Nghiên cứu hệ thống điều khiển cung cấp áp lực khí tự động cho tủ ấm CO2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  MAI ANH TUẤN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP ÁP LỰC KHÍ TỰ ĐỘNG CHO TỦ ẤM CO2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  MAI ANH TUẤN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP ÁP LỰC KHÍ TỰ ĐỘNG CHO TỦ ẤM CO2 Chuyên ngành: KỸ THUẬT Y SINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐẶNG QUANG HIẾU HÀ NỘI - 2019 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung hệ thống tủ ấm phôi người 1.1.1 Điều nhiệt (Kiểm sốt nhiệt độ mơi trường) yếu tố định 1.1.2 Sự đánh giá chế sản sinh tổn thất nhiệt 1.1.3 So sánh máy sưởi xạ tủ ấm 1.2 Mục tiêu CHƢƠNG TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 10 2.1 Giới thiệu chung 10 2.2 Hệ thống tủ ấm nuôi phôi 10 2.2.1 Lớp lõi 14 2.2.2 Lớp vỏ tế bào 19 2.3 Mơ hình tủ ấm 22 2.3.1 Mơ hình khơng gian ấp 22 2.3.2 Mơ hình thành (nắp) lồng ni 25 2.3.3 Mơ hình đệm 29 2.4 Mơ hình phần tử gia nhiệt 30 CHƢƠNG 3.PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH SIMULINK VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 35 3.1 Giới thiệu 35 3.2 Khối hệ thống tủ ấm phôi (PLANT) 36 3.2.1 Khoang nội phôi 38 3.2.2 Khoang vỏ tế bào phôi 42 3.2.3 Khoang không gian tủ ấm 47 3.2.4 Khoang thành tủ ấm 52 3.2.5 Vịng tuần hồn – ngăn quạt gió (ngăn khí hỗn hợp) 57 i 3.2.6 Ngăn chứa hệ thống tạo ẩm 59 3.2.7 Khoang cung cấp nhiệt độ khơng khí 64 3.3 Hệ thống phản hồi kiểm soát nhiệt độ 66 3.4 Hệ thống ổn định chung chức chuyển đổi 68 3.5 Điều kiện ban đầu 75 3.6 Kết 76 3.6.1 Kết chế độ khơng khí 76 3.6.2 Kết chế độ vỏ 80 3.6.3 Kết khác 84 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Vùng nhiệt trung hịa trạng thái nghỉ [1] Hình 1-2 Mơi trường nhiệt trung hịa (Courtesy Fisher Paykel Health Ltd., Auckland) Hình 1-3 Nhiệt độ trung hịa từ [9], so với khuyến nghị Hey Katz [12] Hình 1-4 Các yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ [5] Hình 1-5 Biểu đồ chức cho thiết bị sưởi ấm [1-20, 22-24] Hình 1-6 Cơ chế trao đổi nhiệt [1-20, 22-24] Hình 2-1 Tương tác khối hệ thống tủ ấm phôi 11 Hình 2-2 Mơ hình phơi (A)/ Phân lớp (B) 12 Hình 2-3 (A) / (B) – Sơ đồ khối trao đổi nhiệt 12 Hình 2-4 Đường cong nhiệt độ-áp suất [21] 17 Hình 2-5 Sơ đồ khối trao đổi nhiệt khơng gian tủ ấm 22 Hình 2-6 Chênh lệch nhiệt độ tường 25 Hình 2-7 Sơ đồ truyền nhiệt 26 Hình 2-8 Sơ đồ khối trao đổi nhiệt qua vách 26 Hình 2-9 Sơ đồ khối đệm 29 Hình 2-10 Sơ đồ nguyên lý khoang sưởi ấm 30 Hình 2-11 Sơ đồ khối quạt 31 Hình 2-12 Sơ đồ khối cho phần tử gia nhiệt 34 Hình 3-1 Sơ đồ khối hồi tiếp 35 Hình 3-2 Mơ hình mơ tổng thể 36 Hình 3-3 Mơ hình hệ thống 37 Hình 3-4 Khoang nội phơi 38 Hình 3-5 Hệ thống cung cấp nhiệt 39 Hình 3-6 Hệ thống dẫn truyền 39 Hình 3-7 Hệ thống đối lưu máu trong-ngoài thể 40 Hình 3-8 Hệ thống cảm ứng nhiệt cảm