Geri Dön

Özgün mekanik bir aort kapakçığı tasarımı, mekanik analizi ve prototip üretimi

A novel mechanical aortic valve prosthesis design, mechanical analysis and prototype production

PDF İndir

  1. Tez No: 665227
  2. Yazar: NİLGÜN ÖZKURT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AHMET BOZKURT
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Mühendislik Bilimleri, Bioengineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Akdeniz Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 74

Özet

Günümüzde, mekanik veya biyolojik olmak üzere birçok aort kapakçığı protezi çeşidi bulunmasına rağmen ideal kabul edilebilecek ve her hastaya uyabilecek bir model bulunmaması bu tez çalışmasının ana motivasyon kaynağıdır. Bununla birlikte, mekanik tasarım sistemlerinin analizi için yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri yalnızca bir kardiyak döngüyü ele alabilmektedir. Dolayısıyla, tasarım sistemlerinin yorulma bilgisi ancak tezgah üstü fiziki testlerle mümkün olmaktadır. Bu konuyla ilgili bilgi birikimi ve mevcut teknolojinin farklı bir bakış açısıyla yeniden değerlendirilerek bu alana katkı sunulabileceği düşünülmüştür. Çalışmanın motivasyonu doğrultusunda öncelikle mevcut aortik protez çeşitleri incelenerek, günümüz teknolojisi ile hastaya özel ve pratik bir şekilde geliştirilebilecek yeni bir tasarım yapılması amaçlanmıştır. Özgün olduğu düşünülen bu tasarım, iki alt sistemden oluşturulmuştur. İlki, tek mil ekseninde dönerek açıklık sağlayabilecek bir mekanizmaya sahip olan Alt Sistem-1'dir. Alt Sistem-2 (aort kökü modeli) ise sağlıklı bir kişiye ait görüntülerden yola çıkılarak aort daralması görülen veya doğuştan bi-küspit aort kapakçığı bulunan hastalara da uyarlanabilecek şekilde geliştirilmiş bir metot ile tasarlanmıştır. Dolayısı ile tüm tasarım ve tasarım yöntemi bir bütün halinde, Akdeniz Üniversitesi Teknoloji Transfer Ofisi, Patent Ofisi'ne“Özgün Aortik Protez Tasarımı ve Hastaya Özel Tasarım Metodu”başlığı altında güncel buluş bildirim formu ile sunulmuştur. Çalışmanın Mekanik Analiz bölümünde ise, protez problemi olabildiğince lineer aralıklarda ele alındığında, tasarlanan sistemin analizinin ANSYS Workbench programında tam bir kardiyak döngü için mümkün olabildiği gösterilmiştir. Analiz için gerekli olan sınır koşullarından sabit destek Modal Analizde tanımlanmış, ardından annulüs ve aorta kesitlerinden proteze etkiyen yük vektörleri Transiyent Analizde uygulanmıştır. Özellikle yük koşulları hesaplanırken türetilen denklemler için genişletilmiş Bernoulli iş-enerji denkleminden yola çıkarken problem koşulları ortaya konularak adım adım ilerlenmiştir. Günümüzde kan akışının özellikle sistol fazında türbülant olduğu bilinmektedir. Bu sebeple, dinamik basınç farkını hesaplayabilmek için fark katsayısının Reynolds sayısı ile doğru, Womersley sayısı ile ters orantılı olması gerektiği düşünülmüştür. Dolayısıyla, bu çalışmada kayıp basınç farkı denklemi, dinamik basınç farkı denklemi olarak ve sürtünme katsayısı, 𝑓, fark katsayısı olarak ele alınmıştır. İlaveten, annulüs ve aorta kesitleri için ayrı ayrı elde edilen dinamik basınç değerlerine, modifiye Bernoulli denklemi yardımıyla statik basınç değerleri hesaplatılarak eklenmiştir. Bu çalışmada, tasarımın üç boyutlu baskı yöntemi ile üretilebilir olması amaçlandığı için prototip üretimi mevcut teknoloji ve analizi yapılabilen malzemeler seçilerek gerçekleştirilmiştir. Bu sebeple, protez tasarımının malzemelerinde öngörülen malzemeler; Alt sistem-1 (ring, mil ve kanat parçaları) için titanyum alaşım (Ti6Al4V, annealed) ve Alt sistem-2 (aort kökü modeli) için rubber, silicone'dur. Transiyent analiz sonuçlarında açılışın gerçekleşeceği doğrultuda, y ekseninde beklenen yönlü yer değiştirme (directional deformation) değerlerinin gösterilmesi istenmiştir. Sonuçlara göre sistol fazında 9 mm yarıçaplı kanatlarda maksimum yer değişikliği beklendiği gibi -y yönünde 7.46 mm ve +y yönünde ise 2.95 mm değerlerindedir. Diyastol fazında ise kanatlar aort kökü modelinin iç yüzeyi ile temas halinde kapalı vaziyettedir. Yorulma analizinde 1 kardiyak döngü 1 s yani 1 Hz olmak üzere Equivalent von-Mises gerilim değerlerine göre hesaplatılan ömür analizinin 10^8 kardiyak döngü olarak sonuç vermesi çalışmanın olumlu sonuçlandığı kanaatini oluşturmuştur. Dolayısıyla, gelecek çalışmalar için tasarımın sıvı-katı etkileşimli simülasyonu ve in-vitro testlerinin gerçekleştirilerek akış performansı ve mekanik analiz sonuçlarının karşılaştırılması düşünülmektedir. Çalışmanın devamında, hastaya özel tasarım ve analiz metodolojisini takiben in-vivo testlerin yapılması öngörülebilir.

