien que nous avons progressé tout au long du développement".
Pour respecter le budget et vérifier le process, Mclennan a équipé la première machine prototype d’un entraînement par moteur pas à pas en boucle ouverte. Selon les exigences données à l'époque pour le contrôle, il était clair qu’un lecteur intelligent avec la capacité d'E/S et d’opérations mathématiques devraient certainement avoir plus d’impact sur la plupart des fonctions de la machine. En tant que distributeur exclusif au Royaume-Uni d’Applied Motion Products (AMP), nous avons piloté notre moteur avec leur variateur/contrôleur intelligent à émulation micropas de la série ST et avons pu vérifier ces dires de manière adéquate et répondre à toutes les exigences du contrôle de l’appareil.
Etant donné que la série ST utilise essentiellement le même mode de programmation et les fonctionnalités similaires à toute la gamme d'asservissement d'AMP, il était facile de faire des transitions pendant le perfectionnement de l’appareil pour finalement opter pour un contrôle par servomoteur avec une résolution élevée du retour de position et répondre ainsi aux requêtes les plus exigeantes, mais aussi pour plus de compacité et un très faible niveau de bruit qui était demandé à la version finale qui travaillera près des médecins et des patients.
Le Dr Banks a toujours prêté un regard sur l’asservissement, "Nous avons été très intéressés d'apprendre que les versions de moteurs à pas et servo-variateurs d’AMP étaient évolutives et modulables - cela a été un facteur déterminant de travailler avec Mclennan sur le long terme et de manière à rendre la transition plus transparente au moment du financement".
C’est ainsi que la série de servo-variateurs intelligents SV7 d’AMP qui combine de nombreuses fonctionnalités novatrices pour les servocommandes numériques y compris les contrôles avancés modernes et la communication Ethernet s’est avérée utile pour la programmation et le développement de l'appareil. La programmation a été prise en charge avec le langage ‘Q ProgrammerTM d’AMP – un multitâche BASIC avec des exécutions de programmes stockés, des fonctions mathématiques et des traitements de contrôles. Un simple panneau d'affichage LCD et un bouton poussoir relié au servo-variateur suffit pour lancer et exécuter le programme de SV7 qui déchiffre des registres de données avec les Entrées/Sorties ainsi que diverse fonctions y compris l'interaction avec le processus d'examen microfluidique développé par l'Université. Le traitement de l'échantillon est renseigné automatiquement avec les résultats affichés à l'écran. Il serait possible de sortir cette information à un ordinateur pour une utilisation ultérieure.
Dans la dernière version du prototype ces mêmes composants ont été installés dans un appareil miniaturisé développé par l'équipe de Liverpool qui a démontré comment cet appareil peut diagnostiquer en pleine production. "Mclennan a travaillé très étroitement avec nous depuis le début du projet et a fourni des informations vitales et son support pour la fonctionnalité du contrôle des instruments en mouvement, ce qui sera précieux pour l'avenir", a précisé le Dr Banks.
Si le projet se poursuit il devra voir son coût baisser. Pour Mclennan, il est peu probable qu’une production en série utilisant le servo-variateur intelligent SV7, le servomoteur et son codeur soient choisis, mais de par sa capacité de concevoir des solutions mécatroniques personnalisées, le spécialiste de mouvement basé dans le Hampshire peut bien jouer un rôle dans l'avenir des diagnostics accélérés de la septicémie. Un diagnostic plus rapide permettrait une mise sous antibiotiques plus précoce, ce dernier élément demeure fondamental, car chaque heure gagnée améliore les chances de survie.
Graham Wingate, Directeur des ventes de Mclennan résume, "Les applications basées sur la Recherche comme diagnostiquer la septicémie ne génère pas vraiment de revenus - nous comptons sur nos constructeurs, nos équipementiers et les marchés pour cela - mais la Recherche nous donne beaucoup d’expérience et de satisfaction, laissant la porte ouverte pour nos travaux futurs et que l’Université mène et qui progressent à travers des initiatives de transfert potentiel de technologie".