nhận 40 iii Hình 3-9 Hệ thống cảm ứng nhiệt tiềm ẩn 40 Hình 3-10 Hệ thống tính khối lượng thể phơi 41 Hình 3-11 Khoang vỏ tế bào phôi 42 Hình 3-12 Trao đổi nhiệt đối lưu khơng khí da 44 Hình 3-13 Truyền dẫn mơi trường ni da 44 Hình 3-14 Khả bay từ da 45 Hình 3-15 Bức xạ da-thành tủ ấm 46 Hình 3-16 Khối lượng vỏ tế bào phôi 47 Hình 3-17 Khoang khơng gian tủ ấm 48 Hình 3-18 Hệ thống cung cấp nhiệt 49 Hình 3-19 Hệ thống truyền đối lưu thành-khơng khí tủ ấm 50 Hình 3-20 Hệ thống đối lưu mơi trường ni khơng khí 50 Hình 3-21 Hệ thống khối lượng khơng gian khơng khí tủ ấm 51 Hình 3-22 Khoang thành tủ ấm 52 Hình 3-23 Hệ thống đối lưu tự thành tủ ấm - Mơi trường phịng 54 Hình 3-24 Hệ thống đối lưu bề mặt ngang tủ ấm 54 Hình 3-25 Lồng nuôi đối lưu bề mặt tự thẳng đứng – bên dài 55 Hình 3-26 Lồng nuôi đối lưu bề mặt tự thẳng đứng – bên ngắn 56 Hình 3-27 Thành tủ ấm – mơi trường xạ phịng 57 Hình 3-28 Ngăn quạt khơng khí lưu thơng 58 Hình 3-29 Hệ thống mật độ nitơ 58 Hình 3-30 Hệ thống mật độ oxy 59 Hình 3-31 Mơ hình Simulink khơng gian xử lý độ ẩm 60 Hình 3-32 Sự biến đổi mật độ khơng khí nhiệt độ khơng khí nóng 61 Hình 3-33 Sự biến đổi mật độ khơng khí nhiệt độ khơng khí ẩm 61 Hình 3-34 Áp suất phần nước Tha 62 Hình 3-35 Áp suất riêng phần nước Twet 62 Hình 3-36 Mơ hình Simulink hệ thống ẩm khối lượng nước 63 Hình 3-37 Quy trình tạo ẩm mơ hình Simulink khối nhơm 63 iv Hình 3-38 Ngăn cung cấp nhiệt độ khơng khí 64 Hình 3-39 Hệ thống phụ tốc độ khơng khí ẩm 65 Hình 3-40 Hệ thống tốc độ dịng chảy khơng khí khơ 65 Hình 3-41 Hệ thống open-loop 66 Hình 3-42 Mơ hình Sisotool Simulink – Chế độ da 69 Hình 3-43 Mơ hình Sisotool Simulink – Chế độ khơng khí 69 Hình 3-44 SISO Window-Chế độ da/open-loop 70 Hình 3-45 SISO Window- Chế độ khơng khí/open-loop 70 Hình 3-46 Mơ hình Simulink – Các khối LTI – Chế độ da 71 Hình 3-47 Đáp ứng bước – Nhiệt độ da/closed-loop 71 Hình 3-48 Đáp ứng bước – Cơng suất nhiệt/Chế độ da/closed-loop 72 Hình 3-49 Độ ổn định hệ thống – Chế độ da/closed-loop 73 Hình 3-50 Mơ hình Simulink – Các khối LTI – Chế độ khơng khí 73 Hình 3-51 Đáp ứng bước – Nhiệt độ khơng khí tủ ấm/closed-loop 74 Hình 3-52 Đáp ứng bước – Cơng suất nhiệt/Chế độ khơng khí/closed-loop 74 Hình 3-53 Độ ổn định hệ thống – Chế độ khơng khí/closed-loop 75 Hình 3-54 Sự thay đổi nhiệt độ khơng khí tủ ấm theo thời gian 77 Hình 3-55 Nhiệu độ hoạt động Air Shields C-100 điều khiển động Servo khơng khí (33.8 ± 0.1°C) Mở lồng ấp phút (*) sau theo dõi 77 Hình 3-56 Biến đổi nhiệt độ thể phơi theo thời gian 78 Hình 3-57 Nhiệt độ trung bình phơi bình thường đầu đời sau sinh [11] 78 Hình 3-58 Biến đổi nhiệt độ vỏ tế bào phôi theo thời gian 79 Hình 3-59 So sánh nhiệt độ trung bình thể vỏ tế bào bụng sau sinh [11] 80 Hình 3-60 Biến đổi nhiệt độ thể phôi theo thời gian 81 Hình 3-61 Biến đổi nhiệt độ vỏ tế bào phôi theo thời gian 82 Hình 3-62 Sự thay đổi nhiệt độ khơng khí tủ ấm theo thời gian 83 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Tốc độ luồng Oxy nồng độ tương ứng 30 Bảng 3-1 Số lượng khoang mơ hình mơ 37 Bảng 3-2 Các hệ thống khoang nội phôi 38 Bảng 3-3 Các hệ thống khoang vỏ tế bào phôi 43 Bảng 3-4 Hệ thống không gian tủ ấm 48 Bảng 3-5 Hệ thống phụ khoang tường ươm 53 vi CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG Cách 30 năm, ngày 25-7-1978, em bé sinh thụ tinh ống nghiệm (Vi Intro Fertilization – IVF) giới chào đời Anh Ngày nay, thụ tinh ống nghiệm tiến hành hầu toàn giới Mỗi năm, có khoảng 1.500.000 ca thụ tinh ống nghiệm kỹ thuật liên quan thực Thậm chí, nước phát triển, trẻ em sinh từ thụ tinh ống nghiệm chiếm từ 2-5% tổng số phôi hàng năm Tại Việt Nam, ngày 30-3-1998, ba em bé từ ba trường hợp thụ tinh ống nghiệm thành công Việt Nam chào đời Đây nỗ lực thành lớn ngành y học Việt Nam, mà thụ tinh ống nghiệm Việt Nam tảng khoa học y học nhiều thiếu thốn so với khu vực giới Sau khoảng 20 năm phát triển, Việt Nam có 20 trung tâm thụ tinh ống nghiệm thành lập, thực 15.000 trường hợp thụ tinh ống nghiệm năm Không thu hút bệnh nhân người Việt Nam, thụ tinh ống nghiệm Việt Nam xem dịch vụ y tế với chất lượng cao, có uy tín bệnh nhân nước khu vực giới tìm đến chữa trị Đến nay, thống kê ước tính có 20.000 trẻ đời từ kỹ thuật thụ tinh ống nghiệm Việt Nam Chi phí thụ tinh ống nghiệm Việt Nam thuộc loại thấp giới, với tỉ lệ thành công cao Tủ ấm CO2 thiết bị sử dụng phổ biến phịng thí nghiệm chun ni cấy tế bào điển hình Đây thiết bị hồn hảo để tạo mơi trường ni cấy tối ưu cho tế bào động vật người, đặc biệt tế bào phôi: 37.0 °C (độ Celsius), 5.0% CO2 (Carbon dioxide) 85-90% RH (độ ẩm tương đối) Để có hệ thống ni cấy phơi tốt cho tạo môi trường cho phát triển phôi đạt kết hỗ trợ sinh sản tối ưu việc giảm thiểu nhân tố bất lợi từ mơi trường bên ngồi yếu tố quan trọng Các yếu tố môi trường quan trọng hệ thống nuôi cấy phôi bao gồm số pH môi trường nuôi cấy, nhiệt độ, độ thẩm thấu chất lượng khơng khí Tất nhân tố bất lợi tiềm ẩn kiểm sốt tuyệt đối tủ ni cấy phịng thí nghiệm Tủ ấm CO2 coi thiết bị quan trọng phịng thí nghiệm, kiểm sốt nhiều thơng số mơi trường giữ phôi phần lớn thời gian chúng ni cấy Do đó, việc lựa chọn quản lý tủ cấy quan trọng để đảm bảo thành cơng chương trình thụ tinh ống nghiệm Thơng thường, phơi người khơng có khả trì nhiệt độ thể chưa có hệ thống điều chỉnh nhiệt Điều có nghĩa chế sản sinh nhiệt trình phát triển chúng khơng đủ lượng nhiệt dự trữ Do đó, số hình thức hỗ trợ điều nhiệt bên ngồi đóng vai trị quan trọng Việc sử dụng thiết bị làm giảm đáng kể tỷ lệ tử vong tỷ lệ mắc bệnh phôi Mặc dù tủ nuôi phôi mang ưu điểm lớn, cơng nghệ có thiếu sót cịn nhiều cải tiến thực 1.1 Giới thiệu chung hệ thống tủ ấm phôi ngƣời 1.1.1 Điều nhiệt (Kiểm sốt nhiệt độ mơi trƣờng) yếu tố định Nhiều nghiên cứu chứng minh tỷ lệ sống sót phơi ni cấy từ tủ ấm máy sưởi xạ tăng môi trường cung cấp ấm Điều đặc biệt quan trọng tuần phôi Mặc dù cung cấp mơi trường nhiệt trung hịa điều cần thiết cho phôi tháng đầu tiên, chủ yếu nhiệt qua bay nhiều diện tích bề mặt lớn, điều đạt phạm vi nhiệt độ nhỏ thường biên +1 ° C nhiệt độ nhận vào tủ ấm > 36 ° C [1, 3-13] Nhiệt độ môi trường thực tế cần thiết để đạt tính trung hịa nhiệt cho phơi ngày đầu khoảng 39 °C [1] Nhiệt độ bị ảnh hưởng đáng kể nước khơng có chủ ý phơi Ngồi ra, điều đáng ý phơi chăm sóc máy sưởi xạ có tỷ lệ trao đổi chất cao so với phơi chăm sóc tủ ấm Điều khơng quán phân bố lượng xạ diện tích bề mặt tiếp xúc tế bào số phận thể nhận nhiều nhiệt phận khác mà phần dọc Hình 3-51 Đáp ứng bƣớc – Nhiệt độ khơng khí tủ ấm/closed-loop Hình 3-52 Đáp ứng bƣớc – Cơng suất nhiệt/Chế độ khơng khí/closed-loop Tương tự, tính ổn định hệ thống vịng kín sau thêm tham số cửa sổ SISO cho tab nạp bù, điều chỉnh bù để xác định đầu mong muốn, trì vịng lặp mở hệ thống Điều minh họa Hình 3-53 74 Hình 3-53 Độ ổn định hệ thống – Chế độ không khí/closed-loop Do đó, Phần 3.4 thể kỹ lưỡng từ quan điểm kỹ thuật điều khiển, lợi việc sử dụng sisotool để thiết kế, phân tích điều chỉnh hệ thống phản hồi Điều phù hợp với tính chất cơng việc tủ ấm phôi hệ thống phản hồi 3.5 Điều kiện ban đầu Các điều kiện ban đầu cho hệ thống ươm tạo phơi cho hai chế độ (khơng khí vỏ tế bào phôi) xác định tệp M nêu Phụ lục Tệp M liên kết với mơ hình Simulink đặt trước để tải trước tất biến tham số khung nhìn Matlab, thực số tính tốn tốn học cho phương trình xác định tệp (ví dụ: số Nusselt cho hệ số truyền nhiệt đối lưu liên quan đến ngăn khác hệ thống trước mơ hình Simulink bắt đầu) Nhiệt độ khơng khí ban đầu tủ ấm, Tai, chọn 37 °C để làm nóng lị ấp trước đặt phơi vào Do đó, chế độ vỏ tế bào khơng khí, lị ấp làm nóng trước đến 37 °C cộng với độ ẩm 80% [3, 4, 10] Nhiệt độ (37 °C) đại diện cho cài đặt nhiệt độ lị ấp, T_set, cho chế độ khơng khí mơ hình Simulink Nhiệt độ hoạt động (trung tính) xác định LeBlanc [18] cho phôi 37,2 °C, đó, nhiệt độ khơng khí ước tính (tức cài đặt nhiệt độ lị ấp, T_set) 75 bên tủ ấm thảo luận trước phần 1.1.2 (trang 2)) Điều nằm phạm vi nhiệt độ, nhiên, nhiệt độ 25-38 ° C nhà sản xuất máy ấp trứng (ATOM) đưa Do đó, 37 ° C chọn cho chế độ khơng khí hợp lý Trong đó, chế độ vỏ tế bào, T_set đặt thành 36,5 °C, điều phù hợp với phôi người với cân nặng thấp theo khuyến cáo tác giả khác [17, 19] Các tham số cho điều khiển PID cho chế độ đặt cách áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols [22] cho số lần thử đạt kết mong muốn (tức ổn định) 2h, giá trị chọn sau: • Air mode: P = 10, I = 0.9, D = 100 • Skin mode: P = 30, I = 0.007, D = 0.0 Vì lợi ích q trình xác nhận, thời gian mô cho hai chế độ đặt 2h (7200 giây) hầu hết kết thực nghiệm lâm sàng, đặc biệt hiệu suất dao động nhiệt độ vỏ tế bào thể ghi từ đến Trong vịng hai giờ, biến động