J. Morales. Síntesis Tecnológica. V.2 N° 2 (2005) 57-62
DOI:10.4206/sint.tecnol.2005.v2n2-02

REGISTRO Y CONTROL CONTINUO DEL pH PARA LA APLICACIÓN EN EL ESTUDIO DE LA CALCIFICACIÓN INVITRO DE UNA BIOPRÓTESIS DE VÁLVULA CARDIACA

JORGE MORALES VILUGRON
HELMUTH STEUER TRAEGER

Universidad Austral de Chile, Ingeniero Electrónico, Magíster MBA, jmorales@uach.cl.
Universidad Austral de Chile, Ingeniero Electrónico, helmuthsteuer@hotmail.com.

Resumen

Al implantar bioprótesis de válvulas cardiacas, uno de los problemas que más se repiten es la calcificación del tejido de estas después de permanecer por un tiempo en el cuerpo humano. Es por esto que el departamento de Criobiología y Biomateriales de la Universidad alemana “Rheinischwestfälische Technische Hochschule Aachen” (RWTH) junto con la empresa Medtronix, pionera en la fabricación de válvulas proteicas, realizan hace algunos años estudios para determinar con precisión la causa de este fenómeno. El estudio consiste en someter 10 válvulas a un test de funcionamiento durante 8 semanas, equivalentes a 24 millones de latidos para incitar la producción de la calcificación del tejido y poder así determinar que factores la provoca. Estas válvulas están sumergidas todo el tiempo en un líquido con características muy similares a la sangre humana.

Los primeros experimentos se realizaron sin tomar en cuenta el grado de acidez del líquido, el cual debería permanecer con un pH constante de 7,4. En estos experimentos no se pudo determinar si la variación de pH que presentaba el líquido influyó en la calcificación de las válvulas una vez transcurridas las 8 semanas del test.

Este Proyecto entrega una solución práctica a este problema, presentando un diseño que tiene por finalidad el medir y controlar el pH del líquido que se utiliza en el experimento, para poder así descartar la variación del pH en la calcificación de las válvulas.

Este trabajo entrega todos los detalles de la implementación del medidor-controlador de pH así como también del programa realizado en el software Visual Basic que es el encargado de leer y procesar los datos entregados por el medidor.

El medidor–controlador puede medir y controlar el pH de cualquier líquido, pero esta diseñado para ser utilizado en el control del pH del líquido en el que se sumergen las válvulas al momento de hacer el test. El correcto funcionamiento del medidor– controlador de pH fue comprobado en un ambiente simulado y el diseño cuenta con una interfaz para un medidor de pH convencional.

Abstract

One of the most repeated problems when implanting cardiac valves, is the calcification of the tissue when they remain for a long time in the human body. Therefore the Criobiology and Biomaterials Department of the German University of “Reinischwestfälische Technische Hochschule Aachen” (RWTH) together with the Metronic Interprise, pioneer in the manifacturing of the proteinic valves are carrying out during some years studies to determine with accuracy the cause of the phenomenon. The study lies in subjecting 10 valves to an operation test during 8 weeks, equal to 24 millions of heart beatings to start the production of calcification and be able to determine its cause. These valves are all the time submerged in a liquid with similar characteristics to the human blood characteristics.

The first experiments were carried out without considering the acid degree of the liquid which should stay with a constant pH of 7.4. In these experiments it was not able to determine if the variation of the pH that the liquid presented had influenced on the calcification of the valves after the 8 weeks.
The present thesis shows a practical solution to this problem, by introducing a design whose goal is to measure and control the pH of the liquid used in the experiment, and so be able to discard the variation of pH in the calcification of the valves.

This thesis shows the details of the introduction of the measurer-controller of the pH likewise also of the program carried out in Visual Basic in charge of reading and processing the data given by the measurer.

The measurer-controller can measure and control the pH of any liquid, but it is designed to be used in the pH control of the liquid in which the valves are submerged when carrying out the test.

