Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR

Equation Chapter 1 Section 1 Autor: Javier Galindo Sánchez Tutores: Carmen Aracil Fernández, Francisco Perdigones Sánchez Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicaciones Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Dpto. de Ingeniería Electrónica, Microsistemas Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iii Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicaciones Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Autor: Javier Galindo Sánchez Tutora: Carmen Aracil Fernández Profesora contratada Doctora Tutor: Francisco Perdigones Sánchez Profesor Titular de Universidad Dpto. de Ingeniería Electrónica, Microsistemas Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 v Trabajo Fin de Grado: Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Autor: Javier Galindo Sánchez Tutor: Carmen Aracil Fernández, Francisco Perdigones Sánchez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos A mis padres, a mi hermana y a mis abuelos, por toda la confianza que han depositado en mí y por todo su apoyo a lo largo de estos años, en los mejores momentos y en los peores. Gracias por animarme y confiar en mí. A Carmen, mi tutora. Gracias por haber hecho posible este proyecto, ha sido lo que más me ha gustado hacer de toda la carrera, gracias por toda la ayuda y motivación a lo largo de este año y no solo con el tema del TFG, me has ayudado con cualquier duda que me surgiera. Gracias por crear un ambiente de trabajo tan agradable y divertido, siempre con una sonrisa y humor. A Fran (Perdi), mi tutor, gracias por toda la ayuda y por explicarme cualquier duda todas las veces que hiciera falta. Hacer el proyecto con vosotros ha sido una maravilla, sois unos profesores de diez. A Roberto, que apareció en mi vida a la vez que este proyecto y lo ha seguido de cerca en todas las etapas, desde la emoción por llevarlo a cabo hasta la tristeza por no poder terminar de fabricarlo debido a las circunstancias provocada por el Covid19. Gracias por animarme, por confiar en mí más que yo mismo y por hacerme ver las cosas de otra forma, no todo tiene por qué ser tan cuadriculado o perfecto. Muchas gracias por todo, en especial por aguantarme. A Charlie, que me ha hecho reír mucho a lo largo de estos años, pero tengo que darle las gracias en especial por leer todo lo que le he mandado y hacer el esfuerzo, aunque no entendiera nada de lo que ponía, para ayudarme y decirme cosas como: “Siento que si entendiese la movida me habría quedado claro, está muy bien explicado o al menos me da esa sensación”. Gracias Charlie. A Vicky y Manoli, muchas gracias por mostrar tanto interés y preocupación en todo lo que he hecho. Gracias de verdad. Y por último a Xarly y a Rocío, llegasteis sin esperarlo cuando comencé la carrera y desde ese momento hemos estado unidos, y Xarly, mención especial a todas las risas y buenos momentos a lo largo de estos años. Los días en la ETSI han sido más llevaderos. Va por ustedes. Javier Galindo Sánchez Sevilla, 2020 xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Sistema heredado. 2 Figura 2-1. Electrocardiógrafo de Einthoven. 3 Figura 2-2. Primer marcapasos externo y primer marcapasos interno. 4 Figura 2-3. Sistema electrónico aplicado a la Biomedicina. 5 Figura 2-4. Medición de glucosa (Point of Care) mediante glucómetro. 6 Figura 2-5. Lab On a Chip. 7 Figura 2-6. Kary Mullis recibe el premio Nobel de Química por La PCR en 1993. 8 Figura 2-7. Presentación esquemática del principio de PCR. 9 Figura 3-1. Esquema Sistema PCR previo. 11 Figura 3-2. Esquema del Sistema PCR. 12 Figura 3-3. Esquema de bloques del Módulo motor. 13 Figura 3-4. Esquema de bloques del Módulo de microcalentador. 14 Figura 3-5. Esquema de bloques del Módulo de potencia. 14 Figura 3-6. Conectores de la placa del módulo motor (módulo A). 16 Figura 3-7. Conectores de la placa del módulo de potencia (módulo B). 16 Figura 4-1. Esquemático del sistema de control de inyección del sistema original. 17 Figura 4-2. Distribución en secciones del módulo motor. 18 Figura 4-3. Conexionado del pulsador al microcontrolador. 19 Figura 4-4. Conexionado de la pantalla al microcontrolador. 20 Figura 4-5. Esquemático del adaptador de la pantalla LCD. 20 Figura 4-6. PCB del adaptador de la pantalla LCD. 21 Figura 4-7. Vista 3D del adaptador de la pantalla LCD. 21 Figura 4-8. Conexionado del led de depuración al microcontrolador. 22 Figura 4-9. Diseño a nivel esquemático del módulo motor completo. 22 Figura 4-10. PCB del diseño completo del módulo motor. 23 Figura 4-11. Vista 3D del diseño completo del módulo motor. 23 Figura 5-1. Microcalentadores. 25 Figura 6-1. Circuito de control de temperaturas sin particularizar. 26 Figura 6-2. Resultado del análisis transitorio para la estimación de VB. 28 Figura 6-3. Resultado del análisis transitorio para la comprobación de la tensión a la salida del circuito. 28 Figura 6-4. Resultados de la simulación para 65ºC. 29 Figura 6-5. Valores finales del circuito de 65ºC. 29 Figura 6-6. Resultado del análisis transitorio para la estimación de VB. 30 Figura 6-7. Resultados de la simulación para 95ºC. 31 Figura 6-8. Valores finales del circuito de 95ºC. 31 Figura 6-9. Circuito de calentamiento. 32 Figura 6-10. Esquemático del circuito de calentamiento para 65ºC. 32 Figura 4-11. Esquemático del circuito de calentamiento para 95ºC. 33 Figura 6-12. Configuración del LM317. 33 Figura 6-13. Diseño esquemático del módulo de potencia. 34 Figura 6-14. PCB del diseño completo del módulo de potencia. 35 Figura 6-15. Vista 3D del diseño completo del módulo de potencia. 35 Figura 7-1. Esquema del sistema completo con las relaciones entre los módulos que lo componen. 36 Figura 7-2. Distribución de pines en el MSP430G2553. 37 Figura 7-3. Esquema de conexión entre el módulo motor y el módulo de potencia. 