CONTACTLOZE TEMPERATUUR REGISTRATIE VAN BIOLOGISCHE PREPARATEN

CONTACTLOZE TEMPERATUUR REGISTRATIE VAN BIOLOGISCHE PREPARATEN Temperatuurregistratie tijdens onderzoek naar de hemodynamische parameters in het hart van een kippenembryo

Maarten Clements Christiaan Eggink Datum: Juni 2003 IPP Project: EI02

CONTACTLOZE TEMPERATUUR REGISTRATIE VAN BIOLOGISCHE PREPARATEN Temperatuurregistratie tijdens onderzoek naar de hemodynamische parameters in het hart van een kippenembryo

Maarten Clements Christiaan Eggink

Datum: Juni 2003 Begeleider: Dr. Ir. R.C. den Dulk Opdrachtgever: Ph. D. W. Sjoerdsma IPP Projectnummer: EI02

Voorwoord Dit projectverslag is geschreven in het kader van het Integraal Project Practicum (IPP, ET3603). Gedurende dit practicum zijn wij, Maarten Clements en Christiaan Eggink, in de situatie van een tweepersoons ingenieursbureau geplaatst. In dit proces zijn er drie fasen te onderscheiden. In de eerste fase kregen we een betrekkelijk vaag omschreven opdracht. Deze opdracht is afkomstig van een opdrachtgever. Doorgaans is de opdrachtgever een lid van de staf van de faculteit. In ons geval echter is dit Wouter Sjoerdsma, hoofd van de afdeling Experimentele Medische Instrumentatie aan het Erasmus Medisch Centrum te Rotterdam. De echte probleemhebbers in dit project zijn Sandra Stekelenburg-de Vos en Nicolette Ursum, zij doen namelijk onderzoek naar hemodynamische parameters van het hart van een kippenembryo en ondervinden daarin een probleem, waarvoor zij een technische oplossing zoeken. In de eerste drie weken is het de bedoeling om in een aantal gesprekken met de opdrachtgever via een probleemanalyse tot een programma van eisen (PvE) te komen en enkele op functieniveau gespecificeerde conceptoplossingen (systeemconcepten). Uit deze systeemconcepten dient vervolgens het meest belovende concept gekozen te worden. Dit is gebeurd aan de hand van criteria, die aan het PvE zijn ontleend. Er moest in ieder geval worden voldaan aan de eis, dat implementatie mogelijk was binnen een aantal randvoorwaarden. In de tweede fase dient het uiteindelijke ontwerp gerealiseerd te worden in een vakc.q. werkgroep die naar inzicht van de studenten hiertoe het meest geschikt is, in ons geval heeft de implementatie plaatsgevonden in het Erasmus MC. In de derde fase wordt het gerealiseerde ontwerp (=product) gereed gemaakt voor overdracht aan de opdrachtgever, inclusief de bijbehorende documenten. De overdracht vindt plaats met een korte voordracht en uitleg over het functioneren. Naast de opdrachtgever hebben we nog een begeleider, die ons helpt met de procesgang door de verschillende fasen van het IPP. Dit projectverslag is een volledige beschrijving van het doorlopen ontwikkelproces. Alle stappen die zijn genomen om tot een definitief systeemconcept te komen zijn tot in detail uitgewerkt. Ook zijn genomen beslissingen onderbouwd en gemaakte fouten geëvalueerd. Maarten Clements Christiaan Eggink

i

Inhoudsopgave VOORWOORD.....................................................................................................................................I INHOUDSOPGAVE ........................................................................................................................... II SAMENVATTING............................................................................................................................. IV 1

INLEIDING ................................................................................................................................. 1 1.1 OPBOUW EN BESCHRIJVING HOOFDSTUKKEN ......................................................................... 1 1.2 CONTEXT VAN HET ONDERZOEK ............................................................................................ 2 1.2.1 Het plotselinge veranderen van hemodynamische parameters door afsluiting van aders in een vroeg stadium van de ontwikkeling van een kippenembryohart........................ 2

2

PROBLEEMSTELLING ............................................................................................................ 4 2.1 OORSPRONKELIJKE PROBLEEMSTELLING................................................................................ 4 2.2 ANALYSE PROBLEEMSTELLING .............................................................................................. 5 2.3 UITEINDELIJKE PROBLEEMSTELLING ...................................................................................... 6

3

PROGRAMMA VAN WENSEN (PVW)................................................................................... 7 3.1 OMZETTING NAAR EISEN ........................................................................................................ 7

4

PROGRAMMA VAN EISEN (PVE) ......................................................................................... 8 4.1 EISEN VANUIT HET BEOOGDE GEBRUIK .................................................................................. 8 4.2 EISEN VANUIT DE ECOLOGISCHE SITUERING VAN HET SYSTEEM IN DE OMGEVING .................. 8 4.3 EISEN MET BETREKKING TOT HET TE ONTWERPEN SUBSYSTEEM ZELF .................................... 9 4.3.1 Eisen in gebruiks-, onderhouds- en beheertermen .................................................. 9 4.3.2 Eisen in termen van vervaardiging, monteren, installeren, toetsen, overdragen en ingebruikname....................................................................................................................... 9 4.3.3 Eisen in termen van recyclen, duurzaamheid en milieuvriendelijkheid van grondstoffen........................................................................................................................... 9 4.4 EISEN MET BETREKKING TOT HET TE ONTWIKKELEN PRODUCTIESYSTEEM ............................. 9 4.5 EISEN MET BETREKKING TOT EEN TE ONTWIKKELEN LIQUIDATIESYSTEEM............................. 9 4.6 RANDVOORWAARDEN .......................................................................................................... 10

5

SYSTEEMCONCEPTEN ......................................................................................................... 11 5.1 5.2 5.3 5.4

6

FUNCTIEBLOKSCHEMA'S ...................................................................................................... 11 BESLISSINGSBOOM EN DE BEGINSELOPLOSSINGEN ............................................................... 16 MORFOLOGISCHE KAARTEN ................................................................................................. 17 CONCEPTEN ......................................................................................................................... 18 5.4.1 Concept 1 .............................................................................................................. 18 5.4.2 Concept 2 .............................................................................................................. 19 5.4.3 Concept 3 .............................................................................................................. 20

SYSTEEMKEUZE .................................................................................................................... 21 6.1 ANALYSE SYSTEEMCONCEPTEN ........................................................................................... 21 6.1.1 Functioneringscriteria .......................................................................................... 21 6.1.2 Toetsing van de systeemconcepten aan de functioneringscriteria......................... 22 6.2 VERDERE BESCHRIJVING UITEINDELIJKE SYSTEEMCONCEPT ................................................ 23

ii

7

IMPLEMENTATIE VAN HET GEKOZEN CONCEPT ...................................................... 25 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7

8

DE 12 BIT ANALOOG DIGITAAL CONVERTOR (ADC)........................................................... 25 DE RS 232 POORT COMMUNICATIE ...................................................................................... 26 HET COMMUNICATIE PROTOCOL........................................................................................... 26 HET IJKCIRCUIT .................................................................................................................... 27 DE VOEDINGEN .................................................................................................................... 28 BEVEILIGING ........................................................................................................................ 28 DE SOFTWARE ...................................................................................................................... 28

RESULTATEN .......................................................................................................................... 30 8.1 INLEIDING ............................................................................................................................ 30 8.2 DE IJKING ............................................................................................................................. 31

9

THEORIE VAN INFRAROOD STRALING.......................................................................... 33 9.1 9.2 9.3 9.4

10

EVALUATIE CONCEPT EN PVE.......................................................................................... 35 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6

11

INLEIDING ............................................................................................................................ 33 EMISSIVITEIT........................................................................................................................ 33 REFLECTIVITEIT ................................................................................................................... 34 CONCLUSIE .......................................................................................................................... 34 EISEN VANUIT HET BEOOGDE GEBRUIK ................................................................................ 35 EISEN VANUIT DE ECOLOGISCHE SITUERING VAN HET SYSTEEM IN DE OMGEVING ................ 35 EISEN MET BETREKKING TOT HET TE ONTWERPEN SUBSYSTEEM ZELF .................................. 36 EISEN MET BETREKKING TOT HET TE ONTWIKKELEN PRODUCTIESYSTEEM ........................... 36 EISEN MET BETREKKING TOT EEN TE ONTWIKKELEN LIQUIDATIESYSTEEM........................... 36 CONCLUSIE VAN DE EVALUATIE ........................................................................................... 36

CONCLUSIE EN DISCUSSIE AAN DE HAND VAN HET 7-FASENMODEL ............... 37 11.1 DE OPDRACHT ...................................................................................................................... 37 11.2 DE OPLOSSING...................................................................................................................... 37 11.3 HET ONTWERPTRAJECT IN HET LICHT VAN HET 7-FASENMODEL ........................................... 38

LITERATUURLIJST ........................................................................................................................ 39 APPENDIX A ..................................................................................................................................... 40 NETWERKPLANNING ..................................................................................................................... 40 APPENDIX B ..................................................................................................................................... 43 B.1. FUNCTIEBLOKSCHEMA 5.8 .................................................................................................... 43 B.2. FUNCTIEBLOKSCHEMA 5.9 .................................................................................................... 44 B.3. FUNCTIEBLOKSCHEMA 5.10 .................................................................................................. 45 B.4. FUNCTIEBLOKSCHEMA 5.11 .................................................................................................. 46 APPENDIX C ..................................................................................................................................... 47 C.1 HET CIRCUIT .......................................................................................................................... 47

iii

Samenvatting Wouter Sjoerdsma, hoofd van de afdeling Experimentele Medische Instrumentatie van het Erasmus MC heeft een probleem en heeft ons, in het kader van het Integraal Project Practicum (IPP), als ingenieursbureau ingeschakeld om een hier een oplossing voor te vinden. Om een nauwkeurig beeld te krijgen van de ontwikkeling van het hart van een mens in een zeer vroeg stadium van de gestatie, worden in het Erasmus Medisch Centrum te Rotterdam kippenembryo's onderzocht. De ontwikkeling van het hart van een kippenembryo is vergelijkbaar met de ontwikkeling van een mensenhart en dit proces is in een kippenei gemakkelijk waarneembaar. Het probleem is echter dat tijdens het onderzoek het kippenembryo afkoelt, de onderzoeker daarentegen heeft geen beeld van het temperatuurverloop van de embryo in de tijd. Gedurende het onderzoek dient het embryo op een temperatuur rond de 37ºC te blijven. Hiertoe wordt het ei op een thermo-element geplaatst, dit vertraagt echter alleen het afkoelingsproces. Het afkoelen van het ei heeft een negatieve invloed op de ontwikkeling van de embryo in het ei. Hierdoor wordt er een incorrecte meting van de hemodynamische parameters in het embryohart verkregen. Om op een efficiënte manier mogelijke oplossingen te vinden op een probleem, wordt er een bepaalde ontwerp methodologie aangehouden. Allereerst is er een probleemstelling opgesteld en is deze nauwkeurig geanalyseerd. Door middel van de 5 W's (Wie, Wat, Waarom, Waartoe en Waardoor) is de context van het probleem gevonden en de probleemstelling bijgeschaafd. Vervolgens wordt er aan de hand van functieblokschema's onderzocht wat de in- en uitgangskenmerken van het systeem dienen te zijn en worden er in een iteratief proces de deelfunctie en beginseloplossingen gezocht. Voor de deel- of subfuncties van het systeem worden via een beslissingsboom oplossingen gezocht, hierbij heeft een brainwrite sessie een nuttige inbreng gehad. Met behulp van morfologische kaarten zijn vervolgens drie mogelijke systeemconcepten ontworpen. Na analyse van deze concepten is de uiteindelijke oplossing voor het probleem gevonden. Aangezien de oplossing een minimale uitbreiding van de huidige onderzoeksomgeving en -handelingen mocht betekenen, is er gekozen voor een kleine IR sensor die aan de meetopstelling gemonteerd kan worden. Deze sensor meet de temperatuur van het embryo in het ei en geeft een analoog signaal af dat rechtevenredig is met de gemeten temperatuur. Een van de wensen van de probleemhebber was dat het verloop van de temperatuur voor een periode van maximaal een uur kon worden opgeslagen en gevisualiseerd in een diagram. De meetopstelling bevatte al een computer, er is daarom voor gekozen om de data verwerking, opslag en weergave te regelen met een computer. Via een 12 bit analoog-digitaal convertor wordt het signaal van de sensor aan de computer aangeboden. Softwarematig wordt nu gezorgd voor visualisatie en opslag. Het systeem is gebaseerd op zogenaamde onderwaarde detectie. Nu het verloop van de temperatuur gedurende het onderzoek bekend is, kan de onderzoeker beslissen, wanneer de temperatuur een bepaalde ondergrens nadert, om het onderzoek af te ronden.