The correct functioning of the pH measurer-controller was tested in a simulated environment and although the design has a device for a measurer of conventional pH, a simulated sensor of pH was used in this case.

1. INTRODUCCIÓN

Las válvulas cardiacas protésicas son elementos artificiales concebidos para reemplazar una válvula cardiaca humana, que constan de un orificio a través del cual fluye la sangre y de un mecanismo oclusor que cierra y abre el orificio. Existen 2 clases de válvulas cardiacas protésicas: las prótesis mecánicas constituidas por oclusores rígidos en cuya fabricación no se incluye el uso de material biológico y las válvulas biológicas o tejidos valvulares finos, constituidas por valvas oclusoras flexibles de origen animal o humano (bioprótesis)

Figura 1. Prótesis de válvula cardiaca

Figura 2. Prótesis de válvula cardiaca

El problema de las bioprótesis es que después de un tiempo de ser implantadas (meses o años) en el ser humano, se produce una calcificación paulatina de estas, que comienza por las valvas de la válvula y luego se ramifica al resto de ella.

Las causas de este fenómeno, no se conocen con exactitud, solo se sabe que ocurre a la gran mayoría de las válvulas transplantadas y en algunos casos extremos se pueden determinar factores que incitan el comienzo de la calcificación, como el caso de pacientes con diabetes.

Es por esto que, desde hace algunos años el departamento de Criobiología y Biomateriales dirigido por la Sra. Dr.-Ing. Birgit Glasmacher dependiente del Instituto “Helmholz Institut” de la Universidad Alemana “Rheinischwestfälische Technische Hochschule Aachen” (RWTH), realiza a petición de la empresa holandesa Medtronic, líder en la fabricación de bioprótesis de válvulas cardiacas, estudios para determinar el lugar exacto del comienzo de la calcificación, para poder así encontrar las posibles causas que generan este fenómeno.

Durante Julio del 2004 se realizó un estudio donde se midió la rapidez de calcificación de un nuevo diseño de válvulas. Para esto se colocaron 5 válvulas de diseño nuevo, y 5 válvulas standard ocupadas por la empresa hasta el día de hoy, en cilindros plásticos adheridos a bombas que hacían circular una solución acuosa a través de las válvulas, simulando el paso de la sangre a través de estas. Estos cilindros están a su vez dentro de un recipiente mayor el cual es llenado con agua a 37°C y mantenido a esta temperatura con un calentador eléctrico resistente al agua. Esta máquina funcionó día y noche durante 1 semana, al séptimo día (correspondientes a 3 millones de pulsaciones cardiacas) se hicieron mediciones (con ayuda de radiografías y scanner) a cada una de las válvulas para determinar el comienzo de la calcificación. También se hace entonces una limpieza de los cilindros y mantención de la máquina. Eso se repitió durante 8 semanas (equivalentes a 24 millones de pulsaciones cardiacas). El estudio fue un éxito, ya que los resultados arrojaron que la válvula prototipo tiene menos tendencia a la calcificación que los diseños anteriores. Sin embargo, un punto problemático en el estudio fue la solución acuosa en la que se encontraban estas válvulas. La solución esta hecha de tal forma que sea lo más parecido a la sangre humana, con las mismas concentraciones de Calcio y Fosfato y por supuesto un pH de 7,4 todo el tiempo. Sin embargo al final de cada semana, se notó que el pH de la solución había descendido considerablemente, tomando valores que no son comparables a los del cuerpo humano. La inestabilidad del pH en la solución podría ser un factor importante en el proceso de calcificación de las válvulas en el experimento, entregando datos erróneos con respecto al tiempo que demoran las válvulas en calcificarse, haciendo que 8 semanas de estudio pierdan toda credibilidad.

El estudio finalizó sin poder superar este problema.

Esta tesis entrega una solución práctica al problema de inestabilidad de pH en el líquido donde se encuentran sumergidas las válvulas.