38 Figura 7-4. Esquema de conexión entre los distintos bloques del sistema. 38 Figura 7-5. Esquema PCB. 39 Figura A-1. Esquemático del módulo motor. 43 Figura A-2. Layout del módulo motor. 44 Figura A-3. Esquemático del sistema de adaptación para la pantalla LCD. 45 Figura A-4. Layout del sistema de adaptación para la pantalla LCD. 46 Figura A-5. Esquemático del módulo de potencia. 47 Figura A-6. Layout del módulo de potencia. 48 Figura B-1: Diagrama de flujo del funcionamiento del sistema completo 49 xix ÍNDICE DE TABLAS Tabla 7-1. Conexionado del microcontrolador. 37 xxi Acrónimos ADN Ácido Desoxirribonucleico ARN Ácido Ribonucleico PCR Polymerase Chain Reaction MEMS Microelectromechanical Systems POC Point-of-Care LOC Lab-on-a-Chip TFG Trabajo Final de Grado PCB Printed Circuit Board LED Light-emitting Diode TAC Tomografía Axial Computerizada NTC Negative Temperature Coefficient PWM Pulse Width Modulation LCD Liquid-Crystal Display TTL Lógica Transistor a Transistor SPI Serial Peripheral Interface MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 1 1 MOTIVACIÓN l diagnóstico molecular es un proceso que se usa para identificar una enfermedad por medio del estudio de las moléculas, tales como proteínas, ADN y ARN, de un tejido o líquido corporal. Es un área que se encuentra en constante estudio y desarrollo, y que ha facilitado el diagnóstico clínico en gran medida [1]. El desarrollo de nuevas tecnologías, más rápidas y precisas ha hecho que el diagnóstico molecular se convierta en una de las herramientas claves para el equipo clínico a la hora del diagnóstico de enfermedades. El desarrollo de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR, por su sigla en inglés: Polymerase Chain Reaction) por Kary Mullis en 1986, es el punto de partida y el marco técnico para la era del diagnóstico molecular. La PCR es una de las técnicas más usadas en los laboratorios y ha conseguido un crecimiento acelerado. También tiene un gran interés los sistemas MEMS “Sistemas Micro-Electro-Mecánicos o Micro-Electro- Mechanical-Systems en inglés”. De forma general, los MEMS consisten en microestructuras mecánicas, microsensores, microactuadores y microelectrónica, todo ello integrado en un mismo chip de silicio. Esto permite que los sistemas MEMS detecten cambios en el entorno a través de sensores, esta información sea tratada y procesada por el microcontrolador dando una señal a los actuadores para que reaccionen e intervengan, también pueden realizar funciones como procesado de datos y comunicación entre dispositivos [2]. Para este proyecto destacan principalmente los PCB-MEMS, que son microsistemas fabricados mediante materiales empleados en la tecnología de circuitos impresos [3]. Por otro lado, en la actualidad también tiene gran protagonismo los sistemas POC (Point of Care) y la tecnología Lab-on-a-Chip (LOC). El ámbito de la salud, en especial los laboratorios están sometidos a una sociedad que cada vez demanda una atención de mayor calidad y rapidez orientada al paciente [4]. El estado de los pacientes, el lugar donde se encuentren y las estrategias médicas requieren que los resultados de las pruebas de los laboratorios clínicos sean emitidos con rapidez para que puedan llevarse a cabo las respectivas actuaciones por parte del personal médico. Pese a que la organización y la estructura de los laboratorios clínicos proporcionan una buena respuesta a la necesidad asistencial que existe actualmente y ofrece resultados fiables y de alta calidad, presenta un punto débil, y es el tiempo de respuesta total que ofrecen. Es aquí donde entra en juego los avances tecnológicos y los sistemas POC ya que gracias a la incorporación de la microelectrónica y a la tecnología Labon-a-Chip (LOC) ha permitido la realización de pequeños y portables instrumentos (POC) que facilitan el acercamiento de algunas pruebas de laboratorios al paciente, reduciendo así en gran parte los tiempos de demora de las pruebas. Estas dos áreas, el diagnóstico molecular y los sistemas POC, forman parte de la investigación que lleva a cabo el departamento de Microsistemas de la escuela cuyo objetivo principal es el desarrollo de un sistema POC para la realización de PCR. Es ahí donde se encuentra la motivación para la realización de este TFG ya que el sentido práctico y el bajo coste de estos dispositivos permite llevar pruebas de diagnóstico fiable a cualquier lugar, como pueden ser las poblaciones que se encuentran en vía de desarrollo y/o con recursos muy limitados. La creciente incidencia de enfermedades infecciosas y afecciones crónicas como enfermedades cardiovasculares y diabetes en países en desarrollo como India y China, ha estimulado la demanda de servicios de pruebas en el lugar de atención (POC). Según la Federación Internacional de Diabetes (FID), más de 415 millones de personas de entre 20 y 79 años tenían diabetes en 2015 en todo el mundo. Se estima que este número alcanzará los 642 millones para 2040. Por lo tanto, el aumento de las enfermedades infecciosas y las condiciones crónicas mejorará el mercado de las pruebas en el punto de atención en un futuro próximo. Se espera que el mercado global de pruebas en el punto de atención (POC) supere los 37 mil millones de dólares para 2025 [5]. Además, la creciente concienciación sobre el diagnóstico temprano y la prevención de enfermedades ha estimulado la demanda de pruebas en el lugar E Motivación 2 de atención para la detección de cáncer y enfermedades infecciosas en etapas tempranas. A través de este Proyecto se busca el diseño de un sistema electrónico portable para la realización de PCR modular y optimizado, para ello se parte de un sistema en el cual ha trabajado el departamento de Microsistemas de la escuela y el compañero Mario Cotorruelo Jiménez en su TFG “Sistema electrónico de control de líquidos en recirculación para aplicaciones Lab on a Chip” [6]. A partir de ahora a ese sistema se le llamará sistema heredado y se puede observar en la siguiente figura. Figura 1-1: Sistema heredado El sistema heredado consiste en un PCB en el cual se disponen dos microcalentadores, uno para 65ºC y otro para 95ºC, sobre él se encuentra un canal microfluídico a través del cual se hace circular la muestra desde un microcalentador al otro mediante inyección con una jeringuilla conectada a un servomotor. El sistema dispone también de un PCB para el control de la temperatura de los microcalentadores y de un PCB para el control del servomotor por lo que el sistema dispone de dos microcontroladores. 