Geri Dön

Development of a modular pulmonary resuscitation device for chronic and acute respiratory support

Kronik ve akut solunum desteği için modüler pulmoner resüsitasyon cihazının geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 881858
  2. Yazar: MUNAM ARSHAD
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyofizik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Biophysics, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 159

Özet

Noninvaziv ventilasyon (NIV) ve invaziv ventilasyon, solunum yetmezliğini yönetmek ve solunum bozukluğu olan bireyleri desteklemek için iki farklı yaklaşımdır. Bu teknikler, kritik bakım tıbbı ve solunum terapisinde çok önemli bir rol oynamakta ve çeşitli pulmoner bozukluklar için hayat kurtarıcı müdahaleler sunmaktadır. Noninvaziv ventilasyon, endotrakeal entübasyon gibi invaziv prosedürlere gerek kalmadan hastalara yardımcı olan bir solunum desteği yöntemini temsil eder. Tipik olarak, bir maske veya arayüz aracılığıyla hava veya oksijen sağlamak için noninvaziv bir ventilatör veya pozitif hava yolu basıncı cihazlarının kullanılmasını içerir ve hastaların yeterli oksijenasyonu ve karbondioksit giderimini sürdürmelerine yardımcı olur. NIV, kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) alevlenmeleri, akut solunum yetmezliği, konjestif kalp yetmezliği ve uyku ile ilişkili solunum bozuklukları dahil olmak üzere çeşitli klinik senaryolarda tercih edilen bir seçenek olarak ortaya çıkmıştır. Bu yaklaşım, ventilatörle ilişkili pnömoni riskinin azalması, hasta konforunun artması ve hastanın kendi kendini yönetme olasılığı gibi birçok farklı avantaj sunarak solunum tıbbında giderek daha değerli bir araç haline gelmektedir. 2020'de COVID-19 pandemisinin ortaya çıkması, acil dağıtım için çok sayıda uygun fiyatlı, açık kaynaklı veya kolayca inşa edilebilen ventilatörün oluşturulmasına neden oldu. Bununla birlikte, önerilen kurulumların çoğu, basınç ve hacim kontrolü yetenekleri sınırlı olan Torba Valf Maskesi (BVM) adı verilen elle çalıştırılan bir resüsitatörün otomasyonundan veya sürekli yüksek basınç giriş kaynağı gerektiren basınçlı valf tabanlı mekanizmaların geliştirilmesinden oluşmakta ve bu da basınçlı hava / oksijen kaynağının mevcut olmadığı senaryolarda onları gereksiz kılmaktadır. Ayrıca, bu çözümler genellikle invaziv ve entübe mekanik ventilasyon tekniklerine yöneliktir. Türbin tabanlı pozitif basınçlı ventilatörler, non-invaziv ventilasyon yoluyla pulmoner tedavi için taşınabilirlik ve gelişmiş tedavi modları arasındaki boşluğu doldurmaktadır. Mevcut literatürde, solunum desteği için ekonomik açıdan verimli ve kolayca kullanılabilen bir platform olarak türbin tabanlı non-invaziv ventilatörlerin tasarlanması, değerlendirilmesi ve uygulanabilirliğine ilişkin kapsamlı incelemelerin azlığı dikkat çekmektedir. Araştırmalardaki bu eksiklik, özellikle evde bakım ventilasyonu alanında olmak üzere, acil durumların ötesine geçen bağlamlarda potansiyel uygulamalarının araştırılmasına