La primera etapa, realizada en Alemania, fue diseñar un sistema que midiera permanentemente los niveles de pH en la solución, para poder así saber con exactitud cuando ocurría el descenso del pH. Para esto se diseño un software utilizando Labview que tomaba datos a través de un sensor y los almacenaba en el disco duro de un computador para su posterior análisis. Estos análisis arrojaron que el pH descendía en las primeras horas del experimento. Este experimento se realizó bajo las mismas condiciones que el estudio mencionado anteriormente.

Figura 3. Medidor – Controlador de pH, diseñado y construido

Como segunda etapa y tema principal de este trabajo, se diseñó un sistema que es capaz de medir y mantener constante los niveles de pH en la solución.

El diseño cuenta de un dispositivo donde se encuentran los elementos para la obtención de los datos. Estos datos son adquiridos a través de un sensor de pH, luego son amplificados y llevados hacia un conversor análogo digital, posteriormente se envían los datos al computador a través del puerto paralelo.

Para el caso de la mantención, puesta a punto y demostraciones de funcionamiento del sistema, el diseño cuenta también con un sensor simulado, que hace menos riesgosa la etapa de ajustes y toma de datos.

Se confeccionó un programa en Visual Basic, de fácil operación, capaz de leer los datos entregados por el sensor, graficarlos y guardarlos en el disco duro. Además, el programa reconoce los niveles deseados de pH y está siempre alerta en caso de que el pH aumente o disminuya, si esto ocurre, se accionan a través del puerto paralelo, 3 servo motores de forma independiente, los motores mueven jeringas que están conectadas al recipiente en donde se encuentra el líquido. Las jeringas contienen sustancias que hacen aumentar y disminuir los niveles de pH, así si el pH sube, se agregará la sustancia que hace disminuir el nivel de pH, haciendo que este se mantenga siempre dentro de los niveles deseados.

2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MEDIDOR – CONTROLADOR DE pH.

El problema fue acotado al determinar que no existen factores externos que influyan en la inestabilidad del líquido, por lo que el diseño se enfoca a la manipulación directa del líquido calcificante.

El diseño y construcción del medidor – controlador de pH fue realizado en tres etapas: la primera consta de la estructura controladora que interactúa directamente con el líquido calcificante para poder estabilizarlo, la segunda etapa es el medidor de pH que mide los valores de pH del líquido en tiempo real, y la etapa de diseño del programa realizado en Visual Basic junto al estudio de la utilización del puerto paralelo del computador.

Etapa Controladora

El líquido calcificante debe ser manipulado directamente inyectando ciertas sustancias para hacer que el pH aumente o disminuya. Las sustancias utilizadas son hidróxido de sodio (NaOH), para hacer que el pH suba, y ácido clorhídrico (HCl) para que el pH baje. Estas sustancias están disueltas en agua a una concentración conocida dependiente de la velocidad de reacción de que se desee.

Debido a que se debe inyectar una sustancia líquida a otra, se pensó en la utilización de jeringas que realicen este proceso, el que debe ser automático y controlado. Con esta propuesta en mente comenzó la tarea de diseñar el sistema, poniendo especial cuidado en los materiales a escoger y la forma de activar las jeringas.

Figura 5. Medidor – Controlador de pH, Pantalla diseñada para visualizar numérica y gráficamente los cambios de PH.

3. CONSTRUCCIÓN

Se utilizaron 3 jeringas de 60ml, una para el hidróxido de sodio (NaOH), una para el ácido clorhídrico (HCl) y otra que succionara las cantidades inyectadas por las primeras dos jeringas, así se mantendrá una presión siempre constante dentro del contenedor. Las 3 jeringas se encuentran en posición vertical alineadas una al lado de la otra fijadas a una lámina acrílica de 50 x 30 cm. con fijadores plásticos para cañerías de ½ pulgada que fueron deformados con calor para obtener el diámetro adecuado para la jeringa El mayor desafío fue darle movilidad automática y controlada a las jeringas, más bien a los émbolos de las jeringas, ya que las jeringas se mantienen fijas y son solo los émbolos los que se mueven.

