Geri Dön

Fluid flow in cardiovascular devices and surgical pathways

Kalp-damar cihazlarinda ve cerrahi konstrüksüyonlarda akışkanlar mekaniği

PDF İndir

  1. Tez No: 771758
  2. Yazar: REZA RASOOLI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. KEREM PEKKAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  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: 146

Özet

Her yıl dünyada yenidoğanların yaklaşık %1'i, klinik olarak önemli bir konjenital kalp hastalığı ile doğar. Bunlar arasında tek ventriküllü kalp hastalığı, tedavi edilmediği takdirde ölüme yol açan en ciddi hastalıklardan biridir. Tek ventrikülü yalnızca oksijenli kanı vücuda pompalamak amacıyla kullanmak için, genel olarak bir seri cerrahi müdahale gerçekleştirilerek üst ve alt ana toplardamarlar (SVC ve IVC) pulmoner arterlere (PA) doğrudan bağlanır. Bu cerrahi müdahalelerden sonra ortaya çıkan vasküler bağlantı olan toplam kavopulmoner bağlantıdaki (TCPC) hemodinamik çok önemlidir ve uygun şekilde tasarlanmadığı takdirde ciddi postoperatif komplikasyonlara yol açabilir. Kardiyopulmoner baypas (CPB), aort kanülasyonu gerektiren bu operasyonların en önemli bileşenidir. Kardiyopulmoner baypas, bu kardiyak cerrahi prosedürler sırasında kısa süreli destek sağlar ve ciddi kardiyorespiratuar yetmezliği olan hastaların, akciğer ve kalplerinin iyileşmesi için zaman isteyen bir müdahaleye ihtiyacı olacaktır. Bu durumda, Venovenöz ekstrakorporeal membran oksijenasyonu (VV-ECMO), daha yüksek düzeyde mobilizasyon ve fiziksel rehabilitasyon ile çift lümenli bir kanül (DLC) kullanarak tek noktadan vücuda erişim sağladığı için tercih edilen klinik bir müdahaledir. Bu tezde, kardiyovasküler kateterlerdeki bu akışkan dinamikler ve ayrıca toplam kavopulmoner bağlantılar araştıralacaktır. Mevcut tez, iki ana bölüm ve bu iki ana bölümün altında incelenen beş alt bölümden oluşmaktadır. Bu tezin ilk bölümü, iki önemli kardiyovasküler kateterde (aort ve çift lümenli kanül) akışkan dinamiğinin deneysel ve hesaplamalı araştırılmasına ayrılmıştır. Yenidoğan ve pediatrik popülasyon için boyut kısıtlamaları dikkate alınarak farklı yeni tasarımlar sunulmakta ve önerilmektedir. Bu kanüllerdeki akış özelliklerini deneysel olarak ölçmek için zaman çözümlü parçacık görüntü velosimetri (TRPIV) kullanılır. Aynı deneysel yöntemler daha sonra temel veya ticari kanüller için gerçekleştirilir ve performans parametreleri önerilen modellerle karşılaştırılır. Son olarak, sağ kulakçık içindeki DLC performansını araştırmak için hesaplamalı akışkan dinamiği (CFD) kullanılır. Bunu takiben, drenaj delikleri ve infüzyon portunun düzenlenmesi dikkate alınarak 14 parametrik kanül konfigürasyonu önerilmiştir. Hesaplamalı sonuçlar, şu anda kullanılan klinik kanüllerin daha fazla optimizasyona ihtiyaç duyduğunu göstermiştir. Tezin ikinci bölümünde, TCPC'lerin içindeki sıvı akışı, in vitro deneyler ve hesaplamalı simülasyonlar kullanılarak analiz edilmiştir. Bu bölüm, karmaşık TCPC'lerde hepatik akış dağılımının (HFD) miktarının belirlenmesi için kullanılabilecek basit ve düşük maliyetli bir deneysel metot sunar. Daha da önemlisi, karmaşık vasküler bağlantılarda kan akışının CFD simülasyonlarının doğrulanması için kullanılabilen referans idealize edilmiş bir TCPC için güç kaybı (PL), toplam pulmoner akış bölünmesi (TPFS) ve HFD gibi kapsamlı bir anahtar deneysel veri sağlar. Son olarak, idealize edilmiş TCPC model ve ayrıca bir hastaya özel model için farklı CFD modeller kullanılarak simülasyonlar yapılır ve bunların tahminî doğruluğu in vitro verilerle karşılaştırılır. Tezin sonuçları, türbülanslı modellerin önemli akış parametrelerini yüksek düzeyde doğrulukla tahmin edebildiğini ve hem idealize edilmiş hem de hastaya özel modeller için ise hesaplama maliyetini önemli ölçüde düşürdüğünü ortaya koydu.