iv

Tijdens de implementatie zijn er verschillende circuits gesoldeerd en getest. We zijn allereerst begonnen met de realisatie van het RS-232 circuit, dit circuit moest de communicatie bewerkstelligen met de seriële poort van de computer. Uiteindelijk is in dit circuit ook de Analoog Digitaal Conversie opgenomen. Al vrij snel was AD conversie mogelijk en kon deze digitale waarde worden uitgelezen door een PC, door middel van een geschreven stukje software (IRIS 1.0). Toen moest het gemeten signaal dat werd afgegeven door de sensor worden geijkt. Er diende een ijkcircuit te worden gemaakt. Met behulp van twee operationele versterkers en wat weerstanden was dit vrij snel gerealiseerd. Door het gebruik van regelbare weerstanden kan de offset en versterking van het circuit worden ingesteld. Door uitgebreid testen van de vervaardigde circuits, kwamen we tot de conclusie dat de beveiliging van de verschillende onderdelen belangrijk was. De ingang van operationele versterkers mag namelijk niet boven hun voedingsspanning uitkomen en voor de ADC geldt een maximale ingangsspanning die zelfs lager is dan zijn voeding. Deze spanningen dienden dus begrensd te worden. Door middel van een LED (Light Emitting Diode) wordt er aangegeven wanneer er clipping optreedt op de ingang van de ADC, dit houdt tevens in dat er buiten het meetbereik wordt gemeten. Het gehele systeem wordt gevoed door een adapter (24 V). Binnen het systeem worden echter ook spanning van 5 en 15 V gebruikt. Deze spanning zijn verkregen door middel van spanningsregelaars, die 24 V omzetten in 5 en 15 V. Na de realisatie van het systeem diende het getest en geijkt te worden. Door middel van metingen op een verwarmingsplaatje met onze sensor en een thermokoppel kon er een ijkkarakteristiek worden opgesteld. Met behulp van de regelbare weerstanden in het ijkcircuit kon vervolgens de juiste offset en versterking worden ingesteld. Uiteindelijk is er op een ei getest en het systeem werkte keurig. Om de werking van het systeem goed te kunnen doorgronden is een globale kennis van infrarood straling en temperatuur nodig. Ieder object met een temperatuur boven het absolute nulpunt, zend straling uit. Uit onderzoek is gebleken dat de hoeveelheid uitgezonden infrarood straling lineair gerelateerd is met de temperatuur van dat object. Deze relatie dient nog te worden uitgebreid. De hoeveelheid uitgezonden straling is namelijk ook afhankelijk van het materiaal waaruit het object bestaat. De faktor die deze afhankelijkheid beschrijft wordt de emissiviteit genoemd. Voor water en eiwit is deze faktor 0.98.

v

1 Inleiding 1.1 Opbouw en beschrijving hoofdstukken Het projectverslag is als volgt opgebouwd. In dit eerste hoofdstuk wordt een schets gegeven van de achtergrond (context) van ons onderzoek. De opdrachtgever in het Erasmus MC heeft namelijk van twee onderzoekers in het ziekenhuis te horen gekregen dat zij een probleem hebben en ons de opdracht gegeven hiervoor een technische oplossing te verzinnen. Dit hoofdstuk beschrijft dus het onderzoek waarmee de probleemhebbers bezig zijn en de situatie waarin dit onderzoek wordt uitgevoerd. Vervolgens wordt in hoofdstuk 2 het probleem geanalyseerd om via deze analyse op een probleemstelling te komen. In dit hoofdstuk staan de 5 W's (Wie, Wat, Waarom, Waartoe en Waardoor) centraal. In het daarop volgende hoofdstuk is het Programma van Wensen (PvW) weergegeven, hierin worden de wensen van de opdrachtgever (reflecteren de wensen van de probleemhebbers) opgesomd. Vanuit deze wensen vindt er een expliciete vertaling plaats naar het Programma van Eisen (PvE). Dit Programma van Eisen is in hoofdstuk 4 uitgebreid uitgewerkt. Om dit hoofdstuk overzichtelijk te maken is er een onderscheid gemaakt tussen functioneringscriteria en randvoorwaarden. Nu het PvE bekend is, is het mogelijk om een onderzoek in te stellen naar mogelijke systeemconcepten. Dit gaat als volgt. Door middel van een aantal iteratieslagen en door het combineren en variëren van verschillende hulpfuncties zijn we op drie definitieve functieblokschema's gekomen. Voor de uiteindelijke hulpfuncties uit deze schema's kunnen dan via een beslissingsboom (hoofdstuk 5.2) beginseloplossingen (BO's) worden verzonnen. Om vervolgens met deze beginseloplossingen tot een concept te komen, wordt er gebruik gemaakt van morfologische kaarten. Deze kaarten worden beschreven in hoofdstuk 5.3, ze bevatten een visuele representatie van de BO's, waardoor ze op een vrij simpele manier in een systeemconcept te transformeren zijn. Uiteindelijk worden dan de drie mogelijke systeemconcepten geanalyseerd en uitgewerkt in hoofdstukken 5.4.1, 5.4.2 en 5.4.3 waarna ze met elkaar vergeleken worden in hoofdstuk 6. In deze analyse wordt er onder andere gebruik gemaakt van een consumentengidstabel waaruit een conclusie volgt over welk concept het meest belovend is. In hoofdstuk 7 wordt het ontworpen circuit besproken. Hierin komen achtereenvolgens de analoog-digitaal conversie, communicatie met de seriële poort, de ijking en de beveiliging van het systeem aan de orde. Hoofdstuk 8 bespreekt het systeem geëvalueerd worden aan de hand van de in het Programma van eisen opgestelde criteria. Als laatste vindt er een discussie over het gehele proces plaats. Hierin wordt er gereflecteerd op alle stappen die zijn genomen. Heel belangrijk in dit hoofdstuk is de reflectie op de gemaakte fouten en de daaruit voortvloeiende handelingen.

1

1.2 Context van het onderzoek 1.2.1

Het plotselinge veranderen van hemodynamische1 parameters door afsluiting van aders in een vroeg stadium van de ontwikkeling van een kippenembryohart Het eerste stadium waarin een kloppend menselijk embryohart kan worden gevisualiseerd is de zesde week van de gestatie2, gebruik makend van ultrasonografie3. Gedetailleerde analyse van de bloed flow snelheid binnen en buiten het hart van de foetus, met behulp van tweedimensionaal ultrageluid4 en Doppler5 technieken, is mogelijk vanaf de achtste of negende week. De meest essentiële ontwikkelingen van het hart en bloedvaten, daarentegen, vinden plaats tussen de derde en de achtste week van de gestatie. Gedurende deze periode ontwikkelt het embryohart zich van een, door spier omwikkeld, buisje tot een vierkamerig hart, dat van tussenschoten is voorzien. Om in dit stadium onderzoek te kunnen verrichten naar de ontwikkelingen van het hart en zijn bloedvaten is dus een dierlijk model nodig. Het kippenembryo wordt nu al tientallen jaren gebruikt als model, aangezien in veel aspecten de ontwikkelingen van het kippenembryohart overeenkomt met de ontwikkeling van een mensenhart. Het interventie model6 van het kippenembryohart werd ontwikkeld om inzicht te krijgen in de hemodynamische effecten van het afsluiten van verschillende aders op de morphogenese7 van het hart en de mogelijk te ontstane afwijkingen.

figuur 1.1: Kippenembryo met linksonder de meetprobe

Om de hemodynamische parameters (bloedflow en bloeddruk) van het embryohart te kunnen meten, worden de bevruchte kippeneieren geïncubeerd op 37 tot 38ºC, met de ronde punt van het ei naar beneden gericht, dit om te zorgen dat de ontwikkeling van het embryo dicht in de buurt van deze ronde punt zal plaatsvinden. Vervolgens wordt een klein deel van de ronde punt afgesneden, waardoor er in het ei gekeken kan worden. De doorsnede van het gat is ongeveer 2,5 cm. Vervolgens wordt het ei in een

1

Parameters die betrekking hebben op de dynamiek van het bloed. Drachttijd, ontwikkeling 3 Studie die zich bezig houdt met (medische) toepassingen van geluid boven het gehoorvermogen van de mens. 4 Geluid boven het menselijk hoorvermogen (>20kHz). 5 Techniek die gebruik maakt van de frequentieverandering van een golf, die optreedt door snelheidsverschil tussen bron en ontvanger. 6 Vorm van modellering waarbij de nadruk ligt op de mogelijkheid tot ingreep of aanpassing. 7 Vorming van een organisme 2

2

thermo-element8 geplaatst, dat een temperatuur van 37ºC heeft. Het gat in het ei wordt door middel van tape gedurende het onderzoek afgesloten. De hemodynamische parameters worden door middel van een Doppler meting vastgesteld. De meetprobes worden, net voor de meting, voorzichtig door het tape, in de buurt van het kippenembryo gebracht. Gedurende het onderzoek daalt de temperatuur van het embryo, aangezien de schaal van het kippenei vrij slecht warmte geleidt. Van het verloop van de temperatuur en de momentane temperatuur heeft de onderzoeker echter geen beeld. Vandaar dat de metingen kort dienen te worden gehouden en het ei, zonder tape, weer geïncubeerd9 kan worden. [1]

8 9

Verwarmingselement Incuberen, in een oven op een wenste temperatuur houden

3

2 Probleemstelling 2.1 Oorspronkelijke probleemstelling Deze eerste probleemstelling is voortgekomen uit gesprekken met de opdrachtgever en belanghebbenden in ons onderzoek en luidde als volgt: Wie heeft het probleem? Wouter Sjoerdsma, hoofd van de afdeling Experimentele Medische Instrumentatie aan het Erasmus MC in Rotterdam. Wat wil de probleemhebber? Een contactloos temperatuurregistratiesysteem. Waarom wil hij dat? Er is nu geen mogelijkheid om zonder contact te maken de temperatuur van bepaalde voowerpen te meten Waartoe wil hij dat? De opdrachtgever wil over een lange periode contactloos de temperatuur van bepaalde voorwerpen meten. Waardoor is dit een probleem? Er zijn veel klanten die om een dergelijk systeem gelegen zijn. De probleemstelling die wij in het begin van ons ontwerpproces hebben vastgesteld klinkt als volgt: Hoe kan op een energiezuinige manier, over een lange periode, contactloos de temperatuur van een object worden geregistreerd en gevisualiseerd? Na intensieve analyse van deze stelling en gesprekken met belanghebbenden zijn we echter tot de conclusie gekomen dat dit niet het werkelijke probleem was en is er een nieuwe (uiteindelijke probleemstelling, hoofdstuk 2.3) gedefinieerd. Hoe deze analyse in zijn werk ging is in de volgende paragraaf uitgewerkt.

4

2.2 Analyse probleemstelling Om te onderzoeken of de gestelde probleemstelling het werkelijke probleem dekt zal er gebruik gemaakt worden van doel-middel verschuivingen. Door het stellen van de vraag naar het waartoe van een doel, blijkt dat doel te veranderen in een middel, een concreet oplossingsidee. Het beschouwen van iets als een middel impliceert de aanwezigheid van een achterliggend doel, dat met dat middel gerealiseerd zou kunnen worden. Het antwoord op de waartoe vraag levert dus het nieuwe doel op. In ons ontwikkelingsproces hebben de volgende doel-middel verschuivingen plaats gevonden. Middel 1

:

Contactloos temperatuurmeetsysteem

Doel 1

:

Contactloos temperatuur meten

Middel 2

:

Temperatuur registratie systeem

Doel 2

:

Een beeld krijgen van het temperatuurverloop in de tijd, zodat de temperatuur rond de 37ºC gehouden kan worden.

