diseño e implementación de sistema de monitorización y...

Equation Chapter 1 Section 1

Proyecto Fin de Máster

Ingeniería de Telecomunicación

Diseño e implementación de sistema de

monitorización y control en temperatura y

concentración de crioprotector para

criopreservación de órganos

Dpto. Física Aplicada III

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

Autor: Álvaro Pérez Aguilar

Tutor: Ramón de Jesús Risco Delgado

Cotutora: Ariadna Corral Sousa

Proyecto Fin de Máster Ingeniería de Telecomunicación

Diseño e implementación de sistema de

monitorización y control en temperatura y

concentración de crioprotector para

criopreservación de órganos

Autor:

Álvaro Pérez Aguilar

Tutor:

Ramón de Jesús Risco Delgado

Profesor titular

Cotutora:

Ariadna Corral Sousa

Dpto. Física Aplicada III

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

Proyecto Fin de Máster: Diseño e implementación de sistema de monitorización y control en temperatura y concentración de crioprotector para criopreservación de órganos

Autor: Álvaro Pérez Aguilar

Tutor: Ramón de Jesús Risco Delgado

Cotutora: Ariadna Corral Sousa

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2018

El Secretario del Tribunal

A mi familia

A mis maestros

Agradecimientos

En primer lugar, a agradecer a toda mi familia el apoyo, la compresión y los ánimos que me han dado durante toda mi vida, y en especial en los malos momentos, sin ellos no hubiera podido lograr esto.

Agradecer a todos los profesores de esta escuela quienes me han enseñado mucho sobre el maravilloso mundo de la ingeniería durante estos años, y en especial a Ramón Risco y Ariadna Corral por darme la oportunidad de hacer este proyecto, su ayuda, sus consejos han sido indispensables para lograr acabar este proyecto de forma satisfactoria y sobre todo por sus ánimos.

Álvaro Pérez Aguilar

De Los Santos de Maimona a Sevilla, 2018

Resumen

Mediante el presente proyecto se desarrolla el diseño y construcción de un sistema de vitrificación lenta para muestras biológicas de especial interés en Medicina y Biotecnología.

El principal objetivo consistirá en adaptar un sistema diseñado para la criopreservación de tejido ovárico (desarrollado por el grupo de Ramón Risco) de manera que permita la criopreservación de tumores sólidos.

La vitrificación lenta es una técnica alternativa a la vitrificación rápida, que suele ser empleada en reproducción asistida para embriones y ovocitos. Para la vitrificación de muestras biológicas voluminosas se necesitan concentraciones altas de crioprotector ya que, con la tecnología actual, resulta imposible alcanzar velocidad de enfriamiento suficiente para vitrificar a concentraciones bajas de crioprotector. Por lo tanto, el seguimiento de la curva de equilibrio termodinámico durante el enfriamiento permitiría el uso de concentraciones bajas, suficientes para evitar toxicidad, y además, la formación de hielo en el interior de la muestra bilógica. También se usan concentraciones altas, éstas se aumentan progresivamente a medida que se disminuye la temperatura, ya que disminuir la temperatura significa disminuir la toxicidad, debido a que la toxicidad depende de la temperatura. De este modo, la muestra se mantendrá en el punto de máxima seguridad. Sin embargo, en este proyecto no se va a llevar a cabo el seguimiento de la curva de equilibrio termodinámico. La toxicidad y la formación de hielo durante el enfriamiento son variables independientes y, por lo tanto, estos dos grados de libertar pueden ser desacoplados.

Para alcanzar el principal objetivo de este proyecto, se utilizarán los diseños previos de intercambiador de calor e intercambiador de masa (carga de crioprotector). Y, además será necesario e diseño de un mecanismo, un software y una interfaz de usuario; dicho equipo permite la carga controlada de crioprotector y la reducción controlada de temperatura.

Abstract

Through this project, the design and construction of a slow vitrification system for biological samples of special interest in Medicine and Biotechnology is developed.

The main objective will be to adapt a system designed for the cryopreservation of ovarian tissue (developed by the Ramón Risco group) in order to allow the cryopreservation of solid tumours.

Slow vitrification is an alternative technique to rapid vitrification, which is usually used in assisted reproduction for embryos and oocytes. For the vitrification of voluminous biological samples, high concentrations of cryoprotectant are required since, with current technology, it is impossible to reach enough cooling speed to vitrify at low concentrations of cryoprotectant. Therefore, monitoring the thermodynamic equilibrium curve during cooling would allow the use of low concentrations, sufficient to avoid toxicity, and in addition, the formation of ice inside the biological sample. High concentrations are also used, these are increased progressively as the temperature decreases, since to decrease the temperature means to decrease the toxicity, because the toxicity depends on the temperature. In this way, the sample will remain at the point of maximum security. However, in this project the monitoring of the thermodynamic equilibrium curve will not be carried out. Toxicity and ice formation during cooling are independent variables and, therefore, these two degrees of freedom can be decoupled.

To achieve the main objective of this project, the previous designs of heat exchanger and mass exchanger (cryoprotector charge) will be used. And, in addition, it will be necessary to design a mechanism, a software and a user interface; this equipment allows controlled loading of cryoprotectant and controlled temperature reduction.

Índice

Agradecimientos ............................................................................................................................... 9

Resumen ......................................................................................................................................... 11

Abstract .......................................................................................................................................... 13

Índice .............................................................................................................................................. 15

Índice de Tablas .............................................................................................................................. 17

Índice de Figuras ............................................................................................................................. 19

1 Introducción ............................................................................................................................... 1 1.1 Criopreservación en órganos ......................................................................................................... 2

2 Objetivo y descripción del sistema .............................................................................................. 3 2.1 Tarjeta de adquisicón de datos ...................................................................................................... 3

Instalación y configuración de PMD-1208LS .......................................................................... 4 Tipos de adquisición de datos de las entradas ....................................................................... 4

2.1.2.1 Adquisición de datos a velocidad determinada por software ........................................ 4 2.1.2.2 Adquisición continua ....................................................................................................... 4 2.1.2.3 Adquisición de datos forzada .......................................................................................... 5

LED .......................................................................................................................................... 5 Borneras ................................................................................................................................. 5

2.1.4.1 Pines 1-20 ........................................................................................................................ 6 2.1.4.2 Pines 21-40 ...................................................................................................................... 6 2.1.4.3 Pines de entradas analógicas (CH0 IN – CH7 IN) ............................................................. 6 2.1.4.4 Pines de entrada/salida digitales (Port A0 a Port A7, y PortB0 a B7) .............................. 7 2.1.4.5 Terminal VCC ................................................................................................................... 7 2.1.4.6 Pines de tierra ................................................................................................................. 7 2.1.4.7 Pin de calibración ............................................................................................................ 7 2.1.4.8 Pin Contador .................................................................................................................... 7 2.1.4.9 Precisión de la PMD-1208LS ............................................................................................ 7

Calibración y prueba con InstaCal .......................................................................................... 7 Funcionamiento de PDM-1208LS en LabView ........................................................................ 8

2.2 Intercambiador de calor ............................................................................................................... 10 Materiales ............................................................................................................................. 10 Funcionamiento .................................................................................................................... 14

2.3 Intercambiador de crioprotector.................................................................................................. 15 Materiales ............................................................................................................................. 15 Funcionamiento .................................................................................................................... 17

2.4 Fabricación de prototipo .............................................................................................................. 17 Diseño analógico ................................................................................................................... 17

2.4.1.1 Amplificador de la señal de entrada ............................................................................. 17 2.4.1.2 Relé ................................................................................................................................ 18 2.4.1.3 Entrada y salida de bomba ............................................................................................ 18

Diseño del layout .................................................................................................................. 18 Fabricación de PCB ............................................................................................................... 19 Montaje de componentes .................................................................................................... 19

Resistencia calefactora ......................................................................................................... 20 Cálculos del amplificador ...................................................................................................... 21

3 Calibración del sistema ............................................................................................................. 23 3.1 Calibración del termopar ............................................................................................................. 24 3.2 Calibración de la bomba 1............................................................................................................ 25 3.3 Calibración de la bomba 2............................................................................................................ 27 3.4 Molaridad de la concentración .................................................................................................... 28

4 Software .................................................................................................................................. 31 4.1 Explicación del código ................................................................................................................. 32

Adquisición de datos ............................................................................................................. 33 Activar relé ........................................................................................................................... 34 Configuración puerto ............................................................................................................ 34 Control relé y temperatura .................................................................................................... 35 Caudal/temperatura ............................................................................................................... 36 Componentes recta de concentración ................................................................................... 37 Componentes recta de temperature ....................................................................................... 39 Rampa concentración ............................................................................................................ 40 Rampa temperatura ............................................................................................................... 41

Configuración bomba 1 ........................................................................................................ 42 Configuración bomba 2 ........................................................................................................ 44 Control bomba 1 ................................................................................................................... 45 Control bomba 2 ................................................................................................................... 46

4.2 Interfaz de usuario ....................................................................................................................... 48

5 Resultados ............................................................................................................................... 51 5.1 Prueba 1: La resistencia calefactora se coloca en el límite del tubo, justo antes de conectar al órgano. .................................................................................................................................................... 51 5.2 Prueba 2: Se introduce el nuevo sistema, figura 79, funcionando dentro del congelador. ......... 52 5.3 Prueba 3: Dejando el sistema dentro del frigorífico durante más de 24 horas. .......................... 52 5.4 Prueba 4: Rampas de temperatura con Biocool y agitador al mínimo ........................................ 54 5.5 Prueba 5: Rampas de temperatura con Biocool y agitador a la velocidad 3. .............................. 54 5.6 Prueba 6: Rampas de molaridad .................................................................................................. 56 5.7 Prueba 7: Comprobación de la interfaz. ....................................................................................... 57

6 Conclusiones y trabajo futuro ................................................................................................... 59

Referencias ..................................................................................................................................... 60

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Estado de la tarjeta. ........................................................................................................... 5

Tabla 2. Calibración del termopar. ................................................................................................ 24

Tabla 3. Calibración del termopar con módulo termopar. ................................................................. 25

Tabla 4. Calibración bomba1. ....................................................................................................... 25

Tabla 5. Valores de la caracterización de la bomba1. ....................................................................... 26

Tabla 6. Calibración bomba2. ....................................................................................................... 27