3 3 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR 2 INTRODUCCIÓN 2.1 Sistemas electrónicos aplicados a la Biomedicina 2.1.1 Historia Antes de la segunda guerra mundial, el personal médico y los investigadores en el campo de la biología utilizaban técnicas de ingeniería que fuesen relativamente sencillas y estuvieran dentro de sus conocimientos. Al estallar la segunda guerra mundial, la necesidad de personal científico y técnico hizo que por primera vez en Gran Bretaña un gran número de biólogos adquiriesen sólidos fundamentos en el campo de la electrónica, abriendo de este modo la posibilidad de aplicar técnicas más elaboradas en la resolución de los problemas biológicos y médicos. Aunque existen precedentes históricos tales como el estudio de la “electricidad animal” por Luigi Galvani en la década de 1780, podemos considerar que la aparición de la disciplina de Ingeniería Biomédica se produce a partir de la introducción de innovaciones tecnológicas en la práctica médica a lo largo del siglo XX. La Ingeniería Biomédica integra dos áreas tales como la medicina y la ingeniería, y está implicada en el diseño, desarrollo y utilización de materiales, dispositivos y técnicas para investigación, al igual que para el diagnóstico y tratamiento de pacientes. Figura 2-1: Electrocardiógrafo de Einthoven. Introducción 10 El número de ciclos varía según el laboratorio, por ejemplo, en el CITIUS se realizan 35 ciclos y los tiempos varían según el número de muestras que se desea conseguir, el proceso en el CITIUS tiene una duración de una hora. A modo de esquema, las etapas del proceso son: Antes de la PCR Durante la PCR Después de la PCR En este proyecto nos centrarnos en el PCR convencional, que es aquel que usa la preparación de agarosa y electroforesis. Para obtener el mayor número de copias de ADN los termocicladores usados para el ensayo del PCR suelen ser de tres temperaturas como hemos visto anteriormente. En el presente proyecto se intenta optimizar el proceso a dos temperaturas, 65ºC y 95ºC, para que el proceso sea más rápido. Extracción del ADN Preparación de la muestra Amplificación 1. Desnaturalización 2. Alineado o Templado 3. Extensión Electroforesis 11 3 DISEÑO 3.1 Trabajo previo El trabajo previo en el que se ha basado este TFG tenía como objetivo hacer circular el fluido desde la zona de 65ºC a la de 95ºC y viceversa mediante inyección [6]. El calentador disponía de dos zonas térmicas, una a 65ºC y otra a 95ºC. Se hacía circular el fluido de una zona a otra mediante la extracción y expulsión del fluido a través de un canal microfluídico con una jeringuilla y un servomotor conectado al émbolo de esta. Además, se disponía de una placa con un microcontrolador para el control de inyección, una placa con un microcontrolador para el control de la temperatura y dos circuitos de amplificación para cada temperatura, el lab on pcb con el canal microfluídico y dos NTC para medir la temperatura y el motor servo. El sistema conjunto conformaba una solución para la realización de PCR. Figura 3-1: Esquema Sistema PCR previo. En la Figura 3-1 se puede observar el esquema del sistema anterior con las distintas interfaces y las comunicaciones que había entre las mismas. El funcionamiento básico de este diseño era el siguiente: El microcontrolador del PCB Control de inyección tenía dos tareas, activar y desactivar el PCB Control de temperatura y mover hacia adelante o hacia atrás el motor. El microcontrolador del PCB Control de temperatura se encargaba de aplicar tensión para conseguir más o menos temperatura. PCB Control de temperatura Lab on PCB PCB Control de inyección Motor Inyección Diseño 12 12 3.2 Diseño La funcionalidad del nuevo sistema sigue siendo la misma, es decir, se pretende conseguir dos zonas capaces de alcanzar unas temperaturas determinadas (una de 65ºC y otra de 95ºC) y hacer que el fluido vaya alternado de una zona a la otra durante un determinado número de ciclos. El nuevo diseño surge de la necesidad de mejorar, optimizar y ordenar el sistema para PCR previo. Como mejoras se contemplan: ● El uso de un único microcontrolador para todo el diseño. ● Un interruptor. ● La posibilidad de programar el sistema sin la necesidad de extraer el microcontrolador. ● La incorporación de una pantalla LCD para visualizar las temperaturas y el proceso. ● Un pulsador que permita activar los calentadores, un interruptor para apagar y encender el sistema. ● La sustitución del sistema de inyección por otro más óptimo. ● Un diseño con mejor consumo en el módulo de potencia. ● La realización de un diseño compacto que permite encapsular el sistema final en una carcasa. Como resumen, los pasos que seguirá el sistema serán los siguientes: El sistema se iniciará al pulsar el interruptor de encendido, de manera que, al microcontrolador se le dará la orden de que comience a calentar los microcalentadores en cuanto se pulse el botón de inicio. Es a través del módulo de potencia como se activan los microcalentadores. Se dispone de dos microcalentadores: uno para 65ºC y otro para 95ºC. Los microcalentadores disponen de una NTC cada uno, la cual permitirá al microcontrolador saber cuándo se han alcanzado las temperaturas deseadas. Finalmente, el microcontrolador se encargará de activar y desactivar el servomotor que moverá el módulo que