Middel 3

:

Een systeem waarmee een kippenembryo, gedurende verschillende metingen, rond de 37ºC gehouden kan worden.

Doel 3

:

Een correcte meting van de hemodynamische parameters verkrijgen.

Zoals in bovenstaand schema zichtbaar is was het aanvankelijke doel (doel 1), contactloos temperatuur kunnen meten, maar na doorvragen naar de werkelijke aard van het probleem bij de probleemhebbers verschoof dit doel naar een nieuwe middel (middel 2). Bij dit nieuwe middel hoort gelijk een nieuw doel (doel 2). Echter bleken dit doel en middel niet passend voor het probleem. Om het probleem echt te doorgronden zijn we nogmaals met de probleemhebbers rond de tafel gaan zitten en zijn tot het uiteindelijke doel (doel 3) en middel (middel 3) gekomen.

5

2.3 Uiteindelijke probleemstelling Na de analyse van de probleemstelling zijn we op een definitief doel en middel gekomen. In deze analyse stonden natuurlijk de 5 W’s (Wie, Wat, Waarom, Waartoe en Waardoor) centraal. Deze vijf vragen staan hieronder expliciet voor de definitieve probleemstelling uitgewerkt. Ook is er onder het kopje “Context” een kort achtergrond van het probleem geschetst, om deze situatie niet uit het oog te verliezen. Context Om een nauwkeurig beeld krijgen van de ontwikkeling van het hart van een mens in een zeer vroeg stadium van de gestatie (drachttijd), worden in het Erasmus MC te Rotterdam kippenembryo's onderzocht. De ontwikkeling van het hart van een kippenembryo is vergelijkbaar met de ontwikkeling van een mensenhart en dit proces is in een kippenei gemakkelijk waarneembaar. Wie heeft het probleem? Wouter Sjoerdsma, hoofd van de afdeling Experimentele Medische Instrumentatie aan het Erasmus MC in Rotterdam. Wat wil de probleemhebber? Een systeem waarmee de onderzoeker gedurende metingen aan een kippenembryo de temperatuur van dit embryo op een constante temperatuur van 37 ºC kan houden, zodat de ontwikkeling van het embryo zo min mogelijk beïnvloed wordt. Waarom wil hij dat? Het kippenembryo koelt tijdens het onderzoek af, maar de onderzoeker heeft geen beeld van het temperatuurverloop in de tijd. Het afkoelen van het ei heeft een negatieve invloed op de ontwikkeling van het embryo in het ei. Hierdoor krijgt de onderzoeker een incorrecte meting van de hemodynamische parameters in het embryohart. Waartoe wil hij dat? De onderzoeker wil een correcte meting krijgen van hemodynamische parameters in een kippenembryo. Om in een zeer vroeg stadium van de gestatie van de mens oorzaken van afwijkingen aan het hart te kunnen constateren. Waardoor is dit een probleem? Het kippenei koelt af door het verschil van temperatuur tussen het ei en de omgeving. Probleemstelling Hoe kan tijdens onderzoek de temperatuur van een kippenembryo rond de 37ºC gehouden worden, zodat er een correcte meting van de hemodynamische parameters van het kippenembryohart mogelijk is en zo de oorzaken van hartafwijkingen bij de mens in een vroeg stadium van de gestatie gedetecteerd kunnen worden?

6

3 Programma van Wensen (PvW) Nu het probleem van de opdrachtgever duidelijk geformuleerd is dienen de eisen en randvoorwaarden die aan het product gesteld worden verzameld te worden. Omdat in de eerste gesprekken met de opdrachtgever deze eisen nog geformuleerd werden in de vorm: “Ik zou graag willen dat…” hebben we hiervan een programma van wensen gemaakt. Bij verschillende gesprekken met de onderzoekers zijn de volgende wensen voor een mogelijk systeem naar voren gekomen: 1. De opdrachtgever wil de temperatuur van het kippenembryo tijdens het onderzoek zo dicht mogelijk bij de 37 ºC houden. 2. De opdrachtgever wil metingen aan het embryohart uit kunnen voeren 3. Het systeem mag het kippenembryo op geen enkele manier beïnvloeden. 4. Het systeem moet gemakkelijk te transporteren en op te stellen zijn. 5. Het systeem moet gebruiksvriendelijk zijn. 6. Het systeem dient gemakkelijk overdraagbaar te zijn. 7. Het systeem dient betaalbaar te zijn. 8. Het systeem moet energiezuinig te zijn. 9. Het systeem moet gemakkelijk te onderhouden zijn, onderhoudsarm. 10. Het systeem dient duurzaam te zijn.

3.1 Omzetting naar eisen Na het doorvragen over de precieze invulling van deze wensen zijn we op de uiteindelijke eisen die aan het te ontwikkelen systeem gesteld worden gekomen. In hoofdstuk 4 zijn deze eisen gestructureerd weergegeven. De eerste wens van de onderzoekers geeft een samenvatting van het totale doel wat ze willen bereiken. Deze wens zal daarom niet direct leiden tot een eis, maar zal in het gehele programma van eisen in het achterhoofd gehouden worden. De wensen twee, vier en zes hebben geleid tot verschillende eisen die betrekking hebben op het formaat en positionering van het systeem. Ook de installatie-eisen voor de software zijn gebaseerd op deze wensen. Deze drie wensen hebben uiteindelijk geleid tot de eisen: 4.1.8, 4.2.1 en 4.3.2.1. De derde wens, het systeem mag het kippenembryo op geen enkele manier beïnvloeden, is direct terug te vinden in eis 4.2.2. De eisen 4.1.7 en 4.3.1.3 hebben betrekking op de gebruiksvriendelijkheid van het product. Deze eisen komen dus voort uit wens vijf. Verder is een van de wensen van de onderzoekers dat het systeem betaalbaar is, bij deze wens is eis 4.3.1.5 opgesteld. De overige eisen in het PvE volgen niet direct uit de eerste wensen van de onderzoekers, maar zijn in de loop van het ontwerpproces toch noodzakelijk gebleken.

7

4 Programma van Eisen (PvE) Voor alle duidelijkheid is er een onderscheid gemaakt tussen functioneringscriteria en randvoorwaarden. Om te beginnen zijn in paragraaf 4.1 tot en met 4.5, in de hoofdstructuur van het Programma van Eisen, de functioneringscriteria weergegeven. In paragraaf 4.6 is een opsomming gegeven van de geldende randvoorwaarden.

4.1 Eisen vanuit het beoogde gebruik 1. Het systeem moet voor onbepaalde tijd meetwaarden kunnen registreren. Deze meting moet op elk moment onderbroken kunnen worden door de gebruiker. 2. Het systeem moet meetwaarden voor een instelbare periode kunnen registreren. Deze periode moet kunnen variëren van 1 seconde tot 1 uur. 3. De samplerate van het systeem moet instelbaar zijn en kan een minimale waarde van 1 sample per minuut en een maximale waarde van 5 samples per seconde aannemen. 4. Het systeem moet de geregistreerde waarden kunnen visualiseren in een grafiek en in een tabel. 5. Het systeem moet temperaturen met een onnauwkeurigheid van ± 0,5 °C kunnen meten. 6. Het systeem moet de temperatuur kunnen meten van een oppervlak met een diameter van 2,5 cm. 7. Het systeem moet gebruiksvriendelijk zijn. Dit houdt o.a. in dat er geen overbodige instelmogelijkheden aanwezig zijn. 8. Het systeem moet gemakkelijk te transporteren en op te stellen zijn. Dit brengt de volgende eisen met zich mee: Gewicht dataverwerking: max. 1000 g Gewicht data-acquisitie: max. 500 g Afmetingen dataverwerking (lxbxh): max. 300x300x200 mm Afmetingen data-acquisitie (lxbxh): max. 150x50x50 mm

4.2 Eisen vanuit de ecologische situering van het systeem in de omgeving 1. Het systeem moet functioneren op werkplekken voorzien van een willekeurig merk of type computer (laptop) met daarop Windows 95/98/Me/NT/2000/XP geïnstalleerd. 2. Het systeem dient niet invasief te zijn. 3. Het systeem dient onafhankelijk van de omgevingstemperatuur te werken. 4. Het systeem mag niet beïnvloedbaar zijn door stoorbronnen in de omgeving. 5. Het systeem mag elektronische apparatuur in de omgeving niet beïnvloeden.

8

4.3 Eisen met betrekking tot het te ontwerpen subsysteem zelf 4.3.1

Eisen in gebruiks-, onderhouds- en beheertermen 1. De volgende parameters moeten in te stellen zijn door de onderhouder: - Temperatuurbereik - Sensor- en nauwkeurigheidskeuze 2. De volgende parameters moeten in te stellen zijn door de gebruiker: - Duur van de meting - Samplefrequentie - Afstand sensor tot het te meten object 3. De parameters, zoals vermeld onder 2, moeten gemakkelijk in te stellen zijn. 4. De meting dient op elk moment door de gebruiker afgebroken te kunnen worden. 5. De productiekosten mogen niet meer bedragen dan 1500 euro.

4.3.2

Eisen in termen van vervaardiging, monteren, installeren, toetsen, overdragen en ingebruikname 1. Het systeem moet binnen 10 minuten geïnstalleerd en verwijderd kunnen worden. 2. Het systeem moet binnen de gestelde tijd (4 weken) vervaardigd kunnen worden.

4.3.3

Eisen in termen van recyclen, duurzaamheid en milieuvriendelijkheid van grondstoffen 1. Het systeem dient modulair ontworpen te zijn. 2. Het systeem dient op geen enkele manier de gezondheid en veiligheid van de gebruiker in het geding te brengen.

4.4 Eisen met betrekking tot het te ontwikkelen productiesysteem 1. Er moet rekening worden gehouden met een eventuele klein-serieproductie.

4.5 Eisen met betrekking tot een te ontwikkelen liquidatiesysteem 1. Na het verwijderen van het systeem mag de omgeving niet beschadigd zijn. 2. Na het verwijderen van het systeem mag het gemeten object niet beschadigd zijn.

9

4.6 Randvoorwaarden 1. De productiekosten mogen niet meer bedragen dan 1500 euro. 2. Het systeem dient niet invasief te zijn, het systeem dient dus geheel contactloos te opereren. 3. Het systeem moet temperaturen met een onnauwkeurigheid van ± 0,5 °C kunnen meten. 4. Het systeem moet de temperatuur kunnen meten van een oppervlak met een diameter van 2,5 cm. 5. Gewicht dataverwerking: max. 1000 g. 6. Gewicht data-acquisitie: max. 500 g. 7. Afmetingen dataverwerking (lxbxh): max. 300x300x200 mm. 8. Afmetingen data-acquisitie (lxbxh): max. 150x50x50 mm. 9. Het systeem dient onafhankelijk van de omgevingstemperatuur (10 - 50 ºC) te werken.

10

5 Systeemconcepten 5.1 Functieblokschema's Om een goed beeld te krijgen van de te vervullen deelfuncties van het systeem worden er functieblokschema’s gemaakt. In dit hoofdstuk van de scriptie wordt daarom een vertaling van gemaakt van de functioneringscriteria in een functieblokschema. Nadat is vastgesteld wat de probleemhebber gerealiseerd wil zien (is de materiële doeltoestand) kan begonnen worden met het zoeken naar toestanden van de materiële werkelijkheid die, na geschikte transformatie, de materiële doeltoestand opleveren. Doorgaans kunnen er meer dan een van zulke ingangstoestanden gevonden worden. Elk van de aldus gevonden verzamelingen van ingangskenmerken leidt na transformatie tot dezelfde verzameling van materiële uitgangskenmerken. Omdat elke combinatie van een specifieke verzameling ingangskenmerken met de verzameling van uitgangskenmerken een specifieke hoofdfunctie oplevert, kunnen in het algemeen meerdere hoofdfuncties bepaald worden die tot de materiële doeltoestand kunnen leiden. Elke hoofdfunctie kan in het algemeen door decompositering in deelfuncties en toevoeging van hulpfuncties uitgewerkt worden tot een gedetailleerd functieblokschema. Uit zo'n verkregen functieblokschema kan door variatie en combinatie dan in het algemeen nog weer een aantal varianten ontwikkeld worden. Bij de decompositering van de hoofdfunctie in deelfuncties en de toevoeging van hulpfuncties wordt gebruik gemaakt van domeinkennis en -ervaring. De eerder geformuleerde randvoorwaarden bakenen tenslotte het zoekveld af.

figuur 5.1: Functieblokschema 1

In figuur 5.1 wordt de kern van het onderhavige ontwerpprobleem uitgebeeld. Duidelijk zichtbaar aan de linkerkant van het blok de huidige situatie (de ingangskenmerken) en aan de rechterkant de beoogde uitgangskenmerken. Het blok in het midden bevat de hoofdfunctie van het te ontwerpen systeem. Bij de vaststelling van de vereiste hoofdfunctie is het van groot belang de relevante in- en uitgangskenmerken te onderscheiden van de niet direct relevante. Onder relevante uitgangskenmerken worden die kenmerken verstaan die getransformeerd zijn, onderhevig aan de hoofdfunctie. Hier volgt direct uit dat relevante ingangskenmerken door de hoofdfunctie getransformeerd dienen te kunnen worden in de relevante uitgangskenmerken.