Tabla 7. Valores de la caracterización de la bomba2. ....................................................................... 28

Tabla 8. Datos de la disolución. .................................................................................................... 28

Tabla 9. Cálculo de la disolución para diferentes M ........................................................................ 28

Tabla 10. Temperatura inicial y final para prueba 2. ........................................................................ 52

Tabla 11. Temperatura inicial y final para prueba 3. ........................................................................ 52

Tabla 12. Comparación de temperatura entre el sistema y G.M. Fahy. ............................................... 56

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Protocolo de perfusión de G.M. Fahy para un riñón que sobrevivió. ...................................... 2

Figura 2. Tarjeta USB PMD-1208LS. .............................................................................................. 4

Figura 3. Tarjeta y cable USB ........................................................................................................ 4

Figura 4. Pines de la Tarjeta PMD-1208LS. ..................................................................................... 6

Figura 5. DBitOut.vi...................................................................................................................... 8

Figura 6. DCfgPort.vi. ................................................................................................................... 8

Figura 7. ErrMsg.vi. ...................................................................................................................... 9

Figura 8. AIn.vi. ........................................................................................................................... 9

Figura 9. ToEng.vi. ....................................................................................................................... 9

Figura 10. AOut.vi. ..................................................................................................................... 10

Figura 11. Relé. .......................................................................................................................... 11

Figura 12. Resistencias THD. ....................................................................................................... 11

Figura 13. Led. ........................................................................................................................... 11

Figura 14. BJT. ........................................................................................................................... 11

Figura 15. Ampliador operacional. ................................................................................................ 11

Figura 16. Anticongelante. ........................................................................................................... 12

Figura 17. Nevera. ...................................................................................................................... 12

Figura 18. Congelador. ................................................................................................................ 12

Figura 19. Tubería de cobre. ......................................................................................................... 12

Figura 20. Funda trenzada de fibra de vidrio. .................................................................................. 13

Figura 21. Hilo de nicromo. ......................................................................................................... 13

Figura 22. Termopar RS PRO. ...................................................................................................... 13

Figura 23. Modulo termopar. ........................................................................................................ 13

Figura 24. Fuente de alimentación. ................................................................................................ 14

Figura 25. Pilas eléctrica. ............................................................................................................. 14

Figura 26. Protocolo de vitrificación y recalentamiento de G.M Fahy [1]. .......................................... 14

Figura 27. Circuito simplificado del funcionamiento del relé. ........................................................... 15

Figura 28. Bomba peristáltica. ...................................................................................................... 15

Figura 29. Recipiente. ................................................................................................................. 16

Figura 30. Tubo. ......................................................................................................................... 16

Figura 31. Unión T para la disolución. ........................................................................................... 16

Figura 32. Esquemático Eagle de la PCB. ...................................................................................... 17

Figura 33. Esquemático del amplificador. ...................................................................................... 17

Figura 34. Circuito relé. ............................................................................................................... 18

Figura 35. Entradas y salidas de las bombas. .................................................................................. 18

Figura 36. Layout del circuito completo. ....................................................................................... 19

Figura 37. Placa soldada. ............................................................................................................. 20

Figura 38. Creación de la resistencia calefactora. ............................................................................ 20

Figura 39. Esquema amplificador modo inversor. ........................................................................... 21

Figura 40. Pico Log, módulo de lectura del termopar. ..................................................................... 23

Figura 41. Termómetro RTD. ....................................................................................................... 23

Figura 42. Tensión caudal bomba1. .............................................................................................. 26

Figura 43. Tensión caudal bomba2. .............................................................................................. 27

Figura 44. Estructura del software. ............................................................................................... 31

Figura 45. Esquema de activación o desactivación del relé. .............................................................. 32

Figura 46. Código completo. ........................................................................................................ 32

Figura 47. Interfaz del módulo adquisición de datos. ....................................................................... 33

Figura 48. Código del módulo adquisición de datos. ....................................................................... 33

Figura 49. Interfaz del módulo activar relé. .................................................................................... 34

Figura 50. Código del módulo activar relé. .................................................................................... 34

Figura 51. Interfaz del módulo configuración puerto. ...................................................................... 35

Figura 52. Interfaz del módulo configuración puerto. ...................................................................... 35

Figura 53. Interfaz del módulo control relé y temperatura. ............................................................... 36

Figura 54. Código del módulo control relé y temperatura. ............................................................... 36

Figura 55. Interfaz del módulo caudal/temperatura. ........................................................................ 37

Figura 56. Código del módulo caudal/temperatura. ......................................................................... 37

Figura 57. Interfaz del módulo componentes concentración. ............................................................ 38

Figura 58. Código del módulo componentes concentración. ............................................................. 39

Figura 59. Interfaz del módulo componentes temperatura. ............................................................... 39

Figura 60. Interfaz del módulo componentes temperatura. ............................................................... 40

Figura 61. Interfaz del módulo rampa concentración. ...................................................................... 41

Figura 62. Código del módulo rampa concentración........................................................................ 41

Figura 63. Interfaz del módulo rampa temperatura. ......................................................................... 41

Figura 64. Interfaz del módulo rampa temperatura. ......................................................................... 42

Figura 65. Interfaz del módulo configuración bomba1. .................................................................... 43

Figura 66. Código del módulo configuración bomba1. .................................................................... 43

Figura 67. Interfaz del módulo configuración bomba2. .................................................................... 44

Figura 68. Código del módulo configuración bomba2. .................................................................... 45

Figura 69. Interfaz del módulo control bomba1. ............................................................................. 45

Figura 70. Código del módulo control bomba1. .............................................................................. 46

Figura 71. Interfaz del módulo control bomba2. ............................................................................. 46

Figura 72. Código del módulo control bomba2 ............................................................................... 47

Figura 73. Interfaz principal del programa. .................................................................................... 48

Figura 74. Interfaz principal parte superior. ................................................................................... 48

Figura 75. Interfaz principal parte de configuración. ....................................................................... 49

Figura 76. Interfaz principal, bombas, relé y errores. ....................................................................... 49

Figura 77. Interfaz principal gráficas. ............................................................................................ 50

Figura 78. Diagrama con resistencia a la salida. .............................................................................. 51

Figura 79. Diagrama con resistencia a la entrada. ............................................................................ 51

Figura 80. Sistema final con marcas. ............................................................................................. 52

Figura 81. Nuevo sistema de enfriamiento. ..................................................................................... 53

Figura 82. Recipiente. ................................................................................................................. 53

Figura 83. Recipiente con todas las vías conectadas. ....................................................................... 53

Figura 84. Prueba 4, rampas de temperaturas con agitador al mínimo. ............................................... 54

Figura 85. Prueba 5, rampas de temperaturas con agitador a velocidad 3. ........................................... 55

Figura 86. Comparación entre la gráfica de G.M. Fahy y la gráfica obtenida del Biocool. .................... 55

Figura 87. Seguimineto de la molaridad. ........................................................................................ 56

Figura 88. Gráfica G.M. Fahy molaridad........................................................................................ 57

Figura 89. Gráficas de la interfaz. ................................................................................................. 57

Figura 90. Comprobación de la interfaz. ........................................................................................ 58

1

1 INTRODUCCIÓN

a criopreservación es el proceso en el cual las células o tejidos son congelados a muy bajas temperaturas, generalmente entre -80ºC y -196ºC. A esta temperatura cualquier actividad metabólica se detiene, se mantendría en condiciones de “vida suspendida”.

Una célula consta, en su interior, de una disolución de agua y sales, y en su periferia, de una membrana semipermeable que únicamente deja pasar agua. Por ello, cuando el agua sale o entra en la célula, la concentración de sales disueltas aumenta o disminuye.

Mediante la “hipótesis de los dos factores” [Mazur, P., 1963] se explican los procesos físico-químicos que tienen lugar en una célula cuando se enfría. Para ello, basta con explicar el fundamento de dos principios físicos:

- El principio de ósmosis

Cuando se tiene una célula sumergida en una disolución salina, el agua empieza a tendiendo a igualar las concentraciones de las disoluciones.

- El principio del descenso del punto de congelación

Aunque el punto de congelación del agua pura está situado a 0ºC, si en el agua existen sales disueltas, éste desciende.

Las células o tejidos criopreservados mantienen sus propiedades vitales y después de la descongelación son actos para su uso. En órganos no se ha obtenido éxito todavía, debido a la formación de hielo. Este problema está presente tanto en el proceso de enfriamiento como de calentamiento.

La formación de hielo da lugar a dos problemas principales:

- El agua contenida en el órgano se cristaliza por la parte extracelular, dando lugar a agua líquida en la zona intracelular y agua en forma sólida (hielo) en la parte extracelular. Este fenómeno da lugar a un desequilibrio osmótico debido a que aumenta la concentración de sales disueltas al disminuir la cantidad de agua líquida. Este desequilibrio causa una deshidratación de la célula comprometiendo su viabilidad.

- El hielo ocupa más volumen que el agua líquida, por lo que los cristales formados y distribuidos aleatoriamente se expanden y presionan las células y generando un daño mecánico que causa fracturas en la estructura interna y hace imposible la recuperación.

El uso de crioprotectores está muy extendido, su papel es que no se forme hielo durante su enfriamiento. Su efecto protector proviene de su habilidad para vincularse al agua y de su capacidad de reducir efectos tóxicos de las altas concentraciones de sales ya que éstos sustituyen el agua de la célula y consiguen mantener el equilibrio osmótico en ella.

Aunque esto es efectivo en células aisladas o en tejidos, en el caso de órganos no es efectivo, puesto que la estructura interna es más compleja y el daño es mayor, ya que se daña y se destruyen las estructuras extracelulares que las mantienen unidas formando el órgano. Otra razón es que cada célula tiene sus propios requisitos de criopreservación óptima, entonces al usar un único crioprotector a un órgano se está limitando la recuperación de otras células que tengan diferentes requisitos.

Bioquímicamente es posible distinguir tipos de crioprotectores:

- Los alcoholes: metanol, etanol, propanol, 1-2 propanodiol y glicerol.

- Azúcares: glucosa, lactosa, sucrosa, sacarosa...