contiene los microcalentadores haciendo que el tubo de ensayo, con la muestra sobre la que se pretende hacer el PCR, vaya alternando su posición sobre el microcalentador de 65ºC y el de 95ºC. En la Figura 3-2 se muestra un esquema a modo de idea del sistema completo. Figura 3-2: Esquema del Sistema PCR. Motor servo Módulo de potencia Tubo de ensayo 13 13 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Tal y como se puede observar en dicha figura, el diseño contará con tres módulos: un módulo de control que se encargará de gestionar el sistema, un módulo de potencia que proporcionará la potencia necesaria para los microcalentadores así como informará al microcontrolador de la temperatura alcanzada en los mismos y el módulo de microcalentador que dispondrá de los microcalentadores encargados de proporcionar las dos temperaturas que necesita el sistema (65ºC y 95ºC); además de un servo motor cuya función es realizar el desplazamiento del módulo de temperatura. Se explica a continuación la función de cada uno de estos módulos. El módulo de control (Figura 3-3) dispondrá del único microcontrolador del sistema. Será responsable de las siguientes tareas: la activación y desactivación de los microcalentadores mediante la incorporación de un pulsador, del control del movimiento del servomotor hacia delante y hacia atrás, así como del número de ciclos que estará en movimiento. Se conectará una pantalla LCD que mostrará la temperatura alcanzada por los microcalentadores y servirá de interfaz gráfica para informar al usuario del estado del proceso, esta información se le hará llegar al microcontrolador desde el módulo de potencia al que se le conectan las resistencias NTC que se encuentran en el módulo del microcalentador, una por cada microcalentador. Figura 3-3: Esquema de bloques del Módulo motor. El módulo de microcalentador (Figura 3-4) dispondrá de dos pistas de calentamiento a modo de serpentín: una para el micro calentador que alcanza los 65ºC y otra para el micro calentador que alcanza los 95ºC. Además, consta de dos resistencias NTC que miden la temperatura. Las NTC irán colocadas en la cara opuesta a las pistas de calentamiento, ya que tienen que estar lo más próximas posible a la muestra. En la cara principal ese espacio está ocupado por las pistas de calentamiento. Para hacer más eficiente los microcalentadores y hacer mínima la transmisión de calor entre ambos, se añadirá un espacio (hueco pasante) entre ambas pistas. El dimensionamiento de las pistas de calentamiento se realizará teniendo en cuenta la zona de movimiento útil del servo motor, al cual irá fijado el módulo de microcalentador. Módulo motor Microcontrolador Driver motor Diseño 14 14 Figura 3-4: Esquema de bloques del Módulo de microcalentador. El módulo de potencia (Figura 3-5) será activado por el módulo de control para suministrar la potencia necesaria y así poder generar la temperatura deseada en los microcalentadores. A grandes rasgos, la obtención de la temperatura deseada se realizaría de la siguiente forma: Las NTC colocadas en el módulo de microcalentador nos proporcionan una medida que mediante los circuitos de amplificación es amplificada obteniendo de esta forma una señal acondicionada para cada temperatura. Estas señales que entran al módulo de control son utilizadas por el microcontrolador. Dependiendo del nivel de tensión obtenido, el microcontrolador proporcionará una señal PWM al driver de los mosfet que variando el tiempo que la señal está activa a nivel alto produce una mayor o menor temperatura en los microcalentadores. Una señal durante más tiempo esté a nivel alto más corriente producirá y una señal activa a nivel alto durante un menor tiempo producirá menos corriente. Teniendo en cuenta que las altas temperaturas pueden afectar al correcto funcionamiento de la placa y que esta parte del sistema por sus características tiende a calentarse, se optó por aislar la parte de potencia en un módulo independiente reduciendo así las posibles alteraciones que las altas temperaturas podrían ocasionar en el correcto funcionamiento del sistema. Figura 3-5: Esquema de bloques del Módulo de potencia Módulo microcalentador NTC Micro calentadores Módulo de potencia Circuitos de amplificación Drivers mosfet 15 15 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Como se ha comentado con anterioridad, la intención del diseño es que sea ordenado y modular por lo que nos vamos a centrar en tener una buena y ordenada organización de todas las señales que se usan a lo largo del sistema. El módulo motor (A) dispone de las siguientes señales de entrada y salida. Entradas: ● Alimentación ● Tierra ● NTC 1 (entrada analógica) ● NTC 2 (entrada analógica) ● Pulsador ● Programación (2 señales) Salidas: ● Puente H 1 ● Puente H 2 ● Módulo de potencia 1 ● Módulo de potencia 2 ● Pantalla (3 señales) El módulo de potencia (B) dispone de las siguientes entradas y salidas. Entradas: ● Alimentación ● Tierra ● Módulo de potencia 1 ● Módulo de potencia 2 Salidas: ● Microcalentador 1 ● Microcalentador 2 El módulo de microcalentador (C) dispone de las siguientes entradas y salidas. Entradas: ● Microcalentador 1 ● Microcalentador 2 Salidas: ● NTC 1 ● NTC 2 Diseño 16 16 Centrándonos en el módulo de control (módulo motor), las señales referentes a programación, pulsador, pantalla y puente en h son señales que van o vienen desde el exterior del chasis del sistema y que no tienen una implicación fundamental en el resto de los módulos. Partiendo de este comentario se puede observar que las señales restantes son las que están directamente relacionadas con el módulo de potencia por lo que surge la idea de interconectar estos dos módulos de una forma más directa. Los módulos A y B irán interconectados (encajados) uno encima del otro usando conectores hembra-macho y aprovechando las entradas y salidas que estos dos módulos comparten para su funcionamiento, tal y como se puede ver en la Figura 3-6 y en la Figura 3-7. De esta forma se dispone de un diseño estructural más robusto y compacto. Figura 3-6: Conectores de la placa del módulo motor (módulo A). Figura 3-7: Conectores de la placa del módulo de potencia (módulo B). 