11


Als ingangskenmerk staat in figuur 5.1 een embryo aangegeven met een onbekende temperatuur van A ºC. Het is zaak om uiteindelijk het embryo op een bekende temperatuur van B ºC te krijgen. Om dit te kunnen realiseren dient de temperatuur aan de ingang bekend te zijn. Een eerste stap om dit te realiseren is door middel van een energie omzetting. Het embryo heeft namelijk een bepaalde temperatuur (thermische energie) en zend een hoeveelheid straling (stralingsenergie) uit. Door deze energie om te zetten naar een ander domein kan deze energie bruikbaar worden. Er wordt nog open gelaten naar welk domein de energie wordt omgezet, zodat er meer beginseloplossingen mogelijk zijn. Dit is weergegeven in figuur 5.2.


Aan de hand van de omgezette stralings- of thermische energie van het embryo kan het temperatuurverschil tussen het embryo en een op te geven norm (temperatuur B) worden geminimaliseerd. Deze deelfunctie is nu toegevoegd aan het functieblokschema van figuur 5.2 en zo ontstaat het schema van figuur 5.3. De uitgang van het systeem verandert, aangezien het embryo nu temperatuur B heeft.


12


Naast de energie die het embryo heeft, bevat het embryo ook informatie over de temperatuur van het embryo. Om de onderzoeker een beeld te geven van het temperatuurverloop in de tijd is het zaak om iets met deze informatie te doen. Zolang het embryo deze informatie bevat kan er niets mee worden aangevangen. De informatie moet dus worden getransporteerd naar een andere locatie, zodat deze verder kan worden verwerkt. Deze deelfunctie kan op twee verschillende manieren aan het functieblokschema van figuur 5.3 worden toegevoegd. Er kan worden gewacht op de minimalisatie van het temperatuurverschil om vervolgens de informatie te transporteren, maar dit transport kan ook gelijktijdig met de minimalisatie plaats vinden. Deze opties zijn respectievelijk in figuur 5.4 en figuur 5.5 weergegeven.


De informatie die nu op locatie D aanwezig is is echter nog niet geordend en dus nog niet bruikbaar. Vandaar dat de deelfunctie Informatie Ordenen is toegevoegd. Dit levert dan de twee figuren op die zijn weergegeven in de figuren 5.6 en 5.7.

13


De volgende functieblokschema’s zijn ook in vergrote versie te vinden in de appendix. Voor figuur 5.8 tot en met figuur 5.11, ga naar appendix B.1 tot en met B.4.



Nu is het zaak om de verkregen functieblokschema's wederom aan te diepen. In het Programma van Eisen en het Programma van Wensen wordt tevens gesteld, dat het systeem het temperatuurverloop dient te kunnen registreren. De informatie die naar locatie D is getransporteerd en vervolgens is geordend, dient nu te worden gebufferd. Dit is in de functieblokschema's van de figuren 5.8 en 5.9 weergegeven.

14



De energie van het embryo wordt omgezet in een ander soort energie, welke soort energie dat zal worden wordt hier nog in het midden gelaten. Deze nieuwe energie bevindt zich echter nog steeds op locatie C, bij het embryo. Om een minimalisatie van het temperatuurverschil te kunnen realiseren is het noodzakelijk dat de energie van het embryo na omzetting wordt getransporteerd naar locatie D, alwaar het vergeleken kan worden met de gestelde norm. Om de onderzoeker op de hoogte te stellen van het temperatuurverloop van het embryo in de tijd, is de informatie die opgeslagen ligt in het embryo getransporteerd, vervolgens geordend, zodat het voor de onderzoeker bruikbare informatie wordt, gebufferd en uiteindelijk weergegeven. Dit levert de functieblokschema's van figuur 5.10 en figuur 5.11 op.

15

5.2 Beslissingsboom en de beginseloplossingen Nu het probleem geanalyseerd is en de verschillende deelfuncties in functieblokschema's zijn vastgelegd moeten de deelfuncties uit deze blokschema's nog ingevuld worden. Om een grote diversiteit in de beginseloplossingen te verkrijgen is een brainwrite-sessie gehouden met twee andere IPP studenten. De zodoende verkregen MO's zijn onderverdeeld in BO's en gestructureerd weergegeven in onderstaande beslissingsboom. Hierin zijn de hulpfuncties: "Energie transporteren" en "Informatie transporteren" weggelaten.

figuur 5.12: Beslissingsboom met gegenereerde beginseloplossingen

16

5.3 Morfologische kaarten De meestbelovende beginseloplossingen zijn gevisualiseerd in een morfologische kaart. Hierin zijn alle BO's zo mogelijk aangeduid door middel van een afbeelding en tekst. Dit is gedaan om bij het kiezen van de systeemconcepten alvast een beeld te kunnen krijgen van het uiteindelijke systeem dat een concept op kan leveren. Omdat we tot twee uiteindelijke functieblokschema's gekomen zijn, is er gekozen voor twee verschillende morfologische kaarten. Voor figuur 5.10 wordt gebruik gemaakt van morfologische kaart 1 en voor figuur 5.11 wordt morfologische kaart 2 gebruikt. Met behulp van de morfologische kaarten zijn drie systeemconcepten gekozen, waarvan er één volgt uit functieblokschema 10 en twee uit functieblokschema 11. Functieblokschema 10 maakt, voor het uitvoeren van de vergelijking, direct gebruik van de energie die uit het embryo onttrokken wordt. Er is hier dus geen sprake van menselijke interventie, het is een zelfregelend systeem. In morfologische kaart 1 (figuur 5.13) zijn de gemaakte keuzes bij dit schema weergegeven. Om tot logische keuzes te komen, zijn hierbij het programma van eisen en de MO's uit de beslissingsboom in het achterhoofd gehouden.

C1

figuur 5.13: Morfologische kaart 1. De lijn C1 geeft de gemaakte keuzes voor concept 1 aan.

De schetsjes in de morfologische kaarten geven per BO het principe aan, er is dus geen sprake van MO's in deze kaarten. Indien een schets te veel naar één mogelijke oplossing zou convergeren is er om verwarring te voorkomen alleen van tekst gebruik gemaakt. In figuur 5.14 zijn de gemaakte keuzes voor systeemconcept twee en drie weergegeven, deze concepten zijn gebaseerd op het functieblokschema van figuur 5.11. Voor de vrijgave van het "temperatuurverschil minimaliseren" blok wordt hier gebruik gemaakt van gevisualiseerde informatie. Dit is dus een systeem waarin de gebruiker beslist of deze deelfunctie vrijgegeven wordt. De gekozen BO's van concept 2 zijn gelijk aan die van concept 1. Omdat ze gebaseerd zijn op verschillende functieblokschema's levert dit echter wel twee verschillende systeemconcepten op.

17

C3

C2

figuur 5.14: Morfologische kaart 2. Lijn C2 en C3 geven de gemaakte keuzes voor systeemconcept 2 en 3 aan.

5.4 Concepten 5.4.1

Concept 1 Het invullen van mogelijke oplossingen bij de gekozen beginseloplossingen in fuctieblokschema 5.10 geeft direct een opstelling voor systeemconcept 1, zie figuur 5.15. De temperatuur van het embryo (en zijn omgeving) wordt met behulp van een IR-camera gemeten. Het centrale punt in dit systeem is de regelelektronica die de temperatuur van het embryo vergelijkt met een instelbare referentie en afhankelijk daarvan het verwarmingselement op het juiste moment in- en uitschakelt. De communicatie met de computer wordt ook door deze elektronica geregeld. Een transformator zorgt ervoor dat dit systeem op de netspanning aangesloten kan worden. Voor de informatieverwerking, -opslag en -weergave op de computer dient er sofware geïnstalleerd te worden. Hiermee is het mogelijk om in het, door de camera opgenomen, beeld aan te geven op welk punt, of in welk gebied de temperatuur gemeten dient te worden. Andere opties die het softwarepakket moet bieden zijn: het visualiseren van de gemeten temperaturen in een grafiek en oude waarden inladen, zodat verschillende metingen met elkaar vergeleken kunnen worden. Ook dient met behulp van deze software de referentietemperatuur ingesteld te kunnen worden, zodat de ontwikkeling van het embryohart ook onder andere temperaturen nauwkeurig onderzocht kan worden. Dit systeem is volledig zelfregelend en zorgt er dus voor dat de onderzoeker zich niet meer bezig hoeft te houden met de temperatuurmeting en zich volledig kan richten op de metingen aan het embryohart. Het gebruik van de IR-camera maakt dit een zeer prijzig systeem.

18

figuur 5.15: Een mogelijke opstelling voor systeemconcept 1

5.4.2

Concept 2 In figuur 5.16 is een mogelijke opstelling van systeemconcept 2 gegeven. Deze opstelling volgt uit functieblokschema 11 (figuur 5.11). Systeemconcept 2 maakt gebruik van een IR-sensor, dit is in vergelijking met een IRcamera een goedkope oplossing. Het brengt echter wel met zich mee dat er minder nauwkeurig aangegeven kan worden wat de precieze meetplek is en dat de opstelling aangepast moet worden als blijkt dat er niet op de goede plek gemeten wordt. In dit systeem is geen terugkoppeling gerealiseerd. Afhankelijk van de (op de computer gevisualiseerde) waarden dient de gebruiker zelf te bepalen of een meting afgebroken dient te worden, indien de temperatuur van het embryo onacceptabel wordt. Hierdoor heeft de gebruiker meer werk, maar tegelijkertijd ook meer controle op het systeem. Een voordeel van dit systeem is dat de huidige verwarmingsapparatuur niet aangepast hoeft te worden. Voor de software brengt dit de volgende eisen met zich mee: De temperatuur moet "real-time" gevisualiseerd worden. De gemeten temperaturen tijdens het onderzoek moeten overzichtelijk weergegeven worden (bijvoorbeeld door middel van een grafiek en een tabel). Er moeten oude meetwaarden ingelezen kunnen worden zodat een meting vergeleken kan worden met eerder uitgevoerde metingen.


19

5.4.3

Concept 3 Figuur 5.17 geeft een opstelling voor systeemconcept 3. Dit concept is gebaseerd op het functieblokschema van figuur 5.11, waarin de deelfuncties zijn vervangen door mogelijke oplossingen gebaseerd op de deeloplossingen uit morfologische kaart 2 (figuur 5.14). Er is in dit concept is gekozen voor isolatie van het ei, in plaats van verwarming. Door de temperatuur te meten kan worden bepaald wanneer het embryo zo ver afgekoeld is dat de meting onacceptabel wordt en dus afgebroken dient te worden. Door het ontbreken van een verwarmingselement hebben de metingen een gelimiteerde tijdsduur. Hierdoor zijn er waarschijnlijk meer eieren nodig voor dezelfde resultaten. Er is gekozen voor een zeer goedkope manier voor temperatuurmeting, er wordt een PT-100 element in de vloeistof rond het kippenembryo geplaatst. Een nadeel hiervan is dat de onderzoeksruimte door aanwezigheid van de probe ernstig verkleind wordt, zodat het lastiger wordt om een correcte meting te krijgen van de hemodynamische parameters van het kippenembryohart. Ook kan het inbrengen van de probe de temperatuur in het ei (en daarmee de temperatuur van het embryo) beinvloeden, waardoor de meting onzekerder wordt. Met behulp van een elektronisch geheugen wordt de PT-100 uitgelezen. De hieruit bepaalde temperatuur wordt vervolgens op een LCD-scherm weergegeven. Als het temperatuurverloop over een langere periode opgeslagen moet worden dient de onderzoeker regelmatig het LCD-scherm af te lezen en de temperatuur op te schrijven. Er is dus geen computer nodig voor de verwerking van de informatie, zodat er ook geen tijd besteed hoeft te worden aan het installeren van software. Voor de voeding van de elektronica wordt gebruik gemaakt van een transformator die op de netspanning aangesloten kan worden.