L

Introducción

2

1.1 Criopreservación en órganos

Un objetivo importante es la creación de un banco de órganos, este banco de órganos se podrán almacenar los órganos humanos para un posterior trasplante. En Estados Unidos la demanda de órganos vitales o no vitales es de más de un millón al año. A pasar que España es el país con más donantes por millón de habitantes, más de 5000 personas se quedaron en lista de espera este último año, según la Organización Nacional de Transplante (ONT). Contemplar el posible desarrollo de trasplantes de órganos de emergencias sin la disponibilidad de estos bancos de órganos se asemeja, al caso de, distribuir sangre humana con la limitación de 24 horas de vida útil.

El biobanco de reemplazo de órganos y tejidos no se ha contemplado todavía, tal vez debido a que la tecnología para hacer esto sin dañar el injerto no está disponible. Aunque la criopreservación puede lograr un éxito limitado para algunos órganos, la congelación del corazón, hígado o riñón no se ha logrado con éxito después del enfriamiento a temperaturas suficientemente bajas para la preservación a largo plazo, a pesar del trabajo sobre este problema que data de la década de 1950.

Los riñones y los corazones han sido los órganos más estudiados, pero ninguno ha sido recuperado después de la congelación a temperaturas inferiores a -20 °C, evidentemente debido, al menos en parte, al daño mecánico del propio hielo, aunque en el caso de los riñones se ha conseguido la supervivencia esporádica después de la congelación a aproximadamente de -40ºC a -80°C

Gregory M. Fahy, después de presenciar los riñones de perro trasplantados, propuso una manera de refrigerar órganos a temperaturas criogénicas sin incurrir en las consecuencias de la formación de hielo.

Esto es posible debido a que altas concentraciones de agentes crioprotectores se reduce la probabilidad y la velocidad de formación de cristales de hielo, y concentraciones suficientemente altas pueden prevenir la formación de hielo por completo, incluso a bajas tasas de enfriamiento y calentamiento aplicables a objetos de tamaño de órgano. El enfriamiento de un sistema biológico sin hielo a una temperatura lo suficientemente baja finalmente da como resultado una transición de un estado fluido móvil a un estado vítreo molecularmente detenido (esta transición se conoce como vitrificación, o la transición vítrea).

Figura 1. Protocolo de perfusión de G.M. Fahy para un riñón que sobrevivió.

En la figura 1 se muestra el protocolo que utilizó G.M. Fahy para la criopreservación de un riñón de conejo. Ésta será la técnica que se desarrollará en este proyecto.

3

2 OBJETIVO Y DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

l objetivo principal del proyecto desarrollado en el presente documento es conseguir la criopreservación de órganos con el fin de crear un banco de órganos humanos, incrementar el número de trasplantes y mejorar las limitaciones actuales, como el tiempo en que el órgano puede

ser trasplantado. Actualmente un riñón se puede mantener 24 horas hasta realizar su trasplante, páncreas e hígados solo 12 horas y por su parte si se desea trasplantar un corazón o un pulmón el tiempo se reduce a las 6 horas. Claramente es una limitación importantísima que se puede solventar con este diseño. Para llegar a conseguirlo primeramente hay que trabajar con animales para posteriormente dar el salto con humanos.

Los principales problemas a la hora de criopreservar órganos son la toxicidad y la formación de hielo, por ello, para conseguir criopreservar órganos se va a construir un hardware de un intercambiador de calor y de un intercambiador de carga de crioprotector. Ambos son elementos indispensables para solventar los problemas mencionados anteriormente. El crioprotector es imprescindible para evitar el hielo, pero es tóxico a las altas concentraciones requeridas para la vitrificación. Es conocido que la toxicidad disminuye con la temperatura, de ahí la importancia del control de temperatura, que a la vez se debe estar relacionado con el control de la concentración.

Para conseguirlo, a parte del hardware, será necesario el diseño de un software y una interfaz de usuario para poder manejarlo. En definitiva se diseña un dispositivo capaz de lograr una carga controlada de crioprotector y reducción controlada de la temperatura, para conseguir la criopreservación de órganos de animales.

2.1 Tarjeta de adquisicón de datos

La PMD-1208LS es un dispositivo USB que es utilizado para adquisición de datos y control. Esta tarjeta es soportada por Windows 98/2000 y XP.

La PMD-1208LS cuenta con ocho salidas analógicas, dos salidas analógicas de 10-bits, 16 entradas/salidas digitales y un Contador de eventos externos de 32 bits. El dispositivo es alimentado por 5 Voltios del Puerto USB.

Las entradas analógicas de la PMD-1208LS son configurables a través de software para ocho entradas de 11-bits individuales, o cuatro entradas de 12-bits diferenciales. Un circuito integrado de interface programable 82C55 provee las 16 entradas/salidas digitales discretas. Cada entrada digital puede ser configurada como entrada o salida.

La tarjeta USB PMD-1208LS se muestra en la figura 2. Todas las conexiones de entradas/salidas son realizadas en las borneras localizadas a lo largo de cada lado del dispositivo.

E

Objetivo y descripción del sistema

4

Figura 2. Tarjeta USB PMD-1208LS.

Instalación y configuración de PMD-1208LS

Figura 3. Tarjeta y cable USB

En la figura 3 se muestra los componentes necesarios para el correcto funcionamiento de la tarjeta, además la tarjeta incluye un CD para instalación que incluye “Instacal”, herramientas de adquisición de datos y control, controles SoftWIRE MCC DAQ para uso en Visual Basic 6, y librerías UL para su uso en LabView.

Tipos de adquisición de datos de las entradas

La PMD -1208LS puede adquirir datos analógicos en tres diferentes formas: escaneo a velocidad determinada por software, escaneo continuo y escaneo forzado.

2.1.2.1 Adquisición de datos a velocidad determinada por software

Al adquirir datos a velocidad determinada por software, la PMD-1208LS lo hace en una única adquisición o en grupos de únicas adquisiciones. La conversión análoga-digital es iniciada con un comando por software, y el resultado es enviado al PC. Esta operación puede ser repetida hasta que el número necesario de muestras sea obtenido por el canal (o los canales) en uso. La velocidad máxima cuando se trabaja en este modo es de 50 muestras por segundo.

2.1.2.2 Adquisición continua

Al adquirir datos continuamente, la PMD-1208LS lo hace en un único canal o en una secuencia de múltiples canales. Esta secuencia convierte, transfiere, y almacena datos en un buffer hasta que la adquisición de datos se detiene. En este modo, los datos digitalizados son continuamente escritos a un buffer FIFO localizado en la tarjeta.

Cabe destacar que la máxima tasa acumulada de adquisición de datos es de 1200 muestras por segundo. Esto es, que la tasa total de la misma para todos los canales no puede exceder de 1200 muestras por segundo. Basado en esta característica, una tarjeta PMD-1208LS puede adquirir en un canal 1200 muestras por segundo, dos canales a 600 muestras por segundo. Se puede iniciar una adquisición continua de datos ya sea por comando de software o por un evento disparado por hardware externamente.

5

Diseño e implementación de sistema de monitorización y control en temperatura y

concentración de crioprotector para criopreservación de órganos

2.1.2.3 Adquisición de datos forzada

En adquisición de datos forzada, la PMD-1208LS lo hace usando la capacidad total de su buffer FIFO de 4000 muestras. Se puede iniciar una única adquisición de una, dos, o cuatro canales ya sea por comando de software o por un evento disparado por hardware externamente. Los datos capturados son después leídos desde la FIFO y transferidos a un buffer en la PC.

Debido a que los datos son adquiridos a una tasa más rápida que lo que puede ser transferido a la PC, la adquisición de datos forzada es limitada a la capacidad de memoria de la tarjeta. Al igual que en la adquisición de datos continua, la tasa máxima de muestreo es una medida acumulada. Consecuentemente, la tasa máxima de adquisición de datos forzada es de 8000, 4000 y 2000 muestras por segundo para uno, dos, y cuatro canales, respectivamente.

LED

El LED localizado en la parte superior de la tarjeta indica el estado de la comunicación de la PMD-1208LS. El mismo consume hasta 5mA de corriente y no puede ser deshabilitado.

Tabla 1. Estado de la tarjeta.

ESTADO DEL LED INDICACIÓN

Verde continuamente La PMD-1208LS está conectada a un computador o un hub USB externo

Parpadea continuamente Los datos están siendo transferidos

Parpadea tres veces La comunicación inicial se ha establecido entre la PMD-1208LS y el PC

Parpadea lentamente La entrada analógica está configurada para ser disparada externamente. El LED deja de parpadear

y se ilumina verde continuamente cuando el disparo es recibido

Borneras

La PMD-1208LS tiene dos tiras de borneras. Cada una de ellos tiene 20 pines. La numeración se muestra en la figura 4.


6

Figura 4. Pines de la Tarjeta PMD-1208LS.

2.1.4.1 Pines 1-20

Ocho entradas analógicas ( CH0 IN a CH7 IN)

Dos salidas analógicas (D/A OUT 0 a D/A OUT 1)

Un disparador externo (TRIG_IN)

Un contador de eventos externo (CTR)

Siete pines de tierra (GND)

Un pin de calibración (CAL)

2.1.4.2 Pines 21-40

16 entradas/salidas digitales (Port A0 a Port A7, y Port B0 a Port B7)

Un pin de Vcc ( PC +5V)

Tres pines de tierra (GND)

2.1.4.3 Pines de entradas analógicas (CH0 IN – CH7 IN)

Aquí se puede conectar hasta un máximo de ocho entradas analógicas a la bornera que contiene los pines 1 al 20 (CH0 IN hasta CH7 IN)

Se puede configurar las entradas analógicas como 8 entradas de tipo individual o 4 entradas diferenciales. Si está configurada para entradas diferenciales, cada entrada analógica tiene 12 bits de resolución. Si está

7



configurada para entradas individuales, cada entrada analógica tiene 11 bits de resolución, debido a restricciones impuestas por el convertidor A/D.

2.1.4.4 Pines de entrada/salida digitales (Port A0 a Port A7, y PortB0 a B7)

Se puede conectar hasta 16 entradas/salidas digitales a la bornera que contiene los pines 21 al 40. Se puede configurar cada pin como entrada o salida.

2.1.4.5 Terminal VCC

El terminal PC +5 está situado en el el pin 30. El terminal entrega el voltaje originado desde el puerto USB, 5V.