kadar uzanmaktadır. Bu tez, sürekli pozitif basınç ve Bilevel pozitif basınç tedavisi sağlayabilen modüler bir solunum sisteminin oluşturulmasını incelemekte ve değerlendirmektedir. Bu araştırma çalışmasının ilk aşamasında, yüksek basınçlı türbin tabanlı pozitif basınç destekli, non-invaziv bir ventilatör tasarımı önerilmektedir. Geliştirilen donanım, basınç desteği ve hacim garantili basınç destekli ventilasyon olmak üzere çok modlu solunum tedavisi sağlayabilmektedir. Yeni modüler cihaz, hasta makine senkronizasyonunu en üst düzeye çıkarmak için geliştirilen yeni algoritmalar ve değişen pulmoner uyumluluk sırasında basınç tedavisi için sağlam kapalı döngü kontrol stratejisi ile non-invaziv bir solunum destek cihazı olarak çalışmaktadır. Bu araştırmanın ikinci bölümünde, non-invaziv ventilasyon sırasında gelişmiş solunum izleme ve kontrolü için yeni bir gerçek zamanlı kablosuz duyusal modül tekniği sunulmuştur. Önerilen teknikler, pasif sızıntı portlu tek uzuv devreleri kullanan sürekli pozitif basınç sistemlerinde mevcut izleme ve tedavi standartlarını geliştirmeye odaklanmaktadır. Önerilen kablosuz basınç ve akış izlemenin, geliştirilen modüler solunum cihazıyla birlikte uygulanması, cihazın farklı hasta solunum aşamalarını tespit etmedeki duyarlılığında iyileştirmeler sağlamaktadır. Ayrıca, bu kurulum dinamik sızıntıların hesaplamalı modelleme gerekliliğini etkili bir şekilde azaltmakta ve sonuç olarak İnvaziv Olmayan Ventilasyonda (NIV) inspiratuar ve ekspiratuar tidal hacimlerin hassas bir şekilde izlenmesini kolaylaştırmaktadır. Özellikle bu özellikler, tek uzuvlu pasif sızıntı devreleri kullanan geleneksel evde bakım ventilasyon desteğine kıyasla önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Bu araştırmanın üçüncü bölümünde, non-invaziv basınç terapisi modu sırasında gerçek zamanlı olarak elde edilen verilerden Makine öğrenimi teknikleri aracılığıyla pulmoner mekanikler için gerçek zamanlı değerlendirme yapılmaktadır. Pulmoner mekanikler, hasta bakımı için doğru terapi modu ve terapi basıncı veya hacim seviyelerinin sağlandığından emin olmak için kilit izleme parametreleridir, bugüne kadar pulmoner mekanik ölçümü için bir inhalasyon duraklatma manevrası uyarlanmıştır, bu manevra yalnızca hastanın türettiği solunumun olmadığı ve toplam solunumun ventilatör aracılığıyla kontrol edildiği invaziv mekanik ventilasyon sırasında mümkündür. Non-invaziv ventilasyon sırasında inhalasyon duraklatma manevrasının veya herhangi bir aktif spirometrinin olmaması, pulmoner mekaniğin izlenmesini son derece zorlaştırmaktadır; bu nedenle, sistem kaçakları olsun veya olmasın, komplians ve direnç gibi pulmoner mekaniği %95'in üzerinde genel bir doğrulukla tahmin edebilen makine öğrenimi tekniklerinin geliştirilmesi için yeni bir çerçeve sunuyoruz, bu da klinik müdahale olmadan akciğer mekaniğinin izlenmesine olanak tanıyan ve ventilatör kaynaklı akciğer hasarlarının önlenmesine yardımcı olabilecek yeni bir dijital çerçeveye yol açmaktadır.