20

6 Systeemkeuze 6.1 Analyse systeemconcepten 6.1.1

Functioneringscriteria Om een gemotiveerde keuze voor het uiteindelijke systeemconcept te kunnen maken dienen de verschillende concepten tegen elkaar afgewogen te worden. Om dit te kunnen doen moeten de wensen en eisen uit het PvW en PvE omgezet worden in criteria. Hierna moet er aan elk criterium een gewichtsfactor toegekend worden en eventueel een toelaatbaarheidsgrens waardoor een concept volledig afgekeurd kan worden. De gehandhaafde criteria zullen eerst afzonderlijk besproken worden. Prijs – Bij het schatten van de uiteindelijke kosten van een systeemconcept is vooral gekeken naar de materiaalkosten. De andere kosten zijn buiten beschouwing gelaten omdat we verwachten dat deze elkaar bij de verschillende concepten niet veel zullen ontlopen. Beïnvloeding van het embryo – Door het maken van contact met het embryo of de vloeistof in het ei kan het embryo een deel van zijn warmte verliezen, of zelfs beschadigen. Omdat beïnvloeding van het embryo het volledige onderzoek zinloos zou maken heeft dit criterium een grote weegfactor gekregen. Beïnvloeding van de meetruimte – Eén van de wensen van de opdrachtgever was dat het temperatuursysteem de uitvoering van de metingen die aan het embryo verricht worden niet beïnvloedt. Het systeem mag dus weinig ruimte innemen. Gebruiksvriendelijkheid – Bij de bepaling van de scores bij dit criterium is voornamelijk gekeken naar de hoeveelheid werk die de onderzoeker heeft aan het bepalen, of handhaven, van de temperatuur. Nauwkeurigheid – Voor dit criterium is een schatting gemaakt van de onnauwkeurigheid van de verschillende sensoren. De toelaatbaarheidsgrens van dit criterium kan direct uit het PvE gehaald worden en bedraagt ± 0,5ºC. Betrouwbaarheid – Hoe groot is de kans dat een systeem faalt bij het uitvoeren van zijn taken en hoe groot zijn de gevolgen hiervan? Aanpassing van de meetomgeving – Het temperatuursysteem dient een aanvulling te zijn op de huidige meetomgeving van de onderzoekers. Dit houdt in dat de meetomgeving en apparatuur zo min mogelijk aangepast mogen worden om tot een beeld van de temperatuur van het embryo te komen. Mobiliteit – In dit criterium is zowel de verplaatsbaarheid van het systeem, als de tijd die nodig is voor eventuele installatie van de software opgenomen. Energieverbruik – Per concept zal worden bekeken hoeveel energie het systeem verbruikt. Duurzaamheid – Er zal per concept een schatting gemaakt worden van de levensduur van de verschillende elementen. Onderhoud – Er zal worden gekeken naar de hoeveelheid onderhoud die de verschillende concepten vragen.

21

6.1.2

Toetsing van de systeemconcepten aan de functioneringscriteria In tabel 6.1 zijn alle criteria overzichtelijk weergegeven. Per concept is aangegeven in hoeverre ze aan het betreffende criterium voldoen. De weegfactoren staan in procenten onder de verschillende criteria. De prijs van de verschillende concepten wordt vooral bepaald door de gebruikte temperatuursensor. De IR-camera van concept 1 is verreweg de duurste oplossing, daarom scoort dit concept slecht op dit criterium. Tijdens het uitvoeren van de verschillende metingen aan het bloed in het embryohart is er weinig tot geen ruimte om nog een extra meetprobe in het ei te plaatsen. Concept 3 is het enige concept dat gebruik maakt van een probe in het ei, hierdoor veroorzaakt dit systeem een ernstige verkleining van de meetruimte. Een tweede nadeel van het plaatsen van een temperatuurprobe in de vloeistof in het ei is de beïnvloeding van het embryo. Door de probe kan het embryo afkoelen of (door aanraking van het embryo) zelfs beschadigen. Concept 3 behaalt een dermate slechte score op de criteria "Beïnvloeding van het embryo" en "Beïnvloeding van de meetruimte", dat we hebben besloten dit concept op grond van deze criteria volledig af te keuren. Omdat concept 1 een volledig zelfregelend systeem is, verlangt dit systeem erg weinig inspanning van de gebruiker. Op criterium "Gebruiksvriendelijkheid" behaa1t dit concept dus een goede score. Bij de IR-camera en IR-sensor is de verwachting dat de meetafwijking rond de 0,5 ºC zal liggen. De verwachting is dat de PT-100 ruim onder deze waarde kan blijven. Omdat alle concepten op dit punt voldoen aan de eis van de opdrachtgever zal er op het criterium "Nauwkeurigheid" geen systeem afgekeurd worden. Bij alle concepten zal het falen van het systeem een incorrecte meting tot gevolg hebben. Bij concept 2 en 3 zal dit geen directe invloed hebben op het embryo. Als de gebruiker echter geen invloed heeft op de temperatuurregeling, wat het geval is bij concept 1, kan het falen van het systeem ernstige schade aan het kippenembryo toebrengen. Concept 1 behaalt dus een lagere score op "Betrouwbaarheid". Bij het gebruik van een IR-sensor (concept2) is de mogelijkheid aanwezig dat deze sensor niet precies op de inhoud van het ei gericht wordt, hierdoor zal er een incorrecte meting verkregen worden. Concept 2 haalt dus een lagere score dan concept 3 voor "Betrouwbaarheid". Door de onderzoekers is aangegeven dat het temperatuursysteem een aanvulling dient te zijn op de huidige meetomgeving. De meetomgeving dient dus zo min mogelijk aangepast te worden om het temperatuursysteem te kunnen integreren. Er wordt op het moment al gebruik gemaakt van een verwarmingselement om het ei langzamer af te laten koelen. Bij concept 1 zal er een ander verwarmingselement gegebruikt moeten worden, omdat het huidige element niet met elektronica regelbaar is. Ook zal er waarschijnlijk ruimte gecreerd dienen te worden voor de plaatsing van de camera. Op het criterium "Aanpassing van de meetomgeving" behaalt concept 1 dus een zeer slechte score. Door het gebruik van software scoren concept 1 en 2 slecht op "Mobiliteit". De relatief grote IR-camera zorgt er voor dat concept 1 het minst mobiele systeem is. Concept 1 en 2 maken gebruik van een verwarmingselement. De verwachting is dat dit element het meest energieverbruikend onderdeel in het systeem is. Door het gebruik van een camera en het regelmatig aan en uit schakelen van het verwarmingselement verwachten we dat concept 1 het meest energie zal verbruiken. Dit is verwerkt in het criterium "Energieverbruik". 22

Concept 3 maakt gebruik van een contactmeting. We verwachten dat de PT-100 probe hierdoor eerder aan vervanging toe is dan de sensoren die in de andere concepten gebruikt worden. Ook zullen hieraan meer reinigingswerkzaamheden te pas moeten komen. Concept 3 behaalt dus een lagere score op "Duurzaamheid" en "Onderhoud".

Tabel 6.1: Vergelijking van de verschillende concepten aan de hand van functioneringscriteria

Gezien het feit dat concept 3 op de punten "Beïnvloeding van het embryo" en "Beïnvloeding van de meetruimte", volledig afgekeurd is en concept 2 op de meeste punten een gelijke of hogere score haalt dan concept 1, is besloten dat concept 2 verder uitgewerkt en geproduceerd zal worden.

6.2 Verdere beschrijving uiteindelijke systeemconcept Uit de evaluatie van paragraaf 6.1 volgt dat concept 2 het meest belovende systeem is. Dit systeem zal dus verder uitgewerkt en daarna daadwerkelijk geproduceerd worden. Aangezien de oplossing een minimale uitbreiding van de huidige onderzoeksomgeving en -handelingen mag betekenen, dient er gekozen te worden voor een kleine IR sensor die aan de meetopstelling gemonteerd kan worden. Deze sensor vangt de, door het embryo uitgezonden, infrarood straling op en geeft een analoog signaal af dat rechtevenredig is met de temperatuur. Een van de wensen van de probleemhebber was dat het verloop van de temperatuur voor een periode van maximaal een uur kon worden opgeslagen en gevisualiseerd in een diagram. De meetopstelling bevat al een computer, er is daarom gekozen om de data verwerking, opslag en weergave te regelen met een computer. Met behulp van een analoog-digitaal convertor wordt het signaal uit de sensor gedigitaliseerd, waarna het op de seriële poort van de computer wordt aangeboden. Voor de temperatuurmetingen tijdens het onderzoek aan het hart van een kippenembryo zou een 8 bit (256 waarden) ADC ruimschoots voldoen. We zijn echter na gesprekken met andere belanghebbenden en onze opdrachtgever en begeleiders vanuit de afdeling EMI (Experimentele Medische Instrumentmakerij) tot de ontdekking gekomen dat hetzelfde product eventueel op een later tijdstip voor andere doeleinden gebruikt kan gaan worden. Bij deze andere toepassingen zou het te meten temperatuurbereik vele malen groter kunnen zijn. Om de mogelijkheden hiervoor zo min mogelijk te beperken zullen wij het systeem uitrusten met een 12 bit ADC (4096 waarden).

23

Softwarematig zal worden gezorgd voor visualisatie en opslag. De software die hiervoor ontwikkeld dient te worden zal moeten werken op alle PC’s met Windows 95/98/Me/NT/2000/XP. Het systeem is gebaseerd op zogenaamde onderwaarde detectie. Als de temperatuur van het embryo dus onder de ingestelde grenswaarde komt zal de software een duidelijk signaal aan de gebruiker moeten geven, zodat deze kan beslissen of het onderzoek afgerond moet worden. Deze onderwaarde moet met behulp van de software gemakkelijk in te stellen zijn. Andere parameters die door de gebruiker ingesteld moeten kunnen worden zijn de samplefrequentie en de duur van de meting. Ook moet de software de mogelijkheid bieden om een meting voor onbepaalde tijd uit te voeren, totdat deze door de gebruiker afgebroken wordt. De software dient de gemeten waarden in een overzichtelijke grafiek te kunnen visualiseren. Dit houdt in dat de stapgrootte op de verschillende assen ingesteld moet kunnen worden en dat de gebruiker de mogelijkheid moet hebben om in te zoomen op een bepaald deel van de grafiek. De software moet de mogelijkheid bieden om de meetwaarden in een tabel weer te geven. Deze tabel dient van een gangbaar formaat te zijn (bijv. Microsoft Excel). Als laatste moet het mogelijk zijn oude meetwaarden in het programma te laden, zodat een meting vergeleken kan worden met eerder uitgevoerde metingen.

figuur 6.1: Het uiteindelijke systeem

24

7 Implementatie van het gekozen concept 7.1 De 12 bit Analoog Digitaal Convertor (ADC) Om een analoog sensor signaal door middel van een personal computer (PC) te kunnen uitlezen is het nodig dit signaal om te zetten in nullen en enen, die voor een PC uitleesbaar zijn, of wel om het signaal te digitaliseren. Digitalisatie kan afhankelijk van het te digitaliseren bereik op verschillende manieren. In het Programma van Eisen staat dat het analoge signaal omgezet dient te worden naar een 12 bit digitaal signaal. Dit houdt in dat er binnen het meetbereik (0 - 100 ºC) 4096 waarden kunnen worden omgezet. Hieruit volgt een maximale stapgrootte van 0,02 ºC. De ingangsspanning van de convertor dient tussen 0 en 4 volt te zijn. De 12 bit ADC is gerealiseerd met een Integrated Circuit (IC) van Maxim, MAX187 (IC2). Dit is een 8 potige IC in een "Dual In Line Package" ofwel een DIP behuizing. In deze IC zijn een 12 bit ADC, referentie spanning, track/hold, seriële interface en clock generator geïntegreerd. Daarnaast beschikt de IC over een drie dradige (3 wire) digitale interface bestaande uit een chip select (CS), seriële clock (SCLK) en data uitgang (DOUT). De conversie van het op de ingang aangeboden analoge signaal wordt geïnitieerd bij een hoog-naar-laag overgang op de CS ingang van de chip. Deze conversie duurt maximaal 8.5 µs. Het einde van de conversie wordt aangegeven met een hoog signaal op DOUT. De 12 bits die het analoge signaal beschrijven zijn nu opgeslagen in een uitgang schuifregister (shift register) op de convertor. Deze bits kunnen met de PC worden uitgelezen door te klokken op de SCLK ingang en na elkaar 12 bits op DOUT in te lezen.

figuur 7.1: Het communicatie en conversie circuit

25

7.2 De RS 232 poort communicatie De communicatie tussen de 12 bit ADC en de PC verloop via een seriële poort van de PC. Er is gekozen voor de RS 232 poort, aangezien dit gemakkelijk te implementeren is en met de seriële uitgang van de MAX187 lag dit ook voor de hand. De interface met de PC kan niet worden beschouwd als UART. Een UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) is een chip die zorgt voor de besturing van de seriële poort. Aan deze poort wordt meestal een modem aangesloten. De UART regelt de omzetting van parallel naar serieel en omgekeerd. Aangezien de RS 232, aangestuurd met het standaard protocol, slechts geschikt is voor 8 bits, is een eigen interface protocol verzonnen. Dit protocol wordt verder in dit verhaal uitgediept. Om communicatie te bewerkstelligen moeten de uitgangslevels van de RS 232 poort worden omgezet in CMOS logische levels, die begrijpelijk zijn voor onze ADC. Voor deze conversie van de levels is gebruik gemaakt van nog een IC van Maxim, MAX220 (IC1). In het adaptatie proces van de levels worden deze gelijktijdig geïnverteerd. De request-to-send (RTS) lijn van de poort zal dienen als chip select (CS) signaal en de data-terminal-ready (DTR) zal moeten zorgen voor een synchroon klok signaal. Als ingang tot de PC wordt de data-set-ready (DSR) lijn van de poort gebruikt.

7.3 Het communicatie protocol Om de conversie te initiëren dient er een hoog-naar-laag overgang plaats te vinden op de CS ingang van de ADC. Aangezien IC1 bij de omzetting van de levels ook inverteert en de CS ingang van de ADC geïnverteerd is dient er een laag-naar-hoog overgang worden aangeboden op IC1 door de RTS lijn van de poort. Nu is het wachten tot de conversie klaar is, dit wordt aangegeven met een hoog signaal op DOUT, dit houdt dan een laag signaal in op de DSR lijn van de poort. Op het moment dat DSR laag wordt kunnen de 12 bits worden binnen geklokt. Dit gebeurt door 12 maal achtereenvolgens de SCLK lijn hoog te maken, DOUT in te lezen en SCLK laag te maken. Voor de lijnen van de seriële poort geldt dan achtereenvolgens, dat 12 maal DTR laag gemaakt moet worden, de status van DSR moet worden gelezen en DTR weer hooggemaakt moet worden. Na het verzenden van een sample naar de seriële poort van de PC wordt de convertor gereset door de SCLK ingang hoog te houden, terwijl de CS ingang hoog wordt gemaakt. Voor de lijnen van de poort geldt dat zowel RTS als DTR laag worden. In het onderstaande tijd diagram is dit overzichtelijk weergegeven.

figuur 7.2: Timing diagram voor RS 232 communicatie

26

7.4 Het ijkcircuit Om de mogelijkheden van de analoog digitaal convertor optimaal te gebruiken dient de uitgangsspanning van de sensor op het meetbereik te variëren tussen 0 en 4 volt. Om dit gemakkelijk in te kunnen stellen hebben we gebruik gemaakt van twee afzonderlijke versterkerschakelingen. Allereerst wordt de sensorspanning aangeboden op een verschilversterker met een versterkingsfactor 1. Door nu op de andere ingang van de OpAmp een instelbare spanning aan te brengen kan de offset van de sensorspanning weggeregeld worden. We hebben gekozen om deze instelbare spanning te realiseren door de voedingsspanning over een regelbare weerstand te schakelen. Voor de uitgang van de eerste opamp geldt de volgende vergelijking:

Vuit = Vin − Vref Nu de offset uit de sensorspanning is verwijderd dient de richtingscoefficient van de spanning nog aangepast te worden. Hiervoor is gebruik gemaakt van een simpele versterker. Wederom is er gebruik gemaakt van een regelbare weerstand zodat de versterkingsfactor gemakkelijk in te stellen is. De weerstanden zijn zo gekozen dat deze versterkingsfactor tussen de 1 en 4 ligt. Voor versterking van de tweede opamp geldt de volgende vergelijking:

A=

Vuit R = 1+ 2 Vin R1

R1 = Ingangsweerstand R2 = Regelbare weerstand De twee gebruikte OpAmps zijn van het type LMC6484. Deze OpAmp werkt zowel op V+ = 5V / V- = 0V als op V+ = 15V / V- = 0V. Voor beide versterkerschakelingen is een voeding van 15 volt gebruikt. In onderstaand figuur is het gehele ijkcircuit weergegeven.

figuur 7.3: Het ijkcircuit

27

7.5 De voedingen Het gehele systeem wordt gevoed door een adapter die de netspanning omzet in een 24 volt gelijkspanning, deze 24 volt spanning wordt direct op de sensor aangesloten. Indien deze voeding op het systeem aangesloten is gaat er een groene LED aan de bovenkant van de behuizing branden. Met behulp van twee spanningsregelaars wordt de 24 volt omgezet in gelijkspanningen van 5 en 15 volt. De OpAmp's die gebruikt worden in het ijkcircuit worden gevoed met 15 volt. De rest van de schakeling werkt op 5 volt.

7.6 Beveiliging Tussen de ingang van de verschilversterker en de 5 volt voeding is een diode geplaatst. Hierdoor kan de ingang van de versterker niet boven deze 5 volt komen en blijft deze dus ten alle tijden onder zijn voedingsspanning van 15 volt. Hierdoor is de schakeling beveiligd tegen het verkeerd aansluiten van externe componenten. Als gevolg van incorrecte ijking is het mogelijk dat de ingangsspanning van de ADC boven de 4 volt komt. Om dit te voorkomen is met behulp van een diode en een zenerdiode gezorgd dat een te hoge spanning naar de aarde weggeleid wordt. Ook is met behulp van een OpAmp gezorgd dat een spanning boven 4 volt een rode LED laat branden aan de bovenkant van de behuizing van het systeem. Hierdoor kan de gebruiker zien wanneer er een temperatuur buiten het ingestelde bereik gemeten wordt. In figuur 7.4 is de schakeling van de ADC beveiliging weergegeven.

figuur 7.4: De beveiliging van de ADC

7.7 De software Voor het uitlezen van de ADC zijn twee verschillende softwarepakketten ontwikkeld. Ten eerste is er een programma in Visual Basic geschreven dat zelfstandig op de meeste PC's kan draaien. Daarnaast is er een programma in de grafische programmeertaal Labview (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) gemaakt. Er is gekozen voor twee verschillende programma's omdat de onderzoekers op deze manier hun vertrouwde werkomgeving zo min mogelijk aan hoeven te passen. In het Erasmus MC wordt veel gebruik gemaakt van Labview, maar ook met

28

computers waarop deze ontwikkelomgeving niet geïnstalleerd is kan zodoende gemakkelijk van het systeem gebruik gemaakt worden. De verschillende subroutines die in beide softwarepakketten uitgevoerd dienen te worden zijn uiteraard gelijk. Voor de uitlezing van de ADC is gebruik gemaakt van een state diagram. In figuur 7.5 is dit diagram weergegeven.

figuur 7.5: Het state diagram voor het uitlezen van de ADC Omdat de volgorde van de andere functies die door de software vervuld worden, zoals het weergeven van de meetwaarden in een tabel en grafiek, niet altijd vast ligt zijn deze niet in een state diagram weergegeven. Voor de ontwikkeling van deze functies is het programma van eisen nauwlettend in de gaten gehouden. Ook de overzichtelijkheid en gebruiksvriendelijkheid van het programma zijn tijdens de ontwikkeling altijd voorop gesteld.

29

8 Resultaten 8.1 Inleiding Toen de implementatie voltooid was moest het circuit nog worden geijkt, zodat de spanning die de Analoog naar Digitaal Converter (ADC) wordt aangeboden netjes past bij het te meten temperatuurbereik. In ons geval is er een meetbereik van 0 tot en met 100 ºC en het omzetbereik van de ADC is 0 tot 4 V. Met behulp van het ijkcircuit kan een er een offset worden ingesteld en kan de steilheid van de meetkarakteristiek worden geregeld, zò dat bij een temperatuur van 0 en 100 ºC de ADC respectievelijk een spanning van 0 en 4 V krijgt aangeboden. Om dit te kunnen realiseren moesten er metingen kunnen worden verricht over het temperatuurbereik en moest de temperatuur van het gemeten object nauwkeurig bekend zijn. Om over een temperatuurbereik van 0 tot 100 ºC te kunnen meten hebben we een verwarmingsplaatje gemaakt. Dit plaatje is vervaardigd uit een stukje aluminium (60 x 70 mm), aangezien dit zeer goed warmte geleid, en twee 10 Ohm vermogensweerstanden. In de onderstaande figuur is dit voor de duidelijkheid weergegeven.

figuur 8.1: IJkmeetopstelling De twee weerstanden zijn tegen het plaatje aangeschroefd, met warmte geleidende pasta er tussen. Door de weerstanden in serie aan te sluiten en er een spanning van 10 V op aan te sluiten, zal er een stroom van 0,5 A gaan lopen. Er wordt nu een vermogen van 5 W in de weerstanden gedissipeerd (in warmte omgezet). Het plaatje zal daardoor geleidelijk opwarmen van kamer temperatuur tot boven de 100 ºC. Door de spanning weer uit te schakelen zal het plaatje weer afkoelen tot kamer temperatuur. In het verwarmingsplaatje is over de breedte een klein gaatje geboord, met daarin een thermokoppel, waarvan de temperatuur op een display werd weergegeven. Door nu het verwarmingsplaatje geleidelijk te laten verwarmen en bij de weergegeven temperatuur (van het thermokoppel in het plaatje) de digitale uitgang (uitgelezen met de computer) te noteren, bijvoorbeeld om de hele graad Celsius kon er een ijkingsmeting worden uitgevoerd. 30

8.2 De ijking 1950 1900 1850 1800 1750 1700 1650 1600

V (mV)

1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

60

62

64

66

68

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

90

T (ºC)

figuur 8.2: IJkmeting I Allereerst moest de offset van de schakeling worden bepaald, zodat deze weggeregeld kon worden. Daarom is er een eerste ijkmeting uitgevoerd. Uit de meetresultaten kon de bovenstaande grafiek worden geproduceerd. De temperatuur staat op de horizontale as weergegeven en de spanning op de seriële poort van de PC op de vertikale as. De temperatuur kon alleen worden gemeten vanaf de kamer temperatuur, aangezien het plaatje alleen verwarmd kon worden. Om nu de offset spanning te weten te kunnen komen moest er geëxtrapoleerd worden.

V pc = 12,5 ⋅ Tei + 1242

(0.1)

Voffset = 12,5 ⋅ T0 + 1242 = 12,5 ⋅ −40 + 1242 = 742 mV

(0.2)

Nu de offset spanning bekend is kan deze met een potmeter in het ijkcircuit worden weggeregeld. Ook kan nu de (extra) versterking in het ijkcircuit worden berekend, door de offset spanning van de spanning bij 100 ºC af te trekken, kom je op de maximale spanning na het wegregelen van de offset. Door nu 4000 mV te delen door deze maximale spanning kom je op de (extra) versterking. Deze versterking kan met de tweede potmeter worden ingesteld.