La corriente máxima total de salida que puede ser entregada desde todas las conexiones de la PMD-1208LS (, salidas analógicas y digitales) es 500mA. Este máximo aplica a la mayoría de PCs y hubs USB auto-alimentados. Los ordenadores portátiles pueden estar limitadas a una corriente de salida de 100mA.

El hecho de conectar la PDM-12008LS al PC utiliza 20mA de corriente desde la alimentación de +5 USB. Una vez que las aplicaciones empiezan a funcionar con la tarjeta, cada entrada/salida digital puede entregar hasta 2.5mA, y cada salida analógica puede entregar hasta 30mA. La cantidad máxima de corriente disponible al usuario es la diferencia entre el total de corriente requerida de la PMD-1208LS, y la corriente permitida por el PC (500mA para PCs de escritorios o 100mA para portátiles).

2.1.4.6 Pines de tierra

Existen 10 pines idénticos de tierra que proveen una tierra común para todas las funciones de la PMD-1208LS. Llamadas GND.

2.1.4.7 Pin de calibración

El pin CAL está localizado en el pin 16 de la bornera. Éste es usado solamente para propósitos de calibración. Esta calibración es hecha mediante el software InstaCal.

2.1.4.8 Pin Contador

La entrada al Contador externo de eventos de 32 bits es hecha a través del pin 20 (CTR).

El contador interno se incrementa cuando la entrada de voltaje CTR cambia de menos de un voltio a más de cuatro voltios. El contador puede contar en frecuencias de hasta 1MHz.

2.1.4.9 Precisión de la PMD-1208LS

La precisión en general de cualquier instrumento está limitada por el error de los componentes dentro de un sistema. Muy a menudo, la resolución es mal usada para cuantificar el rendimiento de un equipo de medición.

Existen tres clases de tipos de error, los cuales afectan la precisión de un sistema de medición:

Offset

Ganancia

No linealidad

Las fuentes primordiales de error en la PMD -1208LS son el offset y la ganancia. La no linealidad es pequeña en la tarjeta, y no es una fuente significativa de error comparada con el offset y la ganancia.

Calibración y prueba con InstaCal

Con el procedimiento de calibración de InstaCal se busca eliminar los errores de offset y ganancia de las entradas de la tarjeta.

Los pasos son los siguientes:


8

1) Ejecutar InstaCal

2) En la ventana principal, abrir el menú “Calibrate” y seleccionar A/D. Aparecerá un diálogo, en el cual se guía paso a paso las conexiones que debe de hacer el usuario.

3) Al terminar los pasos indicados en el diálogo aparecerá una ventana indicando si se ha calibrado con éxito.

Para probar el funcionamiento correcto de la tarjeta PMD-1208LS, InstaCal contiene algunas rutinas, las cuales ayudarán al usuario paso a paso a verificarlo. En la ventana principal del programa, desplegar el menú “Test” y seleccionar Digital o Analog, según aplicación, para poder verificar la operación de entrada y salida en las entradas digitales o analógicas. Al finalizar estas rutinas del programa, se podrá saber que la tarjeta está funcionando correctamente.

Funcionamiento de PDM-1208LS en LabView

En este apartado se describirá módulos básicos que se han usado en el desarrollo del código de este proyecto.

DBitOut.vi

Establece el estado de un único bit de salida digital. Este VI trata todos los chips DIO en una placa como un solo puerto muy grande. Le permite establecer el estado de cualquier bit individual dentro de este gran puerto. Si la dirección del bit o del puerto es programable, primero debe usar DCfgBit.VI o DCfgPort.VI para configurar el bit o puerto para la salida.

Figura 5. DBitOut.vi.

Entradas:

o BoardNum [U32]: El número de tarjeta asignado por InstaCal. Puede ser de 0 a 100.

o PortType [U32]: Especifica el puerto digital.

o BitNum [U32]:

o BitValue [TF]: El valor del bit (0 or 1).

Output:

o ErrCode: Indica si ha habido error.

DCfgPort.vi

Configura a digital port como entrada o salida.

Figura 6. DCfgPort.vi.

Entradas:


o PortType [U32]: Especifica el puerto digital.

o Direction [TF]- DIGITALOUT or DIGITALIN.

9



Output:


o ErrCode: Indica si ha habido error.

ErrMsg.vi

Devuelve el mensaje de error asociado con un código de error. Cada VI devuelve un código de error. Si el código de error no es igual a 0, indica que se produjo un error. Llame a este VI para convertir el código de error devuelto a un mensaje de error descriptivo.

Figura 7. ErrMsg.vi.

Entradas:

o ErrCode [I32]: Código de error devuelto por cualquier VI.

Output:

o ErrMsg [abc]: Mensaje de error.

o ErrCode [I32]: Código de error.

AIn

Lee un canal de entrada A/D. Este VI lee el canal A/D especificado de la placa especificada. Si la placa A/D tiene ganancia programable, establece la ganancia en el rango especificado. El valor A/D sin formato se convierte a un valor A/D y se devuelve a DataValue.

Figura 8. AIn.vi.

Entradas:


o Channel [I32]: Número del canal A/D.

o Range [I32]: Rango A/D.

Output:

o DataValue [U16]: Valor de la muestra A/D.


ToEng.vi

Convierte un único valor de una muestra A/D a un valor de voltaje equivalente, o convierte una matriz de muestras A/D a una matriz de valores de voltaje equivalentes.

Figura 9. ToEng.vi.


10

Entradas:


o Range [I32]: Rango A/D usado para la conversión.

o AD Data: Valor de la muestra A/D devuelta por el convertidor A/D de la tarjeta.

Output:

o EngUnits: Equivalente en voltaje o corriente.

o ErrCode: Código de error.

AOut.vi

Establece el valor de una salida D/A.

Figura 10. AOut.vi.

Entradas:


o Channel [I32]: Número del canal A/D.

o Rango [I32]: Rango A/D usado para la conversión.

o DataValue [U16]: Valor actualizado a D/A.

Output:


2.2 Intercambiador de calor

El objetivo de esta parte del mecanismo es controlar la temperatura de la solución crioprotectora con la que será perfundido el órgano. El fluido circulará por dentro de una tubería de cobre sumergida en un anticongelante dentro de un congelador comercial. El baño de anticongelante logra que la solución baje la temperatura, por el contrario, la tubería de cobre será recubierta por un aislante eléctrico y encima de éste se coloca hilo de nicromo con el objetivo de subir la temperatura. La combinación de ambas consigue un control de la temperatura de la solución criprotectora.

Materiales

Relé

Sirve para conmutar la salida de la fuente de intensidad. Calentar (circuito cerrado) o enfriar (circuito abierto). Módelo Finder 40.61.

11



Figura 11. Relé.

Resistencias

Sirven para tanto para el circuito de configuración del relé, como para la configuración del amplificador operacional.

Figura 12. Resistencias THD.

Led

Indica si el circuito del relé está cerrado (encendido) o abierto (apagado).

Figura 13. Led.

Transistor de unión bipolar (Bipolar Junction Transistor, BJT)

Es un dispositivo electrónico que permite aumentar la corriente y disminuir el voltaje, además de controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Se utilizará para conmutar el relé. Dependiendo del estado del BJT el relé cambiará de estado. Modelo 2n2222.

Figura 14. BJT.

Amplificador operacional

Para amplificar la señal del termopar. Se utiliza el dispositivo LM741CN.

Figura 15. Ampliador operacional.


12

Anticongelante

Anticongelante del 30% para crear el baño de frío dentro del congelador. Su temperatura de congelación es de 17ºC. Marca Pequinsa.

Figura 16. Anticongelante.

Nevera

Se usa como recipiente para crear el baño de frío. Medidas (Ancho X Largo X Alto) 44x48x35cm

Figura 17. Nevera.

Congelador

Se usa como fuente de frío. Congelador comercial.

Figura 18. Congelador.

Tubería de cobre

La tubería por donde pasará la solución crioprotectora. Diámetro interior máx. 2mm y con pared exterior máx. 0.5mm. Longitud de 1.5 metros.

Figura 19. Tubería de cobre.

13



Funda trenzada de fibra de vidrio

Para aislar eléctricamente el hilo de nicromo y la tubería de cobre, se utiliza la funda trenzada de fibra de vidrio. Soporta temperaturas máximas de 200ºC es ignífugo. Diámetro mínimo 3mm. Diámetro deseado 4 mm.

Figura 20. Funda trenzada de fibra de vidrio.

Hilo de nicromo

Se usa para crear la resistencia calefactora. Es una aleación no magnética de níquel, cromo y hierro. Diámetro 0.5mm.

Figura 21. Hilo de nicromo.

Termopar RS PRO

Se usa para conocer la temperatura. Ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopar de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C. Fabricante RS PRO.

Figura 22. Termopar RS PRO.

Módulo termopar

Para convertir la salida del termopar en voltaje. Fabricante ISO-TECH. Módulo ITA11. Compatible con grados centígrados o Fahrenheit.

Figura 23. Modulo termopar.

Fuente de alimentación

Se usa para calentar la resistencia calefactora a través de una tensión. Rango de tensión de 0-25V y corriente máxima 5A.


14

Figura 24. Fuente de alimentación.

Pilas eléctrica.

Para alimentar el amplificador. Tensión 9V. Marca Duracell.

Figura 25. Pilas eléctrica.

Funcionamiento

Una vez explicado el objetivo del módulo y los elementos de los que se compone. Se puede llegar a entender mejor el funcionamiento exacto.

Se desarrolla un software con el objeto de seguir el perfil de enfriamiento utilizado por G.M. Fahy y que se muestra en la figura 26.

Figura 26. Protocolo de vitrificación y recalentamiento de G.M Fahy [1].

El seguimiento del protocolo hace posible que se conozca la temperatura exacta de un momento determinado. El software leerá la temperatura () exacta de la solución crioprotectora justo antes de perfundir en el órgano y la comparará con la temperatura esperada () en el protocolo. Éste podrá

tomar dos decisiones:

15



Activar el relé, en el caso <

Desactivar/No activar el relé, en el caso ≥

El control será un “todo o nada”. La activación del relé supone el paso de corriente eléctrica proveniente de la fuente de alimentación.

Para evitar oscilaciones debida a la precisión de la tarjeta y del termopar se da un margen de seguridad de ± 2º.

Figura 27. Circuito simplificado del funcionamiento del relé.