Para esto se utilizaron 3 servo motores, debido a que estos son muy fáciles de controlar, necesitan poca energía para funcionar y sobre todo porque el ángulo de giro que se puede maniobrar es muy pequeño, asiendo que los movimientos sean muy precisos. Cada motor hace girar un hilo sin fin de 15 cm. de largo y diámetro de 5 mm, un extremo conectado al eje principal del servo motor y el otro a un descanso formado por un rodamiento fijado a la superficie acrílica por medio de un perno.

Para fijar el embolo de la jeringa al tubo de cobre y así producir el movimiento de este, se utilizo una copla de gasfitería para unir cañerías de ½ pulgada. Al extremo libre del tubo se le soldó una de las piezas de la copla. A cada una de las salidas de las mangueras se les asocia una manguera plástica que lleva el líquido hasta el compartimiento.

A la etapa controladora se le agregaron 2 sensores fin de carrera por cada jeringa. Uno esta ubicado en el eje del motor, y detecta la cantidad de vueltas enviando un pulso cada vez que una de las puntas del eje toca el sensor. En total son cuatro puntas, por lo que por cada vuelta el sensor enviara 4 pulsos. De esta forma se pueden contar los pulsos y determinar cuantas vueltas a girado el motor. El control del motor de esta forma es indispensable para determinar la cantidad de líquido que se desea inyectar al contenedor, así por ejemplo, 20 vueltas de motor corresponden a 1 ml. de líquido.

Otro sensor esta ubicado de tal forma que detecta cuando la jeringa esta vacía, esto ayuda para determinar cuando deben ser rellenadas y también para iniciar el proceso de lectura.

Software de control y medición

La función principal del programa es leer permanentemente los datos entregados por el sensor de pH que se encuentra sumergido en el líquido a controlar y compararlos con los parámetros de estabilidad que corresponde a valores de pH de entre 7,3 y 7,5. Si las lecturas indican que el valor de pH ha aumentado por sobre el rango de estabilidad se activara la jeringa 1, inyectando al contenedor ácido clorhídrico (HCl) para que el pH baje y si las lecturas indican que el pH esta bajo los niveles de estabilidad se activara la jeringa 2, inyectando hidróxido de sodio (NaOH) al contenedor para hacer que el pH suba. La cantidad de líquido que inyecten las jeringas al contenedor, dependerá de cuantas veces se vuelva inestable el pH del líquido a controlar y de cuanto tarde el pH en ser controlado. La jeringa 3, succiona la cantidad de líquido que las jeringas 1 y 2 inyectan al contenedor, de esta forma se mantiene una presión constante durante todo el proceso de control. Esto significa que las jeringas 1 y 2 nunca se moverán al mismo tiempo, sin embargo, la jeringa 3 se moverá siempre en conjunto con la jeringa 1 o 2 para succionar lo que estas inyecten. El programa nunca deja de leer los datos entregados por el sensor, y cuando el valor de pH en el contenedor se estabiliza dentro del rango seguro (7,3 a 7,5) las jeringas dejan de funcionar y quedan a la espera de que se produzca una nueva inestabilidad en el pH.

Antes de ejecutar el programa (Figura. 6) se deben realizar los siguientes pasos, que permitirán un funcionamiento óptimo del sistema. Primero se debe alimentar eléctricamente la etapa de medición y luego conectar a ella la etapa controladora y el sensor de pH. Las 3 mangueras del recipiente deben conectarse a las jeringas de la etapa controladora. Terminados estos pasos, se ejecuta el programa y se elige la opción “Test servos”. Esta opción permite manejar cada jeringa en forma independiente, de esta forma, las jeringas son llenadas con los líquidos estabilizadores de pH y dejadas en la posición correcta para su funcionamiento. También se calibran los motores y se revisa que la cantidad de vueltas que gira el motor para producir un desplazamiento del embolo correspondiente a 1 ml sea el adecuado. Luego se sale de esta aplicación y se elige la opción “Ver Data”, esta opción permite calibrar el sensor de pH real con las soluciones tampones de pH fijo a través de un grafico, así al medir el pH de una solución tampón de pH 7 el programa deberá leer el mismo valor, de no ser así, el sensor se ajusta al valor pH 7 con las perillas de calibración del medidor. Terminada la calibración se elige la opción “Aplicación” y y se da inicio al experimento.