31

V100 = 12,5 ⋅100 + 1242

(0.3)

= 2492 mV Vmax = 4000 mV

(0.4)

Voffset = 742 mV

(0.5)

A=

Vmax V100 − Voffset

4000 2492 − 742 = 2,3 x =

(0.6)

Het circuit is nu geijkt en om te kijken of alles klopt is er nog een tweede ijkmeting uitgevoerd, om te controleren of nu bij 0 en 100 ºC ook respectievelijk 0 en 4 V worden afgegeven. De resultaten zijn weergegeven in de onderstaande grafiek. Wederom staat op de horizontale as de temperatuur uitgezet en op de vertikale as de spanning in millivolt (mV).

4200 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 V (mV)

2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

T (ºC)

figuur 8.3: IJkmeting II

32

9 Theorie van infrarood straling 9.1 Inleiding Om de theorie achter ons concept te verduidelijken is er een hoofdstuk theorie opgenomen in ons eindverslag. In dit hoofdstuk wordt het fenomeen infrarood straling en het verband van de uitgezonden straling met de objectstemperatuur uitgediept. Ieder object met een temperatuur boven absoluut nul (0º Kelvin) straalt een aan de temperatuur gerelateerde hoeveelheid elektromagnetische energie uit. Die energie wordt uitgestraald op verschillende niveaus van het elektromagnetische spectrum. Bij de thermografie, zoals wij die toepassen, wordt echter alleen gekeken naar de energie die wordt uitgezonden in het infrarood-golflengtegebied. Het menselijk oog reageert op zichtbaar licht tussen de 0.4 en 0.75 micron. Het overgrote deel van infrarood temperatuur metingen vindt echter plaats in het spectrum van 0.2 tot 20 micron, grotendeels buiten het voor het menselijk oog zichtbare stralingsgebied dus. De hoeveelheid energie die een object uitzendt, is onder andere afhankelijk van zijn temperatuur. Een hogere objecttemperatuur geeft echter niet alleen meer energieuitstraling, maar ook een kortere golflengte.

9.2 Emissiviteit De hoeveelheid door een object uitgezonden energie is uiteindelijk afhankelijk van zijn temperatuur en zijn emissiviteit. Een object dat in staat is om de, bij zijn temperatuur, maximum haalbare hoeveelheid energie uit te zenden, wordt aangeduid als een zwartestraler (black body). In de praktijk bestaan zwartestralers echter niet en dus stralen oppervlakken altijd minder energie uit dan zo’n "black body". Energie die naar het objectoppervlak beweegt, wordt voor een deel naar binnen teruggekaatst en ontsnapt dus nooit in de vorm van straling. De emissiviteit van een object komt neer op de verhouding tussen de hoeveelheid uitgezonden energie en de hoeveelheid uitgezonden energie die zou zijn uitgezonden wanneer het object een zwarte straler zou zijn geweest. De emissiviteitwaarde verschilt per materiaal. Bij metalen heeft een ruw of geoxideerd oppervlak gewoonlijk een hogere emissiviteit dan een gepolijst oppervlak. Ook kan de emissiteit van verschillende vloeistoffen verschillen. tabel 9.1: Emissiviteit ( ) van verschillende stoffen Aluminium Brons Koper Roestig IJzer Rubber Water Cement Zwart Papier Eiwit Glas IJs Zand

0.05 0.10 0.07 0,74 0.97 0,98 0,54 0.90 0.98 0.94 0.97 0.60

33

9.3 Reflectiviteit Er bestaat echter ook nog een relatie tussen de emissiviteit en de reflectiviteit. Voor een ondoorschijnend object is de som van emissiviteit en reflectiviteit 1.0. Oftewel: een zeer reflecterend materiaal is een slechte straler van infraroodenergie en zal dan ook een lage emissiviteitwaarde hebben. Om tot een goede infrarood temperatuur meting te komen, moet dan ook de emissiviteit van het te meten object bekend zijn. Daarbij moet echter ook worden gelet op de golflengte waarop de IR sensor werkt. De emissiviteit varieert tenslotte met de golflengte.

9.4 Conclusie Aangezien de emissiviteit van het eiwit waarop wij meten zeer dicht in de buurt van de van de emissiviteit van rubber ligt, kan deze factor worden verwaarloosd. Het is belangrijk dat hier onderzoek naar is gedaan. Er is immers op een verwarmingsplaatje (rubber) geijkt en dit diende een zelfde emissiviteit te hebben als eiwit, anders zouden toekomstige meting op het ei niet correct zijn.

34

10 Evaluatie concept en PvE 10.1 Eisen vanuit het beoogde gebruik De eisen die betrekking hebben op het gebruik van het ontwikkelde systeem, zijn veel al in de geschreven software verwerkt. De overige eisen hebben meer een hardwarematig karakter en zijn vaak afhankelijk van de specificaties van de gebruikte sensor. De eerste vier punten (4.1.1 - 4.1.4) uit het Programma van Eisen (4.1) zijn volledig verwerkt in de twee software programma's. Het is mogelijk gemaakt om voor onbepaalde tijd metingen uit te voeren, maar daarnaast kan er ook gekozen worden voor een meting met een specifieke periode. De sample rate is instelbaar met de in de eisen genoemde maxima en minima. De visualisatie is gedaan door middel van een tabel met daarin een kolom voor de tijd, een voor de meetwaarde en een met ruimte voor een beschrijving. Ook worden alle meetgegevens weergegeven in een diagram, waarin de meetwaarden zijn uitgezet tegen de tijd. Door in beide programma's overbodige instelmogelijkheden weg te laten en de bediening overzichtelijk te maken is voldaan aan eis 4.1.7 en is zo een gebruiksvriendelijk systeem gerealiseerd. Punten 4.5 en 4.6 hebben beide betrekking op de specificaties van de gebruikte sensor. In de eisen staat dat er een onnauwkeurigheid van ±0,5 ºC dient te worden gerealiseerd, dit is echter niet haalbaar gebleken met de gebruikte sensor, welke een onnauwkeurigheid heeft van ±1 ºC. Door een sensor te gebruiken met de geëiste onnauwkeurigheid kan er wel aan deze eis worden voldaan, uit financieel oogpunt is dit echter niet gerealiseerd. Het minimale meetoppervlak is wel haalbaar gebleken met de gebruikte sensor. Ook qua afmetingen en gewicht is er (ruim) binnen de eisen gebleven.

10.2 Eisen vanuit de ecologische situering van het systeem in de omgeving Het systeem dient te kunnen functioneren willekeurig merk of type computer 95/98/Me/NT/2000/XP geïnstalleerd. Dit is gerealiseerd, met als bijkomende eis dat voor hoger geïnstalleerd dient te zijn.

op werkplekken voorzien van een (laptop) met daarop Window voor beide software programma's de LabView-plugin LabView 6.0 of

Na intensief testen van het gerealiseerde concept is gebleken dat het concept ook voldoet aan de onder 4.2.2 - 4.2.5 vermelde eisen. Het systeem is niet invasief, er wordt immers contactloos temperatuur gemeten. Bovendien werkt het systeem onafhankelijk van de omgevingstemperatuur en kan het systeem niet gemakkelijk beïnvloed worden door eventuele stoorbronnen in de werkomgeving. Ook kan het systeem zelf de overige elektronische apparatuur in de werkruimte niet beïnvloeden.

35

10.3 Eisen met betrekking tot het te ontwerpen subsysteem zelf Eisen met betrekking tot de verschillende subsystemen zijn onder anderen onder te verdelen in eisen die gelden voor de onderhouder van het systeem en de gebruiker van het systeem. De onder 4.3.1.1 - 4.3.1.3 vermelde eisen zijn verwerkt, zodat voor zowel de gebruiker als de onderhouder de gewenste parameters op eenvoudige wijze zijn aan te passen. Ook voor de installatie en de verwijdering van het systeem is aan de eisen voldaan. Bovendien blijkt uit eis 4.2.2, dat het systeem niet invasief mag zijn, tevens dat het de gezondheid en veiligheid van de gebruiker niet in het geding brengt.

10.4 Eisen met betrekking tot het te ontwikkelen productiesysteem In het ontwerp van het systeem is rekening gehouden met de mogelijkheid tot klein serieproductie. De printplaatjes zijn op een logische wijze ingedeeld en de verschillende subschakelingen van het totale circuit zijn duidelijk en afzonderlijk van elkaar geïmplementeerd, er is namelijk een duidelijke scheiding gemaakt tussen het voedingen ijkgedeelte van het systeem en het communicatie- en conversiegedeelte. De componenten die zijn gebruikt zijn standaard en dus binnen afzienbare tijd leverbaar.

10.5 Eisen met betrekking tot een te ontwikkelen liquidatiesysteem Tot slot zijn er nog twee eisen in het Programma van Eisen opgenomen die betrekking hebben op een eventueel te ontwikkelen liquidatiesysteem. Allereerst mag de omgeving niet beschadigd raken als het systeem wordt geliquideerd. Daarnaast mag het gemeten object niet beschadigen bij verwijdering van het systeem. Beide eisen zijn verwerkt in het systeem en in de handleiding staat een liquidatie voorschrift met daarin de wijze waarop de verwijdering dient plaats te vinden.

10.6 Conclusie van de evaluatie Uit de evaluatie is gebleken dat het ontwikkelde systeem op alle punten aan de eisen voldoet, behalve wat betreft de onnauwkeurigheid van het systeem. Deze eis kan wel ingewilligd worden als er gebruik gemaakt zou worden van een andere (nauwkeurigere) sensor. Deze sensor is ook leverbaar. In overleg met de opdrachtgever is er echter voor gekozen om het systeem met de gebruikte sensor af te leveren, dit is vooral vanuit financieel oogpunt gebeurd, aangezien de aanschaf van een nieuwe sensor een grote kostenpost met zich mee zou brengen. Op deze manier voldoet het systeem alsnog aan de eisen van de opdrachtgever.

36

11 Conclusie en discussie aan de hand van het 7-fasenmodel 11.1 De opdracht Om een nauwkeurig beeld te krijgen van de ontwikkeling van het hart van een mens in een zeer vroeg stadium van de gestatie, worden in het Erasmus Medisch Centrum te Rotterdam kippenembryo's onderzocht. De ontwikkeling van het hart van een kippenembryo is vergelijkbaar met de ontwikkeling van een menselijk hart en dit proces is in een kippenei gemakkelijk waarneembaar. Het probleem is echter dat tijdens het onderzoek het kippenembryo afkoelt, de onderzoeker daarentegen heeft geen beeld van het temperatuurverloop van het embryo in de tijd. Gedurende het onderzoek dient het embryo op een temperatuur rond de 37ºC te blijven. Hiertoe wordt het ei op een thermo-element geplaatst, dit vertraagd echter alleen het afkoelingsproces. Het afkoelen van het ei heeft een negatieve invloed op de ontwikkeling van de embryo in het ei. Hierdoor wordt er een incorrecte meting van de hemodynamische parameters in het embryohart verkregen.

11.2 De oplossing Om op een efficiënte manier mogelijke oplossingen te vinden op een probleem, is er een bepaalde ontwerp methodologie gevolgd. Allereerst is er een probleemstelling opgesteld en deze nauwkeurig geanalyseerd. Door middel van de 5 W's (Wie, Wat, Waarom, Waartoe en Waardoor) is de context van het probleem gevonden en de probleemstelling bijgeschaafd. Vervolgens is er aan de hand van functieblokschema's onderzocht wat de in- en uitgangskenmerken van het systeem dienen te zijn en worden er in een iteratief proces naar de hulpfunctie en beginseloplossingen gezocht. Voor de hulp- of subfuncties van het systeem worden via een beslissingsboom oplossingen gezocht. Toen heeft er een brainwrite sessie plaatsgevonden en is er naar passende systeemconcepten gezocht. Met deze concepten in gedachte zijn via morfologische kaarten drie mogelijke systeemconcepten ontworpen. Na analyse van deze concepten is de uiteindelijke oplossing voor het probleem gevonden. Aangezien de oplossing een minimale uitbreiding van de huidige onderzoeksomgeving en -handelingen mocht betekenen, is er gekozen voor een kleine IR sensor die aan de meetopstelling gemonteerd kan worden. Deze sensor meet de temperatuur van het embryo in het ei en geeft een analoog signaal af dat rechtevenredig is met de gemeten temperatuur. Een van de wensen van de probleemhebber was dat het verloop van de temperatuur voor een periode van maximaal een uur kon worden opgeslagen en gevisualiseerd in een diagram. De meetopstelling bevatte al een computer, er is daarom voor gekozen om de data verwerking, opslag en weergave te regelen met een computer. Via een 12 bit analoogdigitaal convertor wordt het signaal van de sensor aan de computer aangeboden. Software matig wordt nu gezorgd voor visualisatie en opslag. Het systeem is gebaseerd op zogenaamde onderwaarde detectie. Nu het verloop van de temperatuur gedurende het onderzoek bekend is, kan de onderzoeker beslissen, wanneer de temperatuur een bepaalde ondergrens nadert, om het onderzoek af te ronden.