17 17 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR 4 MÓDULO MOTOR e considera el módulo motor a la placa principal que contiene el microcontrolador y que se encarga de todo el control del sistema, la puesta en marcha y control del servomotor y los microcalentadores. Para el diseño de este módulo, tenemos los siguientes requisitos: • Tamaño compacto. • Diseño modular. • Alimentación del sistema de 5V. • Encendido y apagado del sistema mediante interruptor. • Debe incorporar un pulsador para activar los microcalentadores. • Interfaz con el usuario mediante pantalla para dar al usuario información sobre el funcionamiento. • El control de sistema se hará con un único microcontrolador. • Interfaz de programación del microcontrolador directamente desde la placa de circuito impreso sin la necesidad de extraerlo. Para el diseño de esta placa se parte del siguiente esquemático usado previamente en el TFG que se pretende optimizar: Figura 4-1: Esquemático del sistema de control de inyección del sistema original. S Módulo Motor 18 18 Partiendo de este diseño y haciendo un estudio de las entradas y salidas del microcontrolador que son necesarias para el funcionamiento del sistema, se decide que: Determinando todos los componentes y funcionalidades del sistema podemos hacer uso de un único microcontrolador, que por comodidad y uso será el MSP430G2553IN20, el cual dispone de 20 pines. Las conexiones que parten del módulo del motor hacia el exterior o hacia el módulo de potencia o los microcalentadores se realizarán a través de dos tiras de pines para mantener un diseño modular y compacto. En la tira del lado izquierdo dispondremos de las conexiones para la pantalla LCD, así como tierra y alimentación, en las tiras de la derecha tendremos las conexiones para las NTC, que serán los indicadores del valor de la temperatura para el microcontrolador, el pulsador, los dos microcalentadores y la alimentación. Una vez que tenemos claro la disposición de las salidas y entradas, se puede estructurar el diseño de la placa en secciones, como se puede ver en la Figura 4-2 y se realiza el diseño sección por sección de cada parte de la placa. Figura 4-2: Distribución en secciones del módulo motor. Se comienza por la sección de alimentación, y teniendo presente como requisito de diseño que el sistema debe de ser portable y tener una alimentación de 5V, se decide, por disponibilidad y comodidad, que el conector de alimentación será de tipo barril. Se usará una fuente de alimentación que nos proporciona 4A de corriente nominal y los 5V necesarios para el sistema, dado el consumo estimado del sistema. Para completar la sección de alimentación se coloca un interruptor balancín y un led indicador de encendido y apagado. ara finalizar se colocará un regulador de tensión que permita obtener 3,3V necesarios para alimentar a nuestro microcontrolador. Una vez terminada la sección de alimentación, pasamos a la sección de control del servo motor. Como se ha mencionado al principio del capítulo, el diseño de esta sección optimiza el diseño del control de inyección usado en el TFG que se pretende optimizar. Alimentación MicroControlador Motor 19 19 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Se utilizará el integrado L293D que contiene un puente H, que no es más que un circuito electrónico que permite el giro en ambos sentidos a un motor eléctrico DC. Este integrado consta de un driver que posee cuatro canales y cada canal puede proporcionar una corriente de salida de hasta 600mA. Cada canal es controlado por una señal TTL y cada pareja de canales dispone de una señal de habilitación que permite activar y desactivar la salida de estos. Como se ha mencionado anteriormente, la parte correspondiente al control del servomotor permanece igual que en el diseño previo, usando dos resistencias de 10K y dos resistencias de 1K, así como dos transistores BJT que permitirán conmutar la salida. A continuación, nos centraremos en el diseño de la sección del microcontrolador. En primer lugar, se requiere del uso de un regulador de tensión ya que la alimentación que necesita el microcontrolador es de 3,3V y la alimentación principal que se tiene es de 5V. Una vez se tiene alimentado el microcontrolador, se procede con los componentes que dependen de éste y que podemos ordenar en dos grupos: • Un primer grupo consta de aquellos componentes que van al exterior del sistema, es decir, aquellos elementos que bien van colocados en el chasis del sistema como pueden ser: el pulsador, la pantalla y el led, o cuyo objetivo es el usuario, como puede ser el conector para la programación. • Un segundo grupo para aquellos componentes internos, es decir, aquellos componentes que están dentro del chasis del sistema y cuya función son ajena al usuario como pueden ser: NTC, microcalentadores y servomotor. Para tener un diseño limpio, ordenado y modular, nos ayudaremos de las dos tiras de pines para realizar los conexionados. Comenzaremos con en el primer grupo de componentes: Uno de los requisitos que hay que tener presente es el uso de un pulsador para la puesta en marcha de los calentadores. Para esta función, se usará un pulsador básico con resistencia pull down de valor 10K que seguirá el esquema de conexionado que se muestra a continuación: Figura 4-3: Conexionado del pulsador al microcontrolador. A la izquierda la representación del pulsador pulsado, proporcionando a la entrada del microcontrolador una tensión de 3,3V. A la derecha la representación del pulsador sin pulsar, proporcionando a la entrada del microcontrolador una tensión de 0V. Otro de los requisitos importantes