Özet (Çeviri)

Noninvasive ventilation (NIV) and invasive ventilation are two distinct approaches to managing respiratory failure and supporting individuals with impaired breathing. These techniques are crucial in critical care medicine and respiratory therapy, offering life-saving interventions for various pulmonary disorders. Noninvasive ventilation represents a method of respiratory support that aids patients without requiring invasive procedures such as endotracheal intubation. It typically involves the use of a noninvasive ventilator or positive airway pressure devices to deliver air or oxygen through a mask or interface, aiding patients in maintaining adequate oxygenation and carbon dioxide removal. NIV has emerged as a preferred choice in various clinical scenarios, including chronic obstructive pulmonary disease (COPD) exacerbations, acute respiratory failure, congestive heart failure, and sleep-related breathing disorders. This approach offers several distinct advantages, such as reduced risk of ventilator-associated pneumonia, improved patient comfort, and the possibility of patient self-management, making it an increasingly valuable tool in respiratory medicine. The emergence of the COVID-19 pandemic in 2020 prompted the creation of numerous affordable, open-source, or readily constructed ventilators for urgent deployment. However, most of the proposed setups constituted of either automation of a hand-operated resuscitator called Bag Valve Mask (BVM), which is limited in its ability for pressure and volume control, or the development of pressurized valve-based mechanisms that require a constant high-pressure input source, making them redundant in scenarios where pressurized air/oxygen source is not available. Furthermore, these solutions are generally catered towards invasive and intubated mechanical ventilation techniques. Turbine-based positive pressure ventilators bridge the gap between portability and advanced therapy modes for pulmonary therapy via non-invasive ventilation. The existing body of literature exhibits a notable paucity of comprehensive examinations concerning the conception, evaluation, and viability of turbine-based non-invasive ventilators as an economically efficient and readily deployable platform for respiratory support. This deficiency in research extends to the exploration of their potential applications in contexts extending beyond emergency situations, particularly in the domain of home care ventilation. This thesis delves into examining and evaluating the creation of a modular respiratory system that can provide continuous positive pressure and Bilevel positive pressure therapy. In the first phase of this research study, a high-pressure turbine-based positive-pressure support, non-invasive ventilator design is proposed. The developed hardware can deliver multi-mode respiratory therapy, namely pressure support and volume-assured pressure support ventilation. The novel modular device works as a non-invasive respiratory support device with novel algorithms developed to maximize patient machine synchronization and robust closed-loop control strategy for pressure therapy during varying pulmonary compliance. In the second part of this research, a novel real-time wireless sensory module technique is presented for advanced respiratory monitoring and control during non-invasive ventilation. The proposed techniques focus on improving the current standards of monitoring and therapy in continuous positive pressure systems utilizing single-limb circuits with passive leak ports. Implementing the proposed wireless pressure and flow monitoring, in conjunction with the developed modular respiratory device, yields enhancements in the device's responsiveness in detecting distinct patient respiratory phases. Furthermore, this setup effectively alleviates the necessity for computational modeling of dynamic leakages, consequently facilitating the precise monitoring of inspiratory and expiratory tidal volumes in Non-Invasive Ventilation (NIV). Notably, these capabilities significantly advance compared to conventional homecare ventilatory support utilizing single-limb passive leak circuits. In the third part of this research, real-time assessment for pulmonary mechanics is performed via Machine learning techniques from data acquired in real-time during non-invasive pressure therapy mode. The pulmonary mechanics are key monitoring parameters for ensuring correct therapy mode and therapy pressure or volume levels are provided for patient care. To date, for pulmonary mechanic measurement, an inhalation pause maneuver is adapted. This maneuver is only possible during invasive mechanical ventilation, where patient-derived breathing is absent, and the total breathing is controlled via the ventilator. The absence of an inhalation pause maneuver or any active spirometry during non-invasive ventilation makes monitoring pulmonary mechanics extremely challenging. Thus we present a novel framework for the development of machine learning techniques that can predict pulmonary mechanics like compliance and resistance with an overall accuracy above 95% with and without system leakages, leading to a novel digital framework that allows for lung mechanics monitoring without clinical intervention and can help save ventilator induced lung injuries.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    406851

    VDDve DDD pacemaker implante edilen hastaların uzun dönem sol ventrikül sistolik fonksiyonlarının ekokardiyografik ve elektrokardiyografik parametrelerinin karşılaştırılması

    Comparison of the echocardiographic and electrocardiographic parameters of long term left ventricular systolic functions in patients who have VDD and DDD pacemaker implantation

    SONGÜL USALP

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Kardiyolojiİstanbul Bilim Üniversitesi

    Kardiyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SABRİ DEMİRCAN

  2. Tez No

    252209

    Viscoelastoplastic modeling of arterial tissue

    Damar dokusunun viskoelastoplastik modellenmesi

    EMİN SÜNBÜLOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TUNCER TOPRAK

  3. Tez No

    688060

    Sağlık alanı için insan robot etkileşimlerinde kullanılacak yumuşak ve rijit yapıda bir hibrit robot manipülatörün geliştirilmesi

    Development of a modular robot manipulator with soft and rigid structure to be utilized in human robot interactions for healthcare

    SEDA ÖZBEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERKİN GEZGİN

  4. Tez No

    647357

    Development of a modular software platform for digital x-ray systems

    Dijital x-ışın görüntüleme sistemleri için modüler bir yazılım platformunun geliştirilmesi

    ALTAY BRUSAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Radyoloji ve Nükleer TıpBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENGİZHAN ÖZTÜRK

  5. Tez No

    424386

    Development of a modular verdet constant measurement system for novel materials

    Bazı materyaller için modüler verdet sabiti ölçüm sistemi geliştirilmesi

    ŞEREF SALIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFatih Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. OSMAN ÇAĞLAR AKIN

Geri Dön