37

11.3 Het ontwerptraject in het licht van het 7-fasenmodel Het ontwerpproces is geen lineair proces, dit houdt in dat er gedurende de verschillende stages er voortdurend wordt teruggekoppeld naar eerder ondernomen stappen. Er worden uiteraard fouten gemaakt, maar daar wordt ook weer van geleerd en soms is het maken van fouten zelfs noodzakelijk om uit een bepaald gedachtepatroon te kunnen stappen. Door goed overleg met de opdrachtgever, probleemhebbers, belanghebbenden en de begeleider is een nauwkeurige analyse van het aanwezige probleem mogelijk en is de uiteindelijke oplossing een feit. De eerste misstap vond al plaats in een zeer vroeg stadium van het ontwerpproces. In fase A van het 7-fasenmodel (fase: behoeftenonderzoek) diende de probleemstelling vastgesteld te worden. Na enkel overleg met de probleemhebber leek het probleem voor de hand te liggen. Toen later verscheidene doel-middel verschuivingen werden toegepast, kwam echter het ware probleem aan het licht. Er heeft toen driftig overleg plaats gevonden tussen ons en de opdrachtgever en is er een nieuwe probleemstelling vastgelegd. Aangezien deze stelling nogal afweek van zijn voorganger, was het nodig om enkele ontwikkelstappen over te doen. Dit heeft echter wel geleidt tot een systeem dat volledig werkt naar de wensen en eisen van de opdrachtgever. Ook betrapte we ons er op dat er soms werd er te veel in oplossingen gedacht werd. Zodra de probleemstelling is geformuleerd, ga je direct instinctief op zoek naar een oplossing. In dit instinctieve proces wordt echter een hoop over het hoofd gezien en kan het zijn, dat het ontwerpproces ongemerkt in de richting van deze oplossing wordt geleidt. In fase B van het 7-fasenmodel, de specificatie van eisen, werd er dus te weinig gekeken naar "wat willen we?" en te veel naar "hoe willen we het". Regelmatige terugkoppeling heeft er voor gezorgd dat dit zo veel mogelijk werd vermeden. Ook heeft een brainwrite sessie met twee andere IPP studenten gezorgd voor frisse ideeën. Soms gebeurde het dat er een oplossing voor een subprobleem werd gevonden en dat bij de uitwerking hiervan de eigen fantasie op hol sloeg. De wensen en eisen van de opdrachtgever werden hierdoor over het hoofd gezien en eigen ideeën en wensen gingen de hoofdrol spelen. Hierdoor werd er in fase C van het 7-fasenmodel (ontwikkelen van systeemconcepten en kiezen van meestbelovende concept) te snel gekozen voor een te ontwikkelen systeem, zonder dat er eerst een goede vergelijking van de verschillende concepten had plaatsgevonden. Ook hierbij heeft de evaluatie van eerder genomen stappen een belangrijke rol gespeeld in de correctie hiervan. Al met al kan worden geconcludeerd dat het maken van fouten tijdens de ontwerpfase gezorgd heeft voor een vertraging in het ontwerpproces, maar tegelijkertijd ook geleid heeft tot een beter en passender eindresultaat. Terugkoppeling binnen een ontwerpgang is erg belangrijk en kan binnen iedere processtap plaatsvinden. Met het aanbreken van periode 2 in het IPP begon ook fase D van het 7-fasenmodel, de constructie van het gekozen systeemconcept. Deze fase loopt geleidelijk over in fase E, waarvan de productie van het systeem deel uit maakt. Dit is verreweg de meestomvattende fase in het IPP. In deze fase hebben we weinig problemen ondervonden. Zowel de samenwerking met derden (bestellen van componenten enz.) als de implementatie zelf verliepen zeer voorspoedig. De grootste problemen die we in de implementatiefase tegen zijn gekomen, hadden te maken met het universeel maken van de software, zodat het op elke computer gemakkelijk te installeren is. In het laatste deel van fase E dient het product aan de gebruiker overgedragen te worden. Hiervoor hebben we een korte demonstratie aan de onderzoekers gegeven. De daadwerkelijke overdracht van het product zal na afsluiting van het IPP plaatsvinden.

38

Literatuurlijst In deze lijst zijn zowel bronnen vermeld waarvan delen van de tekst direct zijn gebruikt voor de vervaardiging van dit rapport, als bronnen die tijdens het ontwerptraject geraadpleegd zijn om een beter inzicht te krijgen in de achterliggende onderzoeken en de mogelijkheden op technisch gebied. Gedurende het gehele ontwerpproces dat gevolgd is in de hoofdstukken 2-6 is gebruik gemaakt van bron [2], het college diktaat “Productlevenscyclus” van W. ten Haaf. [1]

Stekelenburg - de Vos, S., Ursem, N.T.C., et al., "Acutely altered hemodynamics following venous obstruction in the early chick embryo", 10 januari 2003

[2]

Haaf, W. ten. “Productlevenscyclus”, College diktaat, WM0510ET

[3]

Rompelman, O. “Integraal Project Practicum”, Studentenhandleiding, 20002001

[4]

Calex Electronics Limited, Convir EL Series, "IR temperature sensors, operators guide"

[5]

Schouten, O. "Koude perfusie ter preventie van nierfalen na suprarenale aneurysma chirurgie", Erasmus MC, 2002

[6]

Maxim Documentation, "Serial port AD conversion http://www.maxim-ic.com, United States of America, 2001

[7]

"Handbook of Non-Contact Temperature Sensors", Exergen Corporation, Watertown, United States of America

[8]

Instrumentation Newsletter, "The Worldwide Publication for Measurement and Automation", volume 15, number 1, National Instruments, Second Quarter 2003

[9]

Engdahl, T., "Serial Port A/D-convertor", 2001

(12

bit)",

[10] Coles, G., "Maak je eigen draagbare IR-thermometer", Elektronica 4/2003, p. 14-16

39

Appendix A Netwerkplanning Om het gehele ontwerpproces gestructureerd te laten verlopen is er een netwerkplanning gemaakt. Hiervoor is gebruik gemaakt van de "Critical Path Method" zoals beschreven door prof. ir. J. in 't Veld [bron 2, HST 11]. In deze methode wordt het netwerk opgebouwd uit cirkels en pijlen. Een cirkel staat voor een belangrijke mijlpaal in het project/ Een mijlpaal is een duidelijk meetpunt in het project, de aanvang of de voltooiing van een bepaalde activiteit of groep activiteiten. In de tekening wordt zo'n mijlpaal 'knooppunt' genoemd. Met een pijl wordt een activiteit aangegeven. De pijlrichting duidt aan welke mijlpaal wordt bereikt na het gereedkomen van deze activiteit. Met behulp van een (gestippelde) nullijn is aangegeven dat twee verschillende activiteiten uitgevoerd moeten worden om tot een bepaalde mijlpaal te komen. Een nullijn kost geen tijd, geen mensen en geen middelen. Dit is gedaan omdat twee activiteiten tussen twee knooppunten bij gebruik van deze methode een incorrect schema zouden opleveren. Om te bepalen hoeveel tijd er nodig is om een bepaalde mijlpaal te bereiken wordt bij elke activiteit een schatting gemaakt van de tijd die nodig is om deze activiteit uit te voeren. Door hierna van elk knooppunt de maximale tijd te bepalen die nodig is om alle voorgaande activiteiten uit te voeren kan bepaald worden wat de minimaal benodigde tijd is om tot het eindresultaat te komen. Het vroegst mogelijke tijdstip waarop een bepaald knooppunt bereikt kan worden wordt rechtsboven in de cirkel aangegeven. Nu de benodigde tijd om tot een eindresultaat te komen bekend is, kan van elk knooppunt het laatst toelaatbare tijdstip bepaald worden, waarop deze knoop bereikt moet zijn om de einddatum van het project niet in gevaar te brengen. Dit wordt gedaan door van de totaal benodigde tijd elke keer de benodigde tijd van een activiteit af te trekken. Deze waarden zijn elke keer rechtonderin de cirkel aangegeven. Door nu de twee getallen aan de rechterkant van elke cirkel te vergelijken wordt duidelijk bij welke knooppunten er sprake is van speling. Ook kan nu bepaald worden welke activiteiten speling hebben, dit is erg belangrijk om een goed beeld te krijgen van de tijdsindeling tijdens het hele ontwerptraject. Als er vertraging optreedt in activiteiten zonder speling kan dit het gehele project in gevaar brengen. De verzameling van activiteiten die geen speling hebben, vormen samen het zogenaamde kritieke pad. Dit pad zal worden aangegeven met een dikkere lijn. [2] In figuur A.1 is de planning weergegeven zoals aan het begin van het IPP opgesteld. De betekenis van de verschillende mijlpalen en activiteiten is aan het eind van deze appendix vermeld.

40

Figuur A.1: Netwerkplanning bij start IPP In de loop van de ontwerpfase is gebleken dat de benodigde tijd niet bij elke activiteit correct geschat was. We hebben hierom meerdere malen de planning aan moeten passen. We zullen hier niet alle aanpassingen afzonderlijk bespreken. In figuur A.2 is het uiteindelijke verloop van de ontwerpfase weergegeven samen met de planning voor de implementatie- en afrondingsfase.

figuur A.2: Netwerkplanning na ontwerpfase Als laatste is in figuur A.3 de werkelijk gebruikte tijd per activiteit weergegeven. Er is hier dus geen sprake van een planning, maar van een evaluatie.

figuur A.3: Uiteindelijk benodigde tijd

41

Mijlpaal

Activiteit

1. 2. 3. 4. 5. 6. 8. 9. 10. 12. 13. 14. 15. 17. 18. 19. 20. 21. 22.

1-2 1-3 1-4 2-5 3-5 5-6 5-7 6-8 6-9 9 - 10 9 - 11 10 - 12 10 - 13 13 - 14 14 - 15 14 - 16 15 - 17 15 - 18 18 - 19 18 - 21 19 - 20 20 - 21 21 - 22 21 - 23 22 - 25 22 - 26 23 - 24 24 - 27 26 - 28 27 - 28

23. 24. 26. 27. 28.

Ontvangen opdracht (start IPP) Eerste probleemstelling Context onderzoek Concept tussenrapport 1 Definitieve probleemstelling PvW Concept tussenrapport 2 Concept PvE Definitief PvE Concept tussenrapport 3 Deelfuncties MO's Systeemconcepten Concept tussenrapport 4 Gekozen systeemconcept Concept tussenrapport 5 Tussenrapport Presentatie Verbeterd tussen rapp + Conc. Eindrapp. Concept product Aangepast PvE Alle documenten + Opzet pres. Product Overdracht + Presentatie

Analyse Gesprekken met belanghebbenden Schrijven Analyse Analyse Gesprek met opdrachtgever Gesprekken met belanghebbenden Schrijven Analyse Gesprek met opdrachtgever Gesprekken met belanghebbenden Schrijven Funct. bl. schema’s maken Brainwriten Morfologische kaarten maken Beslissingsboom maken Schrijven Analyse Schrijven Maken van presentatie Schrijven Analyse Aanpassen + Schrijven Implementeren Eindrapport + Handleiding schrijven Presentatie voorbereiden Aanpassen PvE Verificatie van product Presentatie geven Product overdragen

42

Appendix B B.1. Functieblokschema 5.8

43

B.2. Functieblokschema 5.9

44


45


46

Appendix C C.1 Het circuit

47

CONTACTLOZE TEMPERATUUR REGISTRATIE VAN BIOLOGISCHE PREPARATEN

Recommend Documents