Программный размораживатель

Управляемые компьютером холодильные камеры в Институте Крионики (ИК) (с 2010 г.)

Первые наброски, сделанные Беном Бестом

Бен Бест

Начиная с 2005 года, Институт Крионики (ИК) обладал двумя управляемыми компьютерами холодильными камерами, большой – для пациентов-людей и малой, для экспериментов и для домашних животных. Холодильные камеры созданы для того, чтобы приводить температуру пациентов или домашних животных с уровня выше температуры замерзания воды после перфузии, к температуре жидкого азота для долгосрочного хранения. Использование раствора для витрификации при перфузии требует быстрого охлаждения до достижения температуры отвердения (Tg, около минус 120 градусов по Цельсию) для предотвращения образования льда. Дальше, должно иметь место медленное охлаждение до температуры жидкого азота, чтобы предотвратить или минимизировать растрескивание. Другие ситуации, равно как и тестовая эксплуатация может потребовать иных режимов охлаждения. Наши управляемые компьютером ходильные камеры дают нам возможность управлять скоростями охлаждения в любом температурном диапазоне (с минимальным ручным контролем), равно как и возможность журналирования фактически имеющих место изменений температуры, что генерирует для последующего изучения  кривые, описывающие процесс охлаждения.

С 2005 по 2009 управление двумя холодильными камерами обеспечивалось специально созданной Wineman Technology, Inc для ИК системой на основе программного и аппаратного обеспечения LabView/National Instruments. Для описания программного и аппаратного обеспечения в том виде, в каком оно было создано в 2005 году, см. Computer-Controlled Cooling Boxes at CI (2005-2009). Местный (Clinton Township, Michigan) криоинженер Марк МакМакен построил малую холодильную камеру и аппаратное обеспечение для обеих камер. Большая холодильная камера сделана из дерева и термоизоляции из экструдированного полиэстера. Малая камера сделан из нержавеющей стали и одной из разновидностей пенной теплоизоляции. Обе камеры внутри снабжены длинной перфорированной мелки отверстиями трубой, для распыления жидкого азота. Несмотря на то, что жидкий азот весьма холоден, большая часть охлаждения происходит из-за поглощения тепла при испарении жидкого азота - т.е. испарение жидкого азота является эндотермическим процессом. Удельная теплота испарения жидкого азота составляет 5.57 кДж/моль.

(Эндотермический  процесс сопровождается увеличением энтропии, превышающим потерю в энтальпии, т.е. иными словами, молекулы предпочитают свободу газообразного состояния ограничениям, накладываемым на их свободу в жидком состоянии, и поглощают тепло ради возможности стать газом. Сжигание дров или бензина в машине являются экзотермическими процессами потому что тепло при этом выделяется, а не поглощается.) Впрыскивание жидкого азота в холодильные камеры контролируется нормально закрытым клапаном Magnatrol Type-M (10M61Z), который сертифицирован для работы с жидким азотом. Регулятор давления удерживает давление впрыскивания на уровне 45 PSI (Pounds per Square Inch – фунтов на квадратный дюйм). Предохранительный клапан, срабатывающий при давлении 75 PSI, расположен на баллоне с жидким азотом и сбрасывает избыточное давление в баллоне, как только оно достигнет 75 PSI. Избыточное давление в баллоне может помешать эффективной работе регулятора давления на 45 PSI. 

Малая холодильная камера                                       Слева реле. Справа – регулятор давления и клапан Magnatrol.

Клапан Magnatrol управляется электрическим реле, расположенным в раздаточной коробке, расположенной на холодильных камерах, но только в том случае, когда переключатель на раздаточной коробке находится в положении «вверх». Сигнал постоянного тока +24В от компьютерного контроллера позволяет переменному напряжению от сети открыть клапан Magnatrol. Нулевой уровень напряжения (сигнал 0В) подается компьютерным контроллером, когда клапан Magnatrol должен быть закрыт. Оранжевый индикатор на раздаточной коробке горит, когда переменное напряжение удерживает клапан Magnatrol в открытом состоянии. Сигналы, получаемые от компьютерного контроллера генерируются основываясь на данных, получаемых с термопары внутри холодильной камеры, размещенной непосредственно внутри пациента или на экспериментально объекте. Мы используем термопарные датчики T-типа, которые обладают рабочим диапазоном от −200ºC до +350ºC. По совету Марка МакМакена я приобрел контроллер Omega 1/16 DIN CN96111TR-C2. Энди Заваки, который прошел подготовку для работы с электроникой, подключил его. Соленоидный клапан Magnatrol с новым контроллером шумно вибрировал, что заставило меня заподозрить дефект в соленоиде. В конце концов Марк и Энди добрались до первопричины проблемы: контроллер National Instruments требовал реле постоянного тока, в то время, как контроллер Omega требовал реле переменного тока. Мы подавали переменное напряжение на реле постоянного тока. Замена реле постоянного тока на реле переменного тока прекратило шумную вибрацию соленоидного клапана.

Потребление энергии для контролера Omega очень низко – порядка 45Вт. Мы приобрели источник бесперебойного питания APC Smart-UPS XL1000  (ИБП) с дополнительным аккумуляторным блоком APC battery pack, который был способен выдавать достаточно мощности, чтобы обеспечивать автономную работу холодильной камеры в течение 16 часов. Такой срок в избытке обеспечивает время, необходимое для того, чтобы отыскать проблему и запустить генератор, или (что более вероятно) для того, чтобы вновь появилось пропавшее внешнее питание. Хотя контроллер Omega и может быть запрограммирован вручную, Марк порекомендовал воспользоваться компьютерным интерфейсом и ПО Omega. Попытки заставить контроллер Omega общаться с нашими ноутбуками через USB-адаптер не удавались, пока техподдержка Omega наконец не сказала мне, что адаптер не работает – что вынудило меня приобрести новые ноутбуки со встроенными 9-контактными последовательными портами. К счастью, мне удалось купить подержанные ноутбуки в Laptop Outlet.com  по $300. Один кабель питания оказался неисправен, но Laptop Outlet с радостью заменил его. Также мне пришлось приобрести ПО Omega CN9-SW-GRAPHIX. Экран настроек на ноутбуке позволяет оператору задать последовательность режимов охлаждения, задавая для каждого режим целевую температуру. Частота открытий клапана Magnatrol и длительность этих открытий определяется компьютером вычислениями исходя из параметров заданного режим охлаждения и показаний термопары. Кривая охлаждения выводится на экран компьютера, и может быть сохранена для последующего изучения или вывода на печать.

Пример последовательности режимов охлаждения пациента с температуры водяного льда до температуры жидкого азота, может служить следующее:

(1) охладить до −130ºC за 8 часов 
(2) удерживать на −130ºC в течение 4 часов 
(3) охладить до −196ºC за 200 часов

Компьютер рассчитывает скорость охлаждения (крутизну кривой охлаждения), необходимую для достижения желаемой температуры (например −130ºC) за желаемое время (например за 8 часов) для каждого режима. Когда программа запускается, компьютер начинает открывать клапан Magnatrol с частотой, необходимой для достижения требуемой скорости охлаждения, исходя из данных, получаемых с термопары (которую располагают в горле, для приближенной оценки температуры мозга. Программное/аппаратное обеспечение The LabView/NI позволяло работать с четырьмя термопарами, в то время как программное/аппаратное обеспечение Omega допускало работу только с одной. У меня было достаточно опыта работы с программным/аппаратным обеспечением LabView/NI, чтобы понимать разницу между температурами окружающей среды, тела и мозга во время охлаждения. Охлаждение управляется температурой окружающей среды, что приводит к максимально плавному охлаждению пациента, несмотря на то, что флуктуации температуры на термопарах дают картину наименее плавного охлаждения. С одним единственным датчиком температуры и ограниченными возможностями в построении графиков, создание графиков при помощи системы Omega дает менее искушенные результаты, чем на LabView. Данные с единственного датчика в системе Omega могут быть экспортированы в файл Microsoft EXCEL. Диаграмма может быть построена уже средствами EXCEL.

Марк МакМакен