xu hướng phơi nhiệt độ khơng khí lị ấp ổn định, hiệu suất tồn hệ thống xác định Hơn nữa, thời gian hai tủ ấm quan trọng để xác định cải thiện nhiệt độ phôi để giảm tỷ lệ tử vong 3.6 Kết Mô hình Simulink chạy riêng cho chế độ có kết sau đây: 3.6.1 Kết chế độ khơng khí Các kết sau nhiệt độ lõi vỏ tế bào phôi khơng gian tủ ấm: 3.6.1.1 Nhiệt độ khơng khí tủ ấm, Ta Sự dao động nhiệt độ khơng khí lồng ấp minh họa Hình 3.54 Ban đầu, nhiệt độ khơng khí giảm xuống khoảng 36,52 °C, thấp nhiệt độ cài đặt 37 °C Nó tăng nhanh trở lại thời gian ngắn khoảng 100 giây Tuy nhiên, dao động khơng đổi nhiệt độ khơng khí lị ấp tiếp tục khoảng 37 ± 0,003 ° C kết thúc thời gian mô 76 Hình 3-54 Sự thay đổi nhiệt độ khơng khí tủ ấm theo thời gian Mơ hình dao động nhiệt độ khơng khí lị ấp thể Hình 3.54, cụ thể là, sau 100 giây Điều rõ ràng Hình 3.55 đưa Chessex [17], cài đặt nhiệt độ không khí 34,8 ± 0.6 °C cho tủ ấm hai vách Hình 3-55 Nhiệu độ hoạt động Air Shields C-100 dƣới điều khiển động Servo không khí (33.8 ± 0.1°C) Mở lồng ấp phút (*) sau theo dõi Theo thông số kỹ thuật lồng ấp ATOM V-850, dao động nhiệt độ cài đặt nằm khoảng +1.5 đến -3.3 °C 0,1 bước đó, dao động khoảng nhiệt độ cài đặt mơ hình Simulink nằm khoảng phạm vi đưa nhà sản xuất vườn ươm Cũng nói mơ hình Simulink cung cấp mơi trường ổn định nhiệt ổn định, nhiệt độ khơng khí tủ ấm trì dọc theo thời gian mơ điều quy cho tham số ảo chọn cho điều khiển PID 3.6.1.2 Nhiệt độ bên vỏ tế bào, Tc, Ts Hình 3.56 Hình 3.58 cho thấy thay đổi phôi nhiệt độ vỏ tế bào tương ứng, hai đặt nhiệt độ 35.5 °C Nhiệt độ lõi tăng dần lên 36.02 °C so với giá trị ban đầu 77 Hình 3-56 Biến đổi nhiệt độ thể phôi theo thời gian Nhiệt độ thể tương đương với mức trung bình kết lâm sàng theo kinh nghiệm báo cáo phôi người Giá trị 36.6 ± 0.3 °C (đạt tủ ấm hai vách) bốn sau sinh đưa Chessex [17] Đối với phôi đủ tháng khoảng 34.4 °C, nhiệt độ khơng khí tủ ấm khoảng 50% RH, nhiệt độ thể đạt 36.2 ± 0.23 °C hai [11] Hình 3.57 đưa Miller [11], minh họa dao động nhiệt độ thể phôi nuôi dưỡng tủ ấm với 50% RH Như thấy, nhiệt độ thể giảm nhanh từ 37 °C (trong trường hợp nhóm nghiên cứu 35.5 °C) xuống 36 °C chăm sóc Sau đó, trở giới hạn mức bình thường, 36.5 °C, mức 3.25 Do đó, suy nhiệt độ thể cải thiện 0,5 °C khoảng 2.25 Kết phù hợp với mơ Hình 3.56, biên giá trị ban đầu giá trị cuối nhiệt độ thể hai mô 0.52 °C Hình 3-57 Nhiệt độ trung bình phơi bình thƣờng đầu đời sau sinh [11] 78 Nhiệt độ vỏ tế bào (Hình 3.58) giảm nhanh xuống 35,21 ° C 85 giây, lại tăng lên 35,67 ° C nhiệt độ cuối vào cuối mô Giá trị cao chút so với giá trị ban đầu 35,5 ° C Nhiệt độ cuối vỏ tế bào tương tự mức trung bình kết lâm sàng theo kinh nghiệm báo cáo [3, 11, 17, 26], tương ứng 35.9 ± 0.86 °C, 35.8 ± 0.1 °C 35.9 ± 0.2 °C Ngoài ra, Michael cộng [3] báo cáo tỷ lệ phần trăm đọc nhiệt độ vỏ tế bào 0-2 < 36 °C gần 38% Tất phát dành cho phôi người