es la posibilidad de programar el microcontrolador sin la necesidad de extraerlo. Para ello, a partir de la documentación propia del microcontrolador, se observa que, para la realización de la programación, el launchpad usa 4 pines: Alimentación y tierra (que se corresponde a la alimentación y a la tierra del propio microcontrolador) y los pines de reset y set. Estos cuatro pines del microcontrolador son los que se estarán accesibles en la placa mediante el uso de un conector para cable plano de cuatro pines. El siguiente componente de este grupo que depende del microcontrolador es la pantalla. Se usará una pantalla LCD, modelo NHD-C0216CZ que posee unas características más que suficientes para el uso que se requiere. Como se ha mencionado con anterioridad, el control de la pantalla se realiza mediante el protocolo SPI y con la información obtenida del datasheet se puede saber cómo deben realizarse las conexiones al microcontrolador. Módulo de potencia 26 26 6 MÓDULO DE POTENCIA l módulo de potencia tiene la función de tomar la medida de las NTC y adaptar la señal para que sea apta para el microcontrolador, así como para suministrar la potencia necesaria para poder generar la temperatura deseada en los microcalentadores. El módulo de potencia está constituido por: el interfaz con el módulo motor, que consiste en dos tiras de pines para realizar las conexiones dependientes del módulo motor, dos circuitos electrónicos, un circuito encargado de controlar la temperatura de 65ºC y otro encargado de controlar la temperatura de 95ºC, dos circuitos de calentamiento formados por dos MOSFETS, un driver MIC4427 de dos canales encargado de administrar la corriente que llega a las puertas de los MOSFETS y dos resistencias para disipar la temperatura. A continuación, se comenzará explicando el diseño de los circuitos encargados del control de la temperatura. 3.1 Circuito de control de temperaturas Para el diseño de ambos circuitos electrónicos, se partió del siguiente circuito sin particularizar [11]. Figura 6-1: Circuito de control de temperaturas sin particularizar. E 27 27 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Este circuito, por un lado, se trata de un divisor resistivo que está alimentado por una tensión de referencia V2. El cual posee una resistencia fija R0 conectada a tierra y en el otro extremo de la resistencia R0 tenemos el punto A. Si el valor de la temperatura varía, el valor de la resistencia de la NTC que se encuentra sobre el punto A, también varía, cambiando así el valor en el punto A. Este cambio se puede contabilizar usando la siguiente expresión: 𝑉𝐴(𝑇)=(𝑅0 𝑅(𝑁𝑇𝐶)+𝑅0)∗𝑉2 (6.1) Es necesario poder simular el cambio de temperatura que se produce en el circuito real, para ello se utilizará una fuente de tensión sinusoidal (V1) con una macro, en la cual, el valor de la corriente continua se corresponde con el valor de la tensión en la NTC. En este punto disponemos de una tensión variable (Va) en función de la temperatura que tendremos que adaptar a un rango válido para la entrada del microcontrolador, es decir, la idea es tener a la salida del segundo amplificador una señal que tome valores cercanos a los extremos (0V y 3V) y tener un incremento cercano a 3V, ya que la salida de este circuito se conecta directamente al microcontrolador, el cual no soporta tensiones superiores a 3,3V. Para ello debemos asegurarnos en primer lugar, evitar las pérdidas de corriente, esto lo solucionamos conectando el punto A un amplificador operacional en modo seguidor de tensión. Este amplificador operacional tiene una ganancia de tensión de valor 1, esto significa que el amplificador operacional no proporciona ninguna amplificación ni atenuación a la señal, por lo que tendremos a la entrada la misma señal que a la salida. Finalmente podemos modelar la tensión amplificada siguiendo la siguiente expresión: 𝑉(𝑂𝑈𝑇)=𝑅2 𝑅1 ∗(𝑉𝐴−𝑉𝐵) (6.2) Tendremos dos señales VOUT, una por cada circuito de control de temperatura, es decir, una VOUT para el circuito de 95ºC y otra VOUT para el circuito de 65ºC. Ambas señales son entradas del módulo motor. El objetivo de ambos circuitos es conocer en cada momento el valor de tensión que tenemos asociado a la temperatura de la NTC para saber cuándo es necesario aumentar la temperatura del microcalentador o disminuirla. Para estos circuitos se utilizó el OpAmp MCP6242, que es un amplificador operacional rail-to-rail a diferencia del diseño original, lo que permite tener un rango de tensiones valido para el circuito de 0V a 3V. 3.1.1 Particularización del circuito para 65ºC En primer lugar, para particularizar el circuito para 65ºC tenemos que introducir en el campo DC de la fuente V1 el valor 65 e introduciremos una variación de ±2ºC, que sería con la que se pretende trabajar, y que corresponde a 2V en la amplitud. A continuación, se tiene que fijar el valor de R0 de tal forma que la tensión máxima a la salida del divisor de tensión sea menor de 3.3V, realizando un análisis DC se ve que para R0 = 2.2K se tiene una tensión a la salida del divisor de tensión de 2.31V. Una vez tenemos fijado el valor de R0 y se conoce el valor de VA se procede a fijar el valor de VB; para ello se realizag un análisis transitorio (Figura 6-2), en el que se observa que el máximo valor que alcanza VA es 2.39V y el mínimo valor que alcanza VA es 2.24V. Se elige VB igual al mínimo valor de la salida del seguidor de tensión, que se corresponde con el mínimo valor de VA. Así, la salida del segundo amplificador se va a 0V. Módulo de potencia 28 28 Figura 6-2: Resultado del análisis transitorio para la estimación de VB. Una vez se ha estimado el valor de VB se tiene que completar la caracterización del circuito para conseguir una tensión de salida que esté dentro del rango de 0V a 3V. Para ello se usa la ecuación 6.2 obteniendo así un valor de R1 = 100Ω y un valor de R2 = 2143Ω. Por simetría, R1 = R4 