Návrh a konstrukce klimatické komory pro měření biologických vzorků pomocí mikrotomografu

Abstract

Hlavním cílem této bakalářské práce bylo navrhnout a zkonstruovat klimatickou komoru, která umožní zvlhčení biologických vzorků během měření pomocí mikrotomografu, a tím zabrání jejich vysychání, které by mohlo ovlivnit mechanické vlastnosti a kvalitu mikrotomografického zobrazení. Komora byla navržena s ohledem na geometrické požadavky specifického měřicího mikrotomografu v ÚTAM AV ČR (Ústav teoretické a aplikované mechaniky Akademie věd České republiky). V rámci práce byla provedena rešerše dostupných řešení klimatických komor a možností regulace vlhkosti a teploty. Na základě rešerše byla zvolena metoda zvlhčování pomocí odparu vody s řízeným ohřevem a nucenou konvekcí. Komora byla navržena v CAD softwaru Autodesk Fusion 360, vytištěna pomocí 3D tisku a osazena senzory pro měření teploty a vlhkosti (SHT85, DS18B20) a řídicím mikrokontrolerem Arduino MKR1010 WiFi. Ovládání topného tělesa bylo zajištěno pomocí relé a vytvořeného kódu v Arduino IDE. Experimentální část ověřila funkčnost komory jak v laboratorním prostředí, tak při reálném mikrotomografickém měření biologických vzorků (umělá kost, lidská chrupavka). Bylo dosaženo relativní vlhkosti až 99 % a teploty minimálně 37°C. Při měření vzorků pomocí mikrotomografu bylo dosaženo adekvátní kondenzace vody, což bylo potvrzeno vizuálně i pomocí histogramů obrazových dat. Použití komory prokázalo snížení vysychání vzorků, a tím zajištění vyšší kvality měření. Konstrukce také minimalizuje absorpci rentgenového záření v porovnání s předchozím řešením vysychání vzorků na bázi kapaliny. Výsledky potvrdily funkčnost navrženého systému a jeho přínos pro biomechanický výzkum. Komora bude dále využívána v ÚTAM AV ČR pro měření citlivých biomateriálů. Možné budoucí vylepšení zahrnují použití teplotně odolnějšího materiálu pro 3D tisk, regulaci ventilátoru pomocí PWM a integraci dodatečného topného prvku pro rychlejší ohřev pracovního prostoru.

The main aim of this bachelor's thesis was to design and construct a climate chamber that enables the humidification of biological samples during microtomographic measurements, thereby preventing samples from drying, which could affect their mechanical properties and the quality of microtomographic imaging. The chamber was designed with respect to the geometric requirements of a specific microtomographic measuring system at the ITAM CAS (Institute of Theoretical and Applied Mechanics Czech Academy of Sciences). As a part of this thesis a literature review of existing climate chamber solutions and methods for humidity and temperature regulation was conducted. Based on this review, a humidification method using water evaporation with controlled heating and forced convection was selected. The chamber was designed in the CAD software Autodesk Fusion 360, fabricated using 3D printing, and equipped with temperature and humidity sensors (SHT85, DS18B20) as well as a control microcontroller Arduino MKR1010 WiFi. The heating element was controlled via relay and a custom code developed in Arduino IDE. The experimental section of this thesis verified the functionality of the chamber both in a laboratory environment and during actual microtomographic measurements of biological samples (synthetic bone, human cartilage). Relative humidity of up to 99 % and temperatures of at least 37°C were achieved. Adequate water condensation was observed during scanning, confirmed both visually and via histogram analysis of the image data. The use of the chamber demonstrably reduced sample drying and thus improved measurement quality. Additionally, the design minimized X-ray attenuation compared to the previous liquid-based humidification approach. The results confirmed the functionality of the system and its potential benefits for biomechanical research. The chamber will continue to be used at ITAM CAS for the measurement of sensitive biomaterials. Possible future improvements include the use of more heat-resistant materials for 3D printing, PWM control of the ventilation system, and the integration of an additional heating element for faster temperature stabilization in the working space.