2.3 Intercambiador de crioprotector

El objetivo de esta parte del hardware es conseguir cambiar la concentración, para ello se hace uso de 2 bombas, en una de ella habrá buffer fosfato salino (Phosphate-Buffered Saline, PBS) y en la otra se usa dimetil sulfóxido (DMSO) como crioprotector en una solución isotónica. El cálculo se desarrolla en el apartado 3.4.

Materiales

Bombas peristálticas

Una bomba peristáltica es un tipo de bomba hidráulica de desplazamiento positivo usada para bombear una variedad de fluidos. El fluido es contenido dentro de un tubo flexible empotrado dentro de una cubierta circular de la bomba. Un rotor con un número de 'rodillos', 'zapatas' o 'limpiadores' unidos a la circunferencia externa comprimen el tubo flexible. Mientras que el rotor da vuelta, la parte del tubo bajo compresión se cierra forzando, de esta manera, el fluido a ser bombeado para moverse a través del tubo. Adicionalmente, mientras el tubo se vuelve a abrir a su estado natural después del paso de la leva ('restitución'), el flujo del fluido es inducido a la bomba. Este proceso es llamado perístasis.

Figura 28. Bomba peristáltica.


16

Recipientes

Harán falta dos recipientes, uno para PBS y otro con DMSO.

Figura 29. Recipiente.

Tubos

Los tubos se utilizan para unir las salidas de las bombas con el órgano y también para obtener el líquido de los recipientes. Son tubos de plástico flexible con conexiones estandar.

Figura 30. Tubo.

Unión T

Para conseguir la concentración final se usa la unión T, conectado la salida de cada bomba en una única salida. Diámetro de 10mm.

Figura 31. Unión T para la disolución.

17



Funcionamiento

Siguiendo la curva del protocolo de G.M. Fahy de la figura 26 se conoce la molaridad de la concentración que se desea en un determinado instante de tiempo. En cada bomba existe PBS o DMSO, cada uno de ellos tiene una molaridad diferente. Las salidas de las bombas se unen en una T, dando lugar a una nueva concentración a la salida de ésta.

Estas bombas proporcionan un determinado caudal que es directamente proporcional al voltaje que se le aplican. Variando la tensión de entrada en cada bomba se logra variar la proporción de cada uno de ellos en la salida. De esta manera se puede cambiar la concentración.

2.4 Fabricación de prototipo

Con el objeto de hacer un prototipo se desarrollara la fabricación de una placa de circuito impreso (Printed Circuit Board, PCB). En este apartado de desarrollará todo el proceso, desde el primer diseño hardware hasta la obtención de la placa PCB y su posterior soldadura.

Diseño analógico

El objetivo principal de la placa PCB es poder leer la temperatura del termopar, poder abrir y cerrar un relé y poder enviar información a las bombas.

Por lo que se dividirá en 3 partes fundamentalmente.

Figura 32. Esquemático Eagle de la PCB.

2.4.1.1 Amplificador de la señal de entrada

Figura 33. Esquemático del amplificador.

Se compone de un amplificador operacional, de dos resistencias y 6 pines (5 de entradas y 1 de salida).


18

2.4.1.2 Relé

Con el objetivo de poder actuar sobre la resistencia, la cual hará posible el calentamiento de la solución. Se compone de 3 resistencias, un diodo led (para indicar el estado), un BJT y 5 pines.

El relé será alimentando con 5 voltios y tendrá una señal de control que viene directamente de la tarjeta.

Los valores de la resistencia son [2]:

R6 = 1KΩ

R8 = 1KΩ

R7 = 10KΩ

2.4.1.3 Entrada y salida de bomba

Los pines de entradas hace referencia a los datos que envía la tarjeta y los pines de salida se conectan directamente a las bombas.

Figura 35. Entradas y salidas de las bombas.

Diseño del layout

Después de tener todos los componentes seleccionados, es muy importante elegir la huella adecuada en las librerías de Eagle, comprobando que es correcta.

Figura 34. Circuito relé.

19



Figura 36. Layout del circuito completo.

Fabricación de PCB

Existen diversos métodos de fabricación de PCBs, en este caso, debido a la disponibilidad de elementos necesarios y por su precio, se usa el método llamado fotolitografía.

Se imprime el PCB en papel de acetato, por un lado la parte top y por otro la cara bottom. El siguiente paso es preparar las disoluciones para el revelado de la placa: para preparar el líquido revelador se disuelve una cucharada de bicarbonato de sodio en un litro de agua; para el líquido atacante la proporción será 100cc de agua fuerte, 100cc de agua oxigenada y 100cc de agua.

Después de tener listas las disoluciones, se comienza a revelar el PCB. Se hace uso de la insoladora de rayos UVA que elimina la resina de aquellas zonas expuestas directamente a la luz. En un ambiente lúgubre, se despega la cubierta adhesiva de la placa para dejar al descubierto su cara fotosensible, coloca hacia arriba, superponiendo el papel de acetato con el circuito impreso, teniendo cuidado de colocarlo de la forma correcta. En la placa aparece el circuito que ve directamente el observador. Después, se hace el vacío y durante aproximadamente 3 minutos se deja actuar la radiación, este proceso se vuelve a repetir para la otra cara de la placa con cuidado de no mover el papel de acetato para que los pasos de cara coincidan.

Una vez sacada la placa, ésta se sumerge en el líquido revelador, que actuará de capa protectora sobre las zonas de la placa que no han sido insoladas; tras varios minutos se saca de la disolución y se enjuaga. Justo después se introduce en el líquido atacante, tras varios minutos se enjuaga y se seca.

El líquido revelador es reutilizado, pero el líquido atacante pierde su poder corrosivo por lo que se deposita en un recipiente para su correspondiente tratado.

Montaje de componentes

Antes de taladrar la placa hay que retirar la resina que protege al cobre de su oxidación, para ello se utiliza acetona. Con esto el estaño se adhiere correctamente. Después de esto, se taladra la placa para conseguir soldar los componentes THD.


20

La soldadura que se realizará será manual, con estaño y flux1 para facilitar la soldadura de los componentes a la placa.

Se empieza a soldar los componentes, de menor a mayor tamaño, evitando que los componentes más grandes dificulten las demás soldaduras.

A la hora de desoldar algunos componentes por problemas con el soldador, la pista de cobre se levanta, para poder solucionar esto se busca alternativas, como la colocación de cables para su correcta conexión o rascar un poco la placa para poder colocar el estaño correctamente y lograr el enlace.

Figura 37. Placa soldada.

Resistencia calefactora

En la figura 27 se representa el circuito simplificado del calentamiento del relé.

La resistencia R se crea de la siguiente manera:

Figura 38. Creación de la resistencia calefactora.

1 El flux se una resina adherente que mejora substancialmente la adherencia del estaño.

21



Cálculos del amplificador

La ecuación característica de un montaje de un amplificador en modo inversor es:

= − ∙

(1)

El esquema de montaje es el siguiente:

Figura 39. Esquema amplificador modo inversor.

Es importante que la relación entre las resistencias sea lo más grande posible, de esta manera se consigue que los saltos de temperatura se puedan capturar de forma correcta con la tarjeta.

Los valores elegidos son:

R2 = 10KΩ

R1 = 100 Ω

Por lo que la ganancia será = −

= −100.

Para entenderlo mejor se expone un ejemplo, si la temperatura medida es de 24ºC la salida del módulo de lectura del termopar es de 24mV y la tarjeta captura la tensión de -2.4V. Por software se invierte la entrada con un factor de -10. Con esto se consigue que el programa muestre la temperatura correcta, en este ejemplo, 24ºC.

23

3 CALIBRACIÓN DEL SISTEMA

a calibración es el conjunto de operaciones con las que se establece, bajo condiciones específicas, la correspondencia entre los valores indicados en un instrumento, equipo o sistema de medida y los valores conocidos correspondientes a una magnitud de medidas a las correspondientes unidades

básicas, procediendo a su ajuste o expresando esta correspondencia por medio de tablas.

Para calibrar un instrumento o patrón es necesario disponer de un sistema de mayor precisión que proporcione el valor verdadero que es el que se empleará para compararlo con la medida del instrumento a calibrar.

Para la calibración de los termopares se usará un módulo de lectura de temperatura por termopar de la empresa Pico Technology y también un instrumento llamado “RTD THERMOMETER”.

Figura 40. Pico Log, módulo de lectura del termopar.

Figura 41. Termómetro RTD.

La calibración de los componentes es crítica para el funcionamiento global del sistema. En un sistema complejo como este, es imprescindible caracterizar cada uno de los componentes para así poder lograr una alta precisión y asegurarse de que la máquina ofrece las especificaciones requeridas.

Para conseguir un alto número de temperaturas y hacer una caracterización correcta también se hace uso del Biocool, es un dispositivo con un recipiente cilíndrico que contiene un líquido refrigerante que puede llegar a alcanzar temperaturas de entorno a los -40ºC.

L

Calibración del sistema

24

3.1 Calibración del termopar

La temperatura de la siguiente tabla es extraída con la ayuda del termómetro RTD, figura 41, y comprobada con el display del dispositivo Biocool.

Tabla 2. Calibración del termopar.

TEMPERATURA EN ºC TENSIÓN EN VOLTIOS 8 2.00

7 2.06 6 2.19 5 2.20 4 2.25 3 2.30 2 2.35 1 2.40 0 2.43 -1 2.50 -2 2.54 -3 2.60 -4 2.65 -5 2.70 -6 2.76 -7 2.83 -8 2.91 -9 2.90

-10 2.70 -11 2.51 -12 2.58 -13 2.65 -14 2.69 -15 2.73 -16 2.76 -17 2.82 -18 2.82 -19 2.89 -20 2.92 -21 2.95

-22 2.95

Debido al gran error que presentan las medidas se descarta usar el termopar junto al amplificador operacional. Para solucionarlo se hace uso del módulo de la figura 21, que transforma la tensión leída por el termopar en temperatura, en órdenes de milivoltios que más tarde son amplificados por el operacional.

Se vuelve a hacer la calibración obteniendo los siguientes resultados.

25



Tabla 3. Calibración del termopar con módulo termopar.