y R2 = R3, una vez completado el circuito se realiza un análisis transitorio (Figura 6-3) para comprobar la tensión de salida. Figura 6-3: Resultado del análisis transitorio para la comprobación de la tensión a la salida del circuito. Se puede comprobar que, para esta configuración, se obtiene a la salida una tensión cuyo valor mínimo es 0V y su valor máximo 3.1V, siendo un rango muy próximo al buscado, pero para ajustar más el diseño se procede a tomar unos valores para las resistencias más próximos a la realidad. Como resultado se obtiene que R1 = R4 = 220Ω y R2 = R3 = 4700Ω. Para finalizar se vuelve a realizar un análisis transitorio y se comprueba que el rango de la tensión de salida tiene un mínimo de 0V y un máximo de 3.2V, siendo muy próximo al rango buscado. En la Figura 6-4 se puede ver el resultado del análisis transitorio para la nueva configuración y en la Figura 6-5 se puede observar el circuito completamente caracterizado para los 65ªC. 29 29 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Figura 6-4: Resultados de la simulación para 65ºC. Figura 6-5: Valores finales del circuito de 65ºC. Módulo de potencia 30 30 3.1.2 Particularización del circuito de 95ºC Para el circuito de 95ºC se siguió el mismo procedimiento que para la particularización del circuito de 65ºC: En primer lugar, para particularizar el circuito para 95ºC se procede a introducir en el campo DC de la fuente V1 el valor 95 e introduciremos una variación de ±1ºC, lo que se corresponde a 1V en la amplitud. A continuación, se tiene que fijar el valor de R0 de tal forma que la tensión máxima a la salida del divisor de tensión sea menor de 3.3V, realizando un análisis DC se ve que para R0 = 1K se tiene una tensión a la salida del divisor de tensión de 2.36V. Una vez se tiene fijado el valor de R0 y se conoce el valor de VA se procede a fijar el valor de VB para ello se procede a realizar un análisis transitorio (Figura 6-6), en el que se puede observar que el máximo valor que alcanza VA es 2.39V y el mínimo valor que alcanza VA es 2.33V. Se elige VB igual al mínimo valor de la salida del seguidor de tensión, que se corresponde con el mínimo valor de VA. Así, la salida del segundo amplificador se va a 0V. Figura 6-6: Resultado del análisis transitorio para la estimación de VB. Una vez se ha estimado el valor de VB se tiene que completar la caracterización del circuito para conseguir una tensión de salida que esté dentro del rango de 0V a 3V. Para ello se usará la ecuación X.2 obteniendo así un valor de R1 = 100Ω y un valor de R2 = 5000Ω. Por simetría, R1 = R4 y R2 = R3, una vez completado el circuito se realiza un análisis transitorio para ver la tensión de salida. Se puede comprobar que se obtiene un rango valido, pero al igual que se hizo con el circuito para los 65ºC, se ajustan los valores de las resistencias a unos valores más reales. Como resultado se obtiene que R1 = R4 = 100Ω y R2 = R3 = 4700Ω. Para finalizar se vuelve a realizar un análisis transitorio y se comprueba que el rango de la tensión de salida tiene un mínimo de 0V y un máximo de 2.97V, siendo muy próximo al rango buscado. En la Figura 6-7 se puede observar el resultado del análisis transitorio para la nueva configuración y en la Figura 6.8 se puede observar el circuito completamente caracterizado para los 65ªC. 31 31 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Figura 6-7: Resultados de la simulación para 95ºC. Figura 6-8: Valores finales del circuito de 95ºC. La salida de ambos circuitos de control de temperatura son entradas directas al microcontrolador, es decir, estos circuitos son los encargados de indicar al microcontrolador la temperatura que tienen los microcalentadores en un momento dado. Las medidas de las NTC de los microcalentadores entran en los divisores de tensión de cada circuito de amplificación. La tensión de salida de cada circuito entra directamente al microcontrolador, en el pin P1_0 y P1_1 respectivamente. El microcontrolador es el encargado de proporcionar un PWM, dependiendo del nivel de tensión entrante en el microcontrolador, al driver de los MOSFETS con más o menos dutty cycle. Cuanto mayor tiempo esté la señal a nivel alto, el paso de corriente por las pistas del microcalentador será mayor, lo que conlleva a un aumento de temperatura mayor. A continuación, se proseguirá con el diseño de los circuitos de calentamientos. Módulo de potencia 32 32 3.2 Circuito de calentamiento Ambos circuitos están compuestos por un serpentín, una resistencia de disipación, un MOSFET y el driver para el MOSFET. En la siguiente figura se puede observar un esquema del circuito de calentamiento. Figura 6-9: Circuito de calentamiento. Rcal es la resistencia del serpentín y RDis es la resistencia de disipación. A continuación, se proseguirá con la particularización del circuito de calentamiento para las temperaturas de 65ºC y de 95ºC. Para la particularización del circuito de calentamiento de 65ºC, en primer lugar, se ha calculado que la resistencia Rcal del serpentín tiene un valor ideal de Rcal = 1 Ω, pero a la hora de fabricarla hay que tener en cuenta la tolerancia por lo que el valor de Rcal podría ser aproximado. Como dato impuesto en el TFG, se tiene que el valor de corriente que debe tener el circuito de calentamiento para 65ºC es de 1,06A y la alimentación es de 5V. Aplicando la ley de Ohm se obtiene que Req = RCal + RDis = 4,72Ω, de donde RDis = 3,72Ω y su potencia es P = RDis ·I = 3,94W. En la Figura se observa el esquemático del circuito de calentamiento para 65ºC. Figura 6-10: Esquemático del circuito de calentamiento para 65ºC. Para la particularización del circuito de calentamiento de 95ºC, se ha calculado que la resistencia Rcal del serpentín tiene un valor de Rcal = 1 Ω, como dato impuesto en el TFG, se tiene que el valor de corriente que debe tener el circuito de calentamiento para 95ºC es de 1,73A y la alimentación