Özet (Çeviri)

Today, although there are many different types of mechanical or biological aortic valve prosthesis, the lack of a model that can be considered ideal and suitable for every patient is the main motivation of this thesis study. In addition, computational fluid dynamics analysis for the analysis of mechanical design systems can only address one cardiac cycle by fluid-solid interaction simulation. A complete cardiac cycle was not established in any mechanical analysis with fatigue analyses for designs currently in development. Therefore, obtaining fatigue information for a design system requires performance of a bench-top physical tests. It is thought that the knowledge in the field and the current technology can be re-evaluated from a different perspective to contribute to this field of study. In line with the motivation of the study, the existing aortic prosthesis types were examined first and a new design that can be developed in a patient-specific and a practical way with today's technology was aimed. The proposed design, which is thought to be original, consists of two subsystems. The first is called Sub-System-1, which has a mechanism that allows the leaflets to open and close around a single pivot axis. The SubSystem-2 design was developed based on the images of a healthy person, the design method was developed such that it could be adapted to patients with aortic constriction or congenital bicuspid aortic valve. Therefore, the entire design and the design method was presented to Akdeniz University Technology Transfer Office, Patent Office under the title of“Novel Aortic Prosthesis Design and Patient-Specific Design Method”with an up-to-date invention notification form. In the mechanical analysis part of the study, the prosthesis problem was considered in as linear intervals as possible, it has been shown that the analysis of the system was possible for a complete cardiac cycle in the ANSYS Workbench program. The fixed support from the boundary conditions required for the analysis was defined in the Modal Analysis, then the load vectors affecting the prosthesis from the annulus and aorta sections were applied in the Transient Analysis. Particularly, by starting from the expanded Bernoulli work-energy equation, the equations were derived while calculating the load conditions, the problem conditions were presented step by step. Today, it is known that the left ventricle acts as a pulsatile pump and the blood flow is turbulent, especially during the systole phase. Therefore, to be able to calculate the dynamic pressure difference, the difference coefficient was thought to be directly proportional to the Reynolds number and inversely proportional to the Womersley number. Hence, the friction factor, ƒ in the pressure difference equation for loss, was taken as the difference coefficient, where that was called as the dynamic pressure difference equation in this study. Additionally, the hydrostatic pressures were estimated by the modified Bernoulli equation and the summation of the dynamic and static pressures was used separately for the aortic and annular positions. In this study, the preliminary prototype production was carried out by selecting the existing technology and materials that could be analysed, since the design was intended to be produced by three-dimensional printing. For this reason, the materials used in the prosthesis design were chosen as titanium alloy (Ti6Al4V, annealed) for the Subsystem-1 parts (leaflets, ring, axle) and rubber, silicone for the Subsystem-2 (aortic root) model. According to transient analysis results, the directional deformation for leaflets of 9 mm radius, were maximum 7.46 mm in -y direction and 2.95 mm in +y direction, during systole. In the diastole phase, the leaflets were in closed position, in contact with the inner surface of the aortic root model. The fatigue analyses were obtained according to Equivalent von-Mises stress values for 1 cardiac cycle was set as 1sec and the result of the life analysis was found to be 10^8 cardiac cycles which has suggests that the results of the study are confirmative. Therefore, this design might be considered in the future projects to perform fluid-solid interaction simulations and accompanying invitro tests to compare flow and mechanical analysis results. Subsequently, in-vivo tests might be foreseen by following patient-specific designs and analysis methodology.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    856893

    Aort damarında kan akışının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ve parçacık görüntülemeli akış ölçüm (PIV) yöntemiyle incelenmesi

    The investigation of blood flow in aorta vessel with computational fluid dynamics (CFD) and particle image velocimetry (PIV) methods

    OSMAN AYCAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ADNAN TOPUZ

  2. Tez No

    452254

    AORT/mitral kapakların replasman/valvuloplasti tedavisinin sol ventrikül sistolik ve diyastolik fonksiyonları üzerine olan etkilerinin gated miyokard perfüzyon sintigrafisi ile değerlendirilmesi

    Evaluation of impact of aortic/mitral valve replacement/ valvuloplasty on left ventricular systolic and diastolic functions by gated myocardial perfusion scintigraphy

    ELİF BALKAN

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Göğüs Kalp ve Damar CerrahisiGATA

    Nükleer Tıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER ÖZGÜR KARAÇALIOĞLU

  3. Tez No

    541287

    Bir nörolojik rehabilitasyon robotunun modellenmesi ve kontrolü

    Modelling and control of a neurological rehabilitation robot

    MUHAMMED YUSUF KORKUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Fiziksel Tıp ve Rehabilitasyonİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU

  4. Tez No

    622424

    Bir üst uzuv rehabilitasyon robotunun tasarımı ve hibrid empedans kontrolü

    Design and control of an upper limb rehabilitation robot using hybrid impedance control

    MURAT ATLIHAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Fizyoterapi ve RehabilitasyonYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. ERHAN AKDOĞAN

  5. Tez No

    895155

    Önüretimli betonarme yapılarda moment aktaran yeni bir kiriş kolon bağlantısı

    A new moment resisting beam to column connection for precast reinforced concrete structures

    ERKAN ŞENOL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERCAN YÜKSEL

Geri Dön