Özet (Çeviri)

Almost 1% of neonates are born with a clinically significant congenital heart disease each year in the world. Among these, single-ventricle heart defects are the most serious ones which lead to death in case of no treatment. A series of surgical interventions is typically performed to directly connect the superior and inferior vena cavae (SVC and IVC) to the pulmonary arteries (PA) with the purpose of using the single ventricle solely for pumping the oxygenated blood to the body. This creates a vascular conduit called total cavopulmonary connection (TCPC). The hemodynamic in TCPC is of paramount importance and can lead to serious postoperative complications if not designed properly. Cardiopulmonary bypass (CPB) is the crucial component of these operations requiring aortic cannulation. Cardiopulmonary bypass provides short-term support during these cardiac surgical procedures and the patients with severe cardiorespiratory failure would need an intervention that allows time for intrinsic recovery of the lungs and heart. In this case, Venovenous extracorporeal membrane oxygenation (VV-ECMO) is the preferred clinical intervention as it provides single-site access by using a double-lumen cannula (DLC) with a higher level of mobilization and physical rehabilitation. This thesis will investigate the fluid dynamics in these cardiovascular catheters as well as the total cavopulmonary connections. The current thesis is divided into two main parts with five chapters. The first part of this thesis is dedicated to the experimental and computational investigation of fluid dynamics in two important cardiovascular catheters: aortic and double-lumen cannulae. Different novel designs considering the size constraints for the neonatal and pediatric population are designed and proposed. Time-resolved particle image velocimetry (TRPIV) is then employed as a non-invasive whole-field measurement technique to experimentally quantify the flow characteristics in these cannulae. The same experimental modalities are then performed for the baseline or commercial cannulae and the performance parameters are compared with the proposed models. Finally, computational fluid dynamics (CFD) is employed to investigate the DLC performance inside the right atrium. Following that, 14 parametric cannula configurations considering the arrangement of drainage holes and infusion port are proposed. The computational upshots revealed that the currently used clinical cannulae have room for further optimization. In the second part of the thesis, the fluid flow inside TCPCs is analyzed using in vitro experiments and computational simulations. This part presents a simple and low-cost experimental method that can be utilized for the quantification of hepatic flow distribution (HFD) in complex TCPCs. More importantly, it provides a thorough key experimental data such as power loss (PL), total pulmonary flow split (TPFS), and HFD for a reference idealized TCPC which can be used for validation of CFD simulations of blood flow in complex vascular connections. Finally, CFD simulations using different solvers are performed for the idealized TCPC and also a real patient-specific model and their prediction accuracy is compared against the in vitro data. Our results revealed that turbulent models can predict the key flow parameters with a great level of accuracy and also significantly lower computational cost for both the idealized and real patient-specific models.

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

    392877

    Validation of the first Turkish axial-flow left-ventricular assist device using particle image velocimetry (PIV)

    İlk Türk eksenel-akışlı sol-ventrikül destek pompasının (SVDP) parçacık hızı görüntüleme (PHG) tekniğiyle validasyonu

    SINA DADGAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    BiyomühendislikBahçeşehir Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Assoc. Prof. Dr. SARPER ÖZHARAR

    Prof. Dr. MESUT EROL SEZER

  3. Tez No

    391773

    Design of a platform for physical performance testing of an axial-flow left-ventricular assist device

    Eksenel-akışlı sol-ventrikül destek cihazı için fiziksel performans testi düzeneğinin tasarımı

    İBRAHİM BAŞAR AKA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    BiyomühendislikBahçeşehir Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DR. ABDURRAHMAN KAMURAN KADIPAŞAOĞLU

  4. Tez No

    246851

    Design of a left ventricular assist device: heart Turcica Centrifugal

    Bir sol karıncık destek aygıtının tasarımı: Heart Turcica Centrifugal

    EMRE BIYIKLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    BiyomühendislikKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. İSMAİL LAZOĞLU

  5. Tez No

    456334

    Investigation of biological flows through particle image velocimetry (PIV) combined with several imaging techniques

    Parçacık görüntülemeli hız ölçümü (PIV) ve farklı görüntüleme yöntemlerinin birleştirilerek biyolojik akışların incelenmesi

    FAZIL EMRE USLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilim ve TeknolojiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KEREM PEKKAN

Geri Dön