TEMPERATURA EN ºC TENSIÓN EN mV 8 8.10

7 7.00 6 6.00 5 5.10 4 4.05 3 3.02 2 2.00 1 1.01 0 0.01 -1 -1.02 -2 -2.10 -3 -3.05 -4 -4.01 -5 -5.21 -6 -6.01 -7 -7.20 -8 -8.32 -9 -9.31

-10 -10.25 -11 -11.18 -12 -12.23 -13 -13.18 -14 -14.23 -15 -15.22 -16 -16.18 -17 -17.32 -18 -18.10 -19 -19.05 -20 -20.12 -21 -21.37 -22 -22.14

La calibración de las bombas se hará cronometrando el tiempo que tarda en llenar 1 mililitro en una pipeta graduada a diferentes tensiones.

3.2 Calibración de la bomba 1

Tabla 4. Calibración bomba1.

VOLTIOS VOLTAJE EN UC TIEMPO EN SEGUNDOS

Q(ml/min)

1.467 300 473 0.127

2.444 500 289 0.208

2.933 600 234 0.256

3.421 700 201 0.299

3.910 800 173 0.347

4.399 900 160 0.375


26

4.888 1000 143 0.419

El código utilizado en Matlab para la obtención de la recta de regresión se presenta a continuación. Si se quiere algo más preciso se puede cambiar el grado de polinomio. Nótese que si el grado es muy alto puede existir overfitting y el funcionamiento no sea el deseado.

%%Fichero para la configuración de la bomba 1 %Alvaro Perez Aguilar Correo: [email protected]

% Se recomendia hacerlo en Voltaje binario porque así la salida está

% preparada. Para escribir se necesita la tensión en binario. %% Tension Y, Caudal X y=[0; 1.466; 2.444; 2.933; 3.421; 3.910; 4.399; 4.888];% Input en voltios

% y = [3; 5; 6; 7; 8; 9; 10]; %Voltaje en binario para un rango de tensin de 0-5V % x = [0;0.00948; 0.01614; 0.02083; 0.02220; 0.02982; 0.03089; 0.03242]; %CAUDAL x = [0;0.12685; 0.20761; 0.2564; 0.29851; 0.34682; 0.3750; 0.41958]; %CAUDAL tipo = 2; % 1 es crear una recta c= polyfit(x,y,tipo) % Y= c(1)*x +c(2); % plot (x,Y,'*') xp = linspace(0.5, 0, 10000); yp = polyval(c,xp); plot(xp,yp,x,y,'xr'); xlabel('Caudal'); ylabel('Tensión');

title('Gráfica tensión caudal de la bomba1');

Figura 42. Tensión caudal bomba1.

Tras ejecutar el código y sabiendo que la curva está definida como: + +

Tabla 5. Valores de la caracterización de la bomba1.

VARIABLES VALOR

a 0.6755

b 11.2834

c 0.0134

27



3.3 Calibración de la bomba 2

Tabla 6. Calibración bomba2.

VOLTIOS VOLTAJE EN UC TIEMPO EN SEGUNDOS

Q(ml/min)

1.467 300 526 0.114

2.444 500 338 0.177

2.933 600 300 0.200

3.421 700 256 0.234

3.910 800 226 0.265

4.399 900 206 0.291

4.888 1000 192 0.313

%%Fichero para la configuración de la bomba 2 %Alvaro Perez Aguilar Correo: [email protected]

% Se recomendia hacerlo en Voltaje binario porque así la salida está

% preparada. Para escribir se necesita la tensión en binario. %% Tension Y, Caudal X y=[0; 1.466; 2.444; 2.933; 3.421; 3.910; 4.399; 4.888];% Input en voltios x = [0; 0.1141; 0.177548; 0.2; 0.234375; 0.2655; 0.2913; 0.3125]; %CAUDAL %% Calculo tipo = 2; % 1 es crear una recta c= polyfit(x,y,tipo) xp = linspace(0.5, 0, 1000); yp = polyval(c,xp); plot(xp,yp,x,y,'xr'); xlabel('Caudal');

ylabel('Tensión');

title('Gráfica tensión caudal de la bomba2');

Figura 43. Tensión caudal bomba2.


28

Tras ejecutar el código y sabiendo que la curva está definida como + + :

Tabla 7. Valores de la caracterización de la bomba2.

VARIABLES VALOR

a 11.66

b 11.87

c -0.0065

Cabe destacar que se trabajará a caudal constante, por lo que el caudal máximo vendrá impuesto por la bomba que menos caudal pueda dar.

3.4 Molaridad de la concentración

PBS es una solución empleada en la investigación biológica, bioquímica y de inmunología diagnóstica. Es una solución acuosa y salina que contiene cloruro sódico, fosfato sódico, cloruro de potasio y fosfato de potasio.

El dimetilsulfóxido (DMSO) es un líquido orgánico incoloro de fórmula química CH3SOCH3 que contiene sulfóxido, usado como disolvente orgánico industrial a partir de 1940, como criopreservante a partir de 1961.

La disolución se compone de DMSO y de PBS. Se conoce que la densidad del primero es 1.1 g/cm3 y del último es de 1 g/cm3.

Tabla 8. Datos de la disolución.

DMSO PBS

Densidad(g/cm^3) 1.1 1

Peso molecular(g/mol) 78.13 293.3

M(mol/cm^3) 0.0140791 0.00340948

M(mol/L) 14,0791 3.3410

Tabla 9. Cálculo de la disolución para diferentes M

5 M 8.4 M 9.345 M

PM ( peso molecular, g/mol)

78.13 78.13 78.13

Masa(g)/V(L) 390.65 656.292 730.13

Concentración DMSO (ml)/V(1ml)

0.355 0.597 0.664

M(mol/L) 0.645 0.403 0.336

Las fórmulas utilizadas son:

=

(

)

(

)

(2)

29



=

∗ 1000 (3)

()

()=

()

(

)

(4)

ó ()/(1) =(

)

(

) (5)

ó ()

()= 1 − ó ()/(1) (6)

31

4 SOFTWARE

l software que se utiliza en el proyecto es LabView. Lo primero que debe hacer es calibrar la tarjeta con el software “InstaCal”. Una vez calibrada se puede abrir el software LabView, y ejecutar el fichero “principal.vi”, todos los archivos usados deben de estar dentro de la misma carpeta.

El software se divide en tres partes diferenciadas, aprovechando la modularidad del programa.

Las tres partes son:

Temperatura

Concentración

Relé

Será clave poder probar estas partes por separado. A continuación se muestra un esquema simplificado de la estructura del software.

Figura 44. Estructura del software.

Se pueden observar diferentes módulos los cuales se explicarán en este punto.

El uso del relé se debe usar de forma especial. Se hará otro módulo para poder controlarlo.

E

Software

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Figura 45. Esquema de activación o desactivación del relé.

El relé se activará cuando la temperatura deseada sea mayor que la leída, existirá un botón que active el relé aunque esta condición no se cumpla. Por motivos de seguridad también se añade un botón, con mayor prioridad, que desactive el relé.

Es muy importante la configuración como puerto de salida la borna que controla el relé. Se debe hacer por separado y al principio de la ejecución, de esta manera se evita problemas de conmutación. Puesto que si se configura cada vez que se repite el bucle while cuando esté activo se volverá a desactivar, debido a que se vuelve a configurar el puerto como salida y a continuación se activa de nuevo, este proceso se ejecutará de forma repetitiva haciendo imposible el calentamiento. En la figura 46 se representa el código completo, el recuadro blanco hace referencia al bucle while, fuera del bucle están el módulo de configuración del puerto y varias entradas de configuración del sistema.

4.1 Explicación del código

En este apartado se explicará cada uno de los módulos usados para el desarrollo del proyecto.

Figura 46. Código completo.

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Cada módulo se puede ejecutar por separado para comprobar el funcionamiento.

Adquisición de datos

Este subvi tiene como entrada el número de la tarjeta dado por instaCal y el canal de adquisición de datos. También se le debe indicar el rango de los valores. Como salida está el dato leído por la placa y su equivalencia en grados y una gráfica donde se verá la evolución de la misma.

Figura 47. Interfaz del módulo adquisición de datos.

El funcionamiento de este modulo se corresponde a leer un dato por “Canal”, se debe invertir y multiplicar por 10 para transformalo en temperatura. A continuación se hace la media de los datos para intentar minimizar algún dato erróneo.

Figura 48. Código del módulo adquisición de datos.

Software

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Activar relé

Este subvi tiene como entrada el número de la tarjeta y el número de puerto, y como salida un booleano que activa el relé cuando vale 1 y en caso contrario no lo activa.

Figura 49. Interfaz del módulo activar relé.

El funcionamiento de este módulo se corresponde a escribir un dato (1/0) ,utilizando el modulo OBitOut, en el puerto correspondiente que es de tipo “FIRSTPORTA”.

Figura 50. Código del módulo activar relé.

Configuración puerto

Este subvi tiene como entrada el número de la tarjeta y el número de puerto. En este caso, no tiene salida, simplemente se configura el puerto como salida si se introduce un 1 o como entrada (por defecto) si tiene un valor de 0. Es importante hacerlo fuera del bucle while, evitando conmutaciones.

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Figura 51. Interfaz del módulo configuración puerto.

El funcionamiento se basa en el uso del módulo DCfgPort, el cual configura un puerto como salida cuando de entrada se le da el valor de 1.

ç

Figura 52. Interfaz del módulo configuración puerto.

Control relé y temperatura

Este módulo tiene como entrada la temperatura deseada y la temperatura leida. Y como salida tiene 4 indicadores, tres intermedios y uno final:

Calentar, indicador intermedio, indica que la temperatura leída es menor que la temperatura deseada.

Mantener, indicador intermedio, indica que la temperatura está dentro del margen ±1ºC entre temperatura deseada y leída.

Encender /Apagar, es el indicador final, valor positivo indica encender el relé y un valor negativo apagar el relé.

Enfriar, indicador intermedio, indica que la temperatura leída es mayor que la temperatura deseada.

Software

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Figura 53. Interfaz del módulo control relé y temperatura.

El funcionamiento de este módulo se basa en el uso de puertas lógicas. La diferencia entre la temperatura leída y la temperatura deseada tiene que ser menor que ±1ºC. En caso contrario, el relé se activará para que la temperatura leída suba o se desactivará para enfriar.

Figura 54. Código del módulo control relé y temperatura.

Caudal/temperatura

Este subvi tiene como entrada la molaridad deseada y caudal, como salida tiene la concentración necesaria de PBS y DMSO para conseguir esta molaridad y el caudal correspondiente para las bombas nº 1 y nº 2.

