Geri Dön

Design analysis and development of a miniature blood pump

Minyatür bir kan pompasının tasarımı analizi ve geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 519601
  2. Yazar: TALHA IRFAN KHAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Bioengineering, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 156

Özet

Konjenital kalp hastalığı (KKH) dünyadaki bebek ölümlerinin önde gelen nedenlerinden biridir. Amerikan Kalp Derneği'ne göre, Asya'daki 1000 canlı doğumdan 9.3'ü KKH'den etkilenmiştir. Yetişkinlerde, mekanik dolaşım desteği (MDD) hayat kurtaran bir cihaz olarak ortaya çıkmıştır. KKH'nin boyut sınırlamaları ve doğası nedeniyle, yetişkinler için kullanılan cihazlar pediatrik hastalar için uygun değildir. Dolayısıyla, pediatrik hastalara uygulanabilen minyatür MDD cihazına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışma KKH hastaları için yeni bir kan pompası geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu tezde önerilen yeni cihaz, örtülü pervane tipi, eksenel bir akış pompasıdır. Bu tip bir tasarım kan pompalarında daha önce deneysel olarak denenmemiştir. Kan pompasının pervane ve difüzör kanat açıları, hız bazlı 2D üçgen analizi yapılarak elde edilmiştir. Hidrolik performansı öngörmek ve pompa içindeki akış alanını görselleştirmek için hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizi kullanılmıştır. Örtülü pervaneli pediatrik ventriküler destek cihazının ilk prototip dizaynına ulaşabilmek için çeşitli geometrik parametrelere sahip bir dizi pervane ve difüzör tasarımı analiz edilmiştir. Analiz sonucunda bulunan yüksek makaslama stres bölgeleri, kan tahribatına neden olabilecek olası alanları ortaya çıkarmıştır. HAD sonuçlarının doğrulanması için ilk prototip modeli üretilmiştir. Pervane, indükleyici ve difüzör parçaları, hızlı prototipleme yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Çark şeklindeki mıknatıslar pervanenin dış çevresine yerleştirilmiş ve çarkı döndürmek için 3 fazlı, fırçasız doğru akım motor prensibi kullanılmıştır. Deneysel sonuçlar ve HAD sonuçlarının karşılaştırılması, HAD modelinin güvenilirliğini ortaya koymuştur. HAD bazlı kan hasar analizi, Euler stres ve şekil değiştirme bazlı modeller kullanılarak yapılmıştır. Elde edilen sonuçların in vitro kan testi ile karşılaştırılması, kurulan analiz modelini doğrulanmıştır. Farklı güç kanunu işlevleri, en iyi tasarım modeli bulmak için kullanılmıştır. Sonuçlar, şekil değiştirme temelli modelin, kan hasarı tahmininde daha güvenilir olduğunu göstermiştir ve bu modele dayanarak ilk prototipte tasarım geliştirmeleri yapılmıştır. İkinci prototipin tasarımı için de daha fazla HAD analizi yapılmıştır. Masa üstü deney düzeneği, yüksek hassasiyetli, 5 eksenli takım tezgâhı kullanılarak üretilmiştir. In vitro hidrolik ve kan testileri yapılmıştır. Analiz sonuçları, kan hasarının, önerilen tasarımda, kabul edilebilir düzeyde olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bu şekilde, minyatür kan pompalarında, örtülü pervane tasarımının kullanılmasının başarılı sonuçlar getirebileceği kanıtlanmıştır.

Özet (Çeviri)

Congenital Heart Disease (CHD) is one of the leading cause of infant death around the world. According to American Heart Association (AHA) 9.3 out of 1000 live births in Asia are affected from CHD. In adults, Mechanical Circulatory Support (MCS) has emerged as a life-saving device. Due to size limitations and nature of CHD, the adult devices are not suitable for pediatric patients. Thus, there is a need for a miniature MCS device implantable to pediatric patients. This study aims to develop a novel blood pump for CHD patients. The device proposed in this thesis is a novel shrouded impeller axial flow pump. This type of design has never been tried experimentally in blood pumps before. The impeller and diffuser blade angles of blood pump were obtained by performing 2D velocity triangles analysis. Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis has been used to predict the hydraulic performance and to visualize the flow field within the pump. A number of impeller and diffuser designs with varying geometric parameters were analyzed to come up with the Prototype I of shrouded impeller pediatric ventricular assist device (SIP-VAD). Regions of high shear stress indicated the possible areas causing blood damage. A benchtop model of Prototype I was manufactured to verify the CFD results. The impeller, inducer, and diffuser were manufactured using rapid prototyping method. Arc-shaped magnets were installed at the outer periphery of the impeller and 3-phase, brushless direct current (BLDC) motor principle was used to rotate the impeller. Comparison of experimental and CFD results revealed the reliability of the CFD model for further design modification. CFD based blood damage analysis was performed using Eulerian stress and strain-based models. The verification of this model was performed by comparing results with the in vitro blood test. Different power law functions were used to find the best model for our design. Results show the strain-based model to be more accurate in predicting blood damage. Based on this model design improvements were made in Prototype I. Further CFD analysis was performed to finalize Prototype II design. The benchtop experimental setup was manufactured using high precision 5-axis machine tool. The in vitro hydraulic and blood test were performed. The blood damage results revealed an acceptable level of blood damage in the proposed design. Therefore, it is shown that the used of shrouded impeller design can lead to good results in miniature blood pumps.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    335862

    Pompaların dinamik analizi

    Dynamical analysis of pumps

    HAMDİ NADİR TURAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TUNCER TOPRAK

    PROF. DR. HALUK KARADOĞAN

  2. Tez No

    245407

    Development of a miniature and implantable heart pump as the left ventricular assist system: Heart Turcica centrifugal

    Minyatür ve vücuda yerleştirilebilir bir kalp pompasının sol karıncık destek sistemi olarak geliştirilmesi: Santrifüj Türk kalbi

    ÇINAR ERSANLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    BiyomühendislikKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. İSMAİL LAZOĞLU

  3. Tez No

    513984

    Canlı dokularda glikoz seviyesi ile optik polarizasyon bozulma ilişkisinin modellenmesi

    Modelling of glucose level in living biological tissues by using optics de-polarization relationship

    ERCAN MENGÜÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    BiyomühendislikAkdeniz Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELÇUK HELHEL

  4. Tez No

    866029

    Development of a selection protocol for target nucleic acids based on nanoparticles

    Nükleik asit hedeflerinde nanopartikul tabanlı seçim protokolü geliştirilmesi

    AYŞE PINAR AKALIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYTEN YAZGAN KARATAŞ

  5. Tez No

    286308

    Design, development and performance evaluation of a three-axis miniature machining center

    3-eksenli minyatür işleme merkezinin tasarımı, geliştirilmesi ve performansının değerlendirilmesi

    EMRULLAH KORKMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. SİNAN FİLİZ

Geri Dön