El sistema esta creado para hacer medidas de pH cada 5 segundos por un periodo continuo de 7 días y guardar los datos en el disco duro para su posterior análisis. Cuando el pH sale del rango seguro las jeringas inyectan al recipiente sustancias estabilizadoras hasta lograr que el pH se estabilice.

Finalmente, indicar que las etapa de hardware implementada incluyen la fuentes de poder, la etapa de conversión y amplificación de los datos, los conectores a para el sensor, el conector DB25 para el cable paralelo, set de led para visualizar los pines del puerto activados. Todo esto presentado en una caja con la indicación de cada conector.

4. PRUEBAS AL SISTEMA

Las pruebas al sistema comienzan con un chequeo general del sistema, verificando que las jeringas inyecten la cantidad de líquido deseado y que los movimientos sean uniformes. Para esto se realizan los ajustes necesarios a los timer del programa. Se chequea que los datos se almacenen correctamente en el disco duro y que la gráfica que se genera coincida con la lectura de datos corresponda al valor de pH que se esta midiendo.

Utilizando soluciones tampones de pH 7 y 9, se comprobó el buen funcionamiento de el sensor real de pH, y de la etapa amplificadora del circuito de medición, encargada también de calibrar el sensor de pH, para que los valores en pantalla sean los correctos.

Sin duda la prueba más importante realizada al sistema completo, fue someter al medidor- controlador de pH a un test ininterrumpido por un plazo de 24 horas. Las mediciones se realizaron cada 5 segundos, lo que significa que el software almacenó 17.280 muestras en el disco duro, ocupando un espacio de 97 Kb. Estas muestras pueden ser analizadas dentro del mismo programa en forma gráfica, lo que permite revisar en forma rápida el comportamiento del pH durante las 24 horas de medición. Si se desea se pueden utilizar otros software para el análisis de las muestras. Esta prueba demostró el óptimo funcionamiento de Medidor – Controlador de pH implementado en esta tesis, y asegura excelentes resultados para la aplicación en el estudio de la calcificación invitro de una bioprótesis de válvula cardiaca.

5. CONCLUSIONES.

La realización de mediciones continuas de pH para detectar el momento exacto en que éste perdía estabilidad, permite darle una solución concreta al problema de inestabilidad de pH durante los estudios a las válvulas. Las mediciones continuas de pH realizadas en Alemania demostraron que el líquido en el que están sumergidas las válvulas se vuelve inestable sin la intervención de factores externos, se determinó que la mejor alternativa de control era manipular directamente el líquido.

El Medidor – Controlador de pH implementado en este trabajo, presenta un diseño original y único, construido especialmente para darle solución al problema mencionado anteriormente.

La implementación de las 3 etapas que forman el Medidor –Controlador de pH permite profundizar el conocimiento en temas de gran interés, como son el funcionamiento de los sensores de pH, el uso de conversores A/D y amplificadores operacionales, el control de servomotores y el control total del puerto paralelo de las computadoras usando programación en Visual Basic.

El Medidor –Controlador de pH fue diseñado para su uso en una aplicación especifica, sin embargo, con pequeñas modificaciones al programa maestro se pueden lograr distintas aplicaciones, pudiendo utilizar el sistema para la medición y control de pH de cualquier líquido en cualquier ambiente. Por estar diseñado por etapas, cada una de éstas puede ser pedagógicamente analizada y usada para verificar tanto la aplicación de programación de control de puertos paralelos como el diseño del hardware.