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Figura 55. Interfaz del módulo caudal/temperatura.

El funcionamiento de este subvi se basa en el cálculo de molaridad a través de las ecuaciones [2-6]. En este caso se ha desarrollado en código.

Figura 56. Código del módulo caudal/temperatura.

Componentes recta de concentración

Este subvi tiene como entrada el tiempo de ejecución y como salida proporciona 2 puntos, [x0,y0] y [x1,y1], necesarios para crear una recta.

Software

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Figura 57. Interfaz del módulo componentes concentración.

Para conseguir estos puntos, se ha introducido en forma de código las diferentes rectas que componen la figura 1. Esta figura se extrajo de un artículo de G.M. Fahy [1].

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Figura 58. Código del módulo componentes concentración.

Componentes recta de temperature

Este subvi tiene como entrada el tiempo de ejecución y como salida proporciona 2 puntos, [x0,y0] y [x1,y1], necesarios para crear una recta.

Figura 59. Interfaz del módulo componentes temperatura.

Software

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Para conseguir estos puntos, se ha introducido en forma de código las diferentes rectas que componen la figura 1. Esta figura se extrajo de un artículo de G.M. Fahy [1].

Los códigos de este subvi y el subvi 4.1.6 se diferencia en que uno transcribe las gráficas de la molaridad y otro de la temperatura.

Figura 60. Interfaz del módulo componentes temperatura.

Rampa concentración

Este subvi tiene como entrada dos puntos para construir una recta, la salida del bloque 4.1.6 es la entrada de este. También tiene como entrada el minuto de ejecución, y como salida tiene la molaridad deseada.

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Figura 61. Interfaz del módulo rampa concentración.

El funcionamiento de este subvi se basa en la construcción de una recta a partir de los 2 puntos que tiene como entrada. Una vez construida la ecuación de la recta, con ayuda del minuto de ejecución, se obtiene fácilmente la molaridad requerida en un momento concreto.

Figura 62. Código del módulo rampa concentración.

Rampa temperatura

Este subvi tiene como entrada dos puntos para construir una recta, la salida del bloque 4.1.7 es la entrada de este. También tiene como entrada el minuto de ejecución, y como salida tiene la molaridad deseada.

Figura 63. Interfaz del módulo rampa temperatura.

Software

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El funcionamiento de este subvi se basa en la construcción de una recta a partir de los 2 puntos que tiene como entrada. Una vez construida la ecuación de la recta, con ayuda del minuto de ejecución, se obtiene fácilmente la molaridad requerida en un momento concreto.

Figura 64. Interfaz del módulo rampa temperatura.

Configuración bomba 1

Este subvi tiene como entrada: 5 variables para construir su función de transferencia, un booleano para activar o desactivar la bomba y el caudal deseado en ml/min. Y como salida da la tensión deseada en binario. El caudal viene del módulo 4.1.5.

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Figura 65. Interfaz del módulo configuración bomba1.

El funcionamiento de este subvi se trata en calcular la tensión deseada para la bomba 1, teniendo construida la función de transferencia, con ayuda del caudal necesario, el cual es aportado por otro subvi.

La función de transferencia es de la forma + + + + , donde x sería el caudal. En caso que la bomba no esté activa la salida se fija a cero. Esto es lo que se observa en la figura 66.

Figura 66. Código del módulo configuración bomba1.

Software

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Configuración bomba 2

Este subvi tiene como entrada: 5 variables para construir su función de transferencia, un booleano para activar o desactivar la bomba y el caudal deseado en ml/min. Y como salida da la tensión deseada en binario. El caudal viene del módulo 4.1.5.

Figura 67. Interfaz del módulo configuración bomba2.

El funcionamiento de este subvi se trata en calcular la tensión deseada para la bomba 1, teniendo construida la función de transferencia, con ayuda del caudal necesario, el cual es aportado por otro subvi.

La función de transferencia es de la forma + + + + , donde x sería el caudal. En este caso se puede ver como se ha desarrollado la ecuación en la figura 68.

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Figura 68. Código del módulo configuración bomba2.

Control bomba 1

Este subvi tiene como entrada, el nº de la tarjeta, el nº de puerto, el rango y el valor binario procedente del módulo 4.1.10. Como salida tiene una gráfica donde se dibuja la evolución de la tensión.

Figura 69. Interfaz del módulo control bomba1.

El funcionamiento de este subvi se basa el uso del módulo AOut, el cual escribe en el puerto deseado la tensión indicada. Para poder pintar la gráfica en unidades del sistema internacional se usa el módulo ToEng para pasar el valor binario a voltios.

Software

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Figura 70. Código del módulo control bomba1.

Control bomba 2

Este subvi tiene como entrada, el nº de la tarjeta, el nº de puerto, el rango y el valor binario procedente del módulo 4.1.10. Como salida tiene una gráfica donde se dibuja la evolución de la tensión.

Figura 71. Interfaz del módulo control bomba2.

El funcionamiento de este subvi se basa el uso del módulo AOut, el cual escribe en el puerto deseado la tensión indicada. Para poder pintar la gráfica en unidades del sistema internacional se usa el módulo ToEng para pasar el valor binario a voltios.

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Figura 72. Código del módulo control bomba2.

Software

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4.2 Interfaz de usuario

Figura 73. Interfaz principal del programa.

En la figura 73, se muestra la interfaz completa del programa principal. Para entender mejor cómo se maneja y cuáles son los pasos a seguir al arrancar el programa a continuación se detallará cada una de las partes de la interfaz en cada uno de los pasos.

1º Paso

Seleccionar el fichero donde se guardarán los datos que genere el programa.

Figura 74. Interfaz principal parte superior.

En la figura 74, se muestra la ruta completa del fichero donde se guardarán los datos. También se observa una barra llamada “minuto de la ejecución”, ésta indica el instante de ejecución del programa, cada vez que se abre empezará por el minuto 0. A su vez, existe la posibilidad de seleccionar un tiempo posterior al

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real, esto se consigue con el botón “offset tiempo”. Este botón permite solo ir hacia delante en el tiempo, cambiando el instante de tiempo y poder dirigirse al momento exacto que se desea.

2º Paso

Configurar el canal de entrada, nº de tarjeta, puerto del relé, caudal máximo, los canales de las bombas y los valores de su curva de calibración. También es interesante configurar el rango.

Figura 75. Interfaz principal parte de configuración.

Debido a la configuración de la tarjeta el nº de tarjeta y nº de puerto es 1. El caudal máximo es el caudal máximo de la bomba con menos potencia, en este caso 0.32 ml/min.

En la configuración de las bombas se muestra los valores que se deben introducir. En ambas bombas se han introducido dos variables más, como es, input a e input b por si el usuario quiere utilizar una ecuación de un mayor grado para su calibración. El rango de datos leídos es ±5V en el canal 0, pero el rango de ambas bombas se recomienda que sea 0-5V.

3º Paso

Activar las bombas.

Figura 76. Interfaz principal, bombas, relé y errores.

Para seguridad del órgano se debe existir la posibilidad de activar o desactivar las bombas, si están funcionando y en un momento se desea frenar el flujo solamente haría falta desactivarla.

Otra parte de la interfaz es la gráfica de temperatura, donde se puede ver la temperatura leída respecto al tiempo.

Una parte fundamental es el uso del relé. Existen 1 indicador y 2 botones. El primer indicador “estado del relé” indica su estado de funcionamiento, ON u OFF. El primer botón “Forzar activación” activa la salida de forma manual aunque el software no lo haya activado, y el segundo botón “Forzar desactivación” desactiva el relé, es el botón con mayor prioridad, es decir, cuando se pulsa STOP el relé pasará al estado de apagado aunque el primer botón este activo.

Por último se pueden observar los errores del código, estos dan información útil sobre el estado del sistema.

Software

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4º Paso

Ejecutar el programa, después de tener toda la configuración se ejecuta el programa. Es importante hacerlo en este orden para evitar errores.

Figura 77. Interfaz principal gráficas.

En esta parte de la interfaz se puede observar la evolución de la molaridad deseada, la temperatura que se espera para poder así compararla con la que está leyendo el programa en el momento exacto.

Y también existen las gráficas de la tensión de las bombas, a su vez se ha introducido otra barra que indica el minuto de ejecución por si la amplitud de la pantalla, donde se ejecute el programa, no permite ver conjuntamente las gráficas y el tiempo.

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5 RESULTADOS

l sistema diseñado tiene múltiples dependencias con elementos externos como la longitud del tubo de cobre, la geometría de éste, la profundidad a la que es introducido en el baño de anticongelante y la colocación de las bombas, entre otras cosas. Conociendo estas características se intenta calibrar

el sistema. Se realizará una serie de pruebas para comprobar el correcto funcionamiento

5.1 Prueba 1: La resistencia calefactora se coloca en el límite del tubo, justo antes de conectar al órgano.

Figura 78. Diagrama con resistencia a la salida.

La primera idea del mecanismo es esta, pero al realizar la prueba la solución del crioprotector se congela antes de llegar a la resistencia calefactora. Por lo que resulta imposible de controlar. La solución adoptada es colocar la resistencia calefactora al inicio y utilizar el baño de frío como una rampa de enfriamiento, es decir, se introduce la solución a una gran temperatura y el baño enfría hasta la temperatura deseada. Esto provoca otros problemas, como las uniones. Hay que situar la resistencia lejos de la unión para evitar que se derrita, ya que se alcanza temperaturas de 150ºC.

Figura 79. Diagrama con resistencia a la entrada.

E

Resultados

52

A partir de aquí se utiliza el sistema esquematizado en la figura 79, en la figura 80 se muestra el sistema real. Con ayuda de aislantes se intenta que se mantenga la temperatura hasta el final.

Figura 80. Sistema final con marcas.

Hay dos marcas, azul y roja, a las que se harán referencias más adelante.

5.2 Prueba 2: Se introduce el nuevo sistema, figura 79, funcionando dentro del congelador.

Se comprueba que el crioprotector fluye, acto seguido se introduce dentro del congelador hasta la marca roja o azul. Los resultados se ven en la siguiente tabla.

Tabla 10. Temperatura inicial y final para prueba 2.