es de 5V. Aplicando la ley de Ohm se obtiene que Req = RCal + RDis = 2,89Ω, de donde RDis = 1,89Ω y su potencia es P = RDis ·I = 3,27W. 33 33 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR En la Figura se observa el esquemático del circuito de calentamiento para 95ºC. Figura 6-11: Esquemático del circuito de calentamiento para 95ºC. 3.3 Diseño del módulo de potencia Una vez se tienen particularizados los dos componentes principales del módulo de potencia, se procede al diseño de este. En primer lugar, ambos sistemas de control de temperatura tienen una tensión constante Vb que se tiene que suministrar. En este sistema solo se tienen dos tensiones de alimentación: Vcc = 5V y Vdd = 3,3V, para la obtención de Vb se usará Vcc y el regulador LM317 con la siguiente configuración: Figura 6-12: Configuración del LM317. (6.3) Mediante la expresión (6.3) obtenida del datasheet podemos particularizar el circuito. R1 es conocida y la corriente IAdj se puede despreciar siguiendo las indicaciones del datasheet por lo que despejando se obtiene: R2 = 190Ω para Vb = 2,24V y R2 = 207Ω para Vb = 2,33V. El valor de R2 será ajustado mediante un potenciómetro. En este punto se tienen particularizado todos los componentes del módulo de potencia, antes de proceder al diseño del módulo completo, se debe tener claro que está conectado a cada pin de las tiras de pines ya que la conexión se realiza encajando ambas placas a través de las tiras de pines. Una vez considerado esto, el diseño a nivel esquemático del módulo de potencia es el siguiente: Módulo de potencia 34 34 Figura 6-13: Diseño esquemático del módulo de potencia. En el diseño esquemático se pueden distinguir los dos circuitos de amplificación (en la mitad izquierda de la Figura) con sus respectivas fuentes para cada tensión Vb, así como los dos circuitos de calentamiento conectados al driver (en la mitad derecha de la Figura). Para el diseño del PCB, el principal requisito que se debe cumplir es que la distancia de separación entre las dos tiras de pines sea de 76,20mm, ya que las tiras del módulo de potencia tienen que coincidir con las tiras del módulo motor para poder realizar la conexión. Una vez considerado este requisito, se realiza un diseño ordenado, se mantiene a la izquierda de la placa una zona accesible con las conexiones para las NTC y los potenciómetros de las fuentes y de igual forma, se mantiene en el lateral derecho de la placa los conectores accesibles para la conexión de los calentadores. Esto es importante porque al conectar el módulo motor la superficie del módulo de potencia bajo el módulo de motor estará inaccesible. Una vez contemplado los requisitos, el diseño del PCB se muestra a continuación: 35 35 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Figura 6-14: PCB del diseño completo del módulo de potencia. Finalmente, en la Figura 6-15 podemos ver una vista 3D de cómo sería el diseño completo del módulo de potencia. Figura 6-15: Vista 3D del diseño completo del módulo de potencia. Conclusiones y Futuras mejoras 42 42 Esto ha permitido mejorar mis habilidades de diseño, ampliando mis conocimientos y el manejo de equipos de laboratorio. Otro punto para tener en cuenta es que me ha permitido aprender más sobre temas con los que no había tenido contacto, como son los sistemas POC o los Lab-on-a-Chip, y adentrarme un poco más en la biomedicina. 8.1 Posibles mejoras Como posibles mejoras y continuación del trabajo realizado en este proyecto se proponen las siguientes ideas: • Añadir un control sobre los parámetros de ensayo, es decir, permitir la posibilidad de elegir los parámetros en el ensayo de PCR tales como la temperatura o el número de ciclos mediante la incorporación de una pantalla táctil. • Realizar una caja o chasis que contenga todo el sistema, a modo de hacerlo más estético y seguro. • Dado que no se ha podido completar la fabricación del sistema, otra posible mejora sería realizar la caracterización de las temperaturas de los serpentines y comprobar que las temperaturas en el fluido se corresponden con las medidas en el serpentín. • Otra posible mejora sería la ampliación del sistema incorporando la función que permita visualizar los resultados obtenidos de la PCR. 43 43 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR ANEXO A. ESQUEMÁTICOS Y LAYOUT Figura A-1: Esquemático del módulo motor. Anexo A. Esquemáticos y layout 44 44 Figura A-2: Layout del módulo motor. 45 45 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Figura A-3: Esquemático del sistema de adaptación para la pantalla LCD. Anexo A. Esquemáticos y layout 46 46 Figura A-4: Layout del sistema de adaptación para la pantalla LCD. 47 47 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR Figura A-5: Esquemático del módulo de potencia. Anexo A. Esquemáticos y layout 48 48 Figura A-6: Layout del módulo de potencia. 49 49 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR ANEXO B. DIAGRAMA DE FLUJO Figura B-1: Diagrama de flujo del funcionamiento del sistema completo. Anexo B. Diagrama de flujo 50 50 51 51 Diseño, fabricación y testado de un sistema electrónico integrado portable para la realización de PCR REFERENCIAS [1] BQ. Mauricio, J., Biología molecular aplicada al diagnóstico clínico. Revista Médica Clínica Las Condes, (Volume 26, Issue 6, 2015), pp.788-793. [2] Pittsburgh, PA: MEMS Industry Group, An introduction to MEMS (2003). [3] José Miguel Moreno López, Introducción a los pcb-mems. [4] Oliver Sáez, P., Alonso Díaz, R. and Lirón Hernández, J., Guía sobre las pruebas de laboratorio en el lugar de asistencia al paciente (POCT). Revista del Laboratorio Clínico, (Volume 9, Issue 2, 2016), pp.60-80. [5] R. Markets, "World Point of Care (POC) Testing Industry Insights, 2010-2019 & 2025F - Analysis by Diagnostics, Modes, End-users, Regions & Players", Prnewswire.com, 2019. [Online]. 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