Temperatura inicial2 Temperatura final3 Marca Roja 4ºC -18ºC Mara Azul 0ºC -25ºC

A la vista de estos resultados se extrae que no se cumplen los resultados deseados, que serían una temperatura inicial de 4ºC y una temperatura final de -22ºC.

La explicación a este fenómeno es que dependiendo del tamaño de la tubería de cobre introducido se puede llegar a bajar la temperatura hasta cierto punto, del mismo modo tampoco se logra llegar a una temperatura alta si se introduce mucho la tubería dentro del baño.

5.3 Prueba 3: Dejando el sistema dentro del frigorífico durante más de 24 horas.

Los resultados se ven en la siguiente tabla.

Tabla 11. Temperatura inicial y final para prueba 3.

Temperatura inicial Temperatura final Marca Roja -5ºC -18ºC Mara Azul -8ºC -25ºC

A la vista de los resultados se comprueba la complejidad que tiene el control de temperatura con este sistema. Se descarta su uso por la excesiva influencia de las variables externas. Ahora la temperatura será controlada por el dispositivo BioCool.

2 Temperatura inicial: temperatura máxima que se puede alcanzar una vez estabilizado el sistema.

3 Temperatura final: temperatura mínima que se puede alcanzar tras el paso de varias horas (8/9horas)

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El nuevo sistema será:

Figura 81. Nuevo sistema de enfriamiento.

El sistema de calentamiento diseñado es sustituido por el Biocool, pero este cambio no es inmediato, hay que modificar el sistema completo para conseguir el objetivo. La primera variación es eliminar el hardware sobrante (tubo de cobre, relé, entre otras cosas). El trato sobre el órgano también difiere en los dos sistemas, en éste se introducirá en un tubo cerrado rodeado de la misma disolución perfusora.

Figura 82. Recipiente.

La disolución del interior debe cambiar con el tiempo, al igual que la solución perfusora. Éste es un problema crítico. Para solucionarlo se añade una tercera bomba, la cual deberá actuar al máximo de su capacidad para lograr cambiar la capacidad de la disolución del interior del recipiente, ya que el volumen de la disolución es mucho mayor.

En el tapón se abrirán 3 agujeros pequeños del tamaño de la aguja. Uno de ellos conectará el órgano, otro la disolución exterior y el tercero se utilizará de drenaje, ya que se está añadiendo líquido en un recipiente cerrado.

Figura 83. Recipiente con todas las vías conectadas.

Resultados

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Una vez montado todo el sistema se procede a realizar otras pruebas pruebas.

5.4 Prueba 4: Rampas de temperatura con Biocool y agitador al mínimo

Figura 84. Prueba 4, rampas de temperaturas con agitador al mínimo.

Para el correcto uso del Biocool se debe usar el agitador al mínimo posible para su funcionamiento. La figura 84 es sacada con el agitador a una velocidad de 1. Existen oscilaciones porque el agitador se pará tras unos minutos a dicha velocidad. Las variaciones son grandes, por lo que se descarta el uso del agitador a esta temperatura.

5.5 Prueba 5: Rampas de temperatura con Biocool y agitador a la velocidad 3.

Las rampas se han definido de la siguiente manera:

De 4ºC a -3ºC con un paso de 0,1ºC

De -3ºC a -22ºC con un paso de 2ºC

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Figura 85. Prueba 5, rampas de temperaturas con agitador a velocidad 3.

En la figura 85 se muestra la evolución de la temperatura, con idea de poder comprobar si es correcta o no se procede a hacer la comparación entre la gráfica obtenida en el Biocool y la gráfica de G.M. Fahy.

Figura 86. Comparación entre la gráfica de G.M. Fahy y la gráfica obtenida del Biocool.

Las líneas rojas se trazan en los puntos clave para poder llevar a cabo la comprobación. Éstas son trazadas en los mismos puntos en ambas gráficas. En conclusión se obtiene que la temperatura es alcanzada de forma estable, pero no en el mismo los mismos tiempos. Esto se traduce en que las rampas no se pueden copiar de forma exacta debido a la precisión del Biocool.

Resultados

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Tabla 12. Comparación de temperatura entre el sistema y G.M. Fahy.

Tiempo de G.M. Fahy

Tiempo en el sistema real

Duración de meseta de 4ºC

60 60

Rampa hasta alcanzar -3ºC

115 127

Duración de meseta -3ºC 12 13 Rampa hasta alcanzar -

22ºC 12 23

En la tabla 12 se muestra las diferentes tiempos que tardan en alcanzar los puntos de control. Existe un desfase total de 23 minutos entre el tiempo que tarda G.M. Fahy en llegar a dichos puntos y el tiempo real de nuestro sistema. El problema principal, como se mencionó anteriormente, está en la definición de las rampas por la precisión del Biocool. La gráfica de G.M. Fahy son solo una guía para seguir, no cumplirla de forma estricta no significa que el órgano no sobrevivirá.

5.6 Prueba 6: Rampas de molaridad

Otra prueba imprescindible es medir la molaridad en cada momento, al no disponer de un aparato específico que sea capaz medir la disolución, se comprueba de forma teórica. Se obtienen los siguientes resultados:

Figura 87. Seguimineto de la molaridad.

Comparando la figura 87 con la gráfica de G.M. Fahy, figura 1, se comprueba que sí son exactas. Esta comparación se puede ver en la figura 88.

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Figura 88. Gráfica G.M. Fahy molaridad.

Seguir la gráfica de G.M. Fahy no es algo crítico, por lo que no importa este desfase que hay entre la temperatura y la molaridad de nuestro sistema con el de G.M. Fahy. Se tomó su protocolo como algo orientativo. En el caso de que fuera necesario aproximarlo más, el software está diseñado para que de forma sencilla se añada un offset temporal en los puntos que sea necesario para ajustarlo lo máximo posible.

5.7 Prueba 7: Comprobación de la interfaz.

Algo muy útil es saber si la interfaz diseñada es útil y si se vierten los resultados de forma correcta.

El protocolo dura 3 horas, esto hace imposible que las gráficas se muestren completas en la interfaz, pero en este caso y para comprobar que todo funciona correctamente se “acelera el tiempo” con ayuda del offset.

Figura 89. Gráficas de la interfaz.

En la figura 89 se comprueba que la forma de las gráficas de molaridad y temperatura corresponden a la misma forma que las de las pruebas 5 y 6.

Resultados

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Figura 90. Comprobación de la interfaz.

En la figura 90, se puede ver cómo están activadas las dos bombas, de esta manera la tensión que recibe es diferente de cero (figura 89). También se puede ver las diferentes concentraciones de DMOS y PBS que existe en la disolución y que no ocurre ningún error.

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6 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

as conclusiones extraídas después de realizar este proyecto son múltiples, destacando la gran utilidad del Biocool en aplicaciones como esta, que lo convierte en una herramienta muy completa, capaz de solventar uno de los grandes problemas como el control de temperatura de forma eficiente.

Del mismo modo, se ha descartado por completo el sistema de control de temperatura realizado debido a las múltiples dificultades encontradas, encontrando el porqué de que aún no se haya conseguido desarrollar un mecanismo para tal fin.

El primer problema encontrado fue la colocación de las bombas para conseguir que la solución fluyera, conseguir que fuera algo estándar resulto muy complicado. Después de solucionar este problema, se encontró el problema de que se congelaba la solución antes de llegar a la resistencia calefactora, concluyendo que no era posible realizar el dispositivo con la resistencia a la salida.

La nueva solución fue cambiar la resistencia de lugar y utilizar el baño de frio como rampa de enfriamiento. Se consiguió acercar a un funcionamiento correcto, aunque con múltiples dependencias externas con los materiales y la colocación de los mismos, haciendo imposible caracterizarlo para un comportamiento correcto.

Finalmente se utilizó el dispositivo Biocool, este dispositivo permite un gran control de la temperatura. Lo más importante que se debe tener en cuenta es el uso del agitador. Este aparato es de gran sensibilidad y hay que tratarlo lo mejor posible, la velocidad a la que debe actuar debe ser la mínima posible, pero siempre se debe supervisar para comprobar que está girando.

Es imprescindible la calibración de cada uno de los elementos que se usa. La mala calibración de uno de los componentes puede suponer un error fatal o un error tan disimulado que haga pensar que alguna de las partes no estén bien, cuando simplemente es que no está calibrado. La mayoría de valores de calibración son variables en la interfaz, permitiendo cambiarlo sin necesidad de abrir el código.

El software utilizado ha sido LabVIEW, las ventajas de usar este software son el rápido tiempo de desarrollo de las aplicaciones, ya que es muy intuitivo y fácil de aprender. Además consigue que el sistema sea flexible, permitiendo cambios y actualizaciones tanto de hardware como del software. Integra funciones de adquisición, análisis y presentación de datos y tiene la posibilidad de incorporar aplicaciones escritas en otros lenguajes.

El principal problema de usar la tarjeta PMD-1208 es que debido a la antigüedad de la tarjeta solo se permite conectar a un PC Windows XP, con la inconveniencia que la mayoría de ordenadores no tienen este sistema operativo. Del mismo modo, se probó a usarlo en una máquina virtual sobre un Windows 10 y los drivers no permiten su uso. Este problema se solventaría con la adquisición de una nueva tarjeta.

Se ha diseñado una interfaz sencilla para su uso. Esta interfaz es independiente, es decir, se puede modificar la parte que se desee sin necesidad de cambiar toda la interfaz.

Cada uno de los módulos que componen el programa completo está comentado y su funcionamiento también está explicado dentro del código.

Como trabajo futuro queda la realización de un estudio más profundo sobre la concentración empleada, aunque teóricamente funcione todo correctamente, es interesante utilizar el mecanismo NanoCT para monitorizar la concentración.

La experimentación con un órgano animal también queda como pendiente a falta de licencias y pruebas sobre la disolución.

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Referencias

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REFERENCIAS

[1] Physical and biological aspects of renal vitrification, Gregory M. Fahy,* Brian Wowk, Roberto Pagotan, Alice Chang, John Phan, Bruce thomson and Laura Phan, Organogenesis 5:3, 167-175; July/August/September, 2009.

[2] Internet de las cosas aplicado al control del sistema energético de una vivienda. Álvaro Pérez Aguilar y Eduardo Galván. 2016

[3] Implantación de sistema de equilibrium vitrification y control mediante LabView

diseño e implementación de sistema de monitorización y...

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