1.3. Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, 2. Genetik ve Biyomühendislik Bölümü,

Transkript

1 Pulsatil Akış sinyalinin AC Pompa ve Oansal Pnömatik Valf kullanaak deneysel olaak benzetimi ve kaşılaştıılması In Vito Pulsatile Flow Wavefom simulation and compaison using AC Pump and Popotional Pneumatic Valve Seda YILMAZ 1, Nuullah ARSLAN 2,Onu TOKER 3, Heman SEDEF Elektik ve Elektonik Mühendisliği Bölümü, 2. Genetik ve Biyomühendislik Bölümü, Fatih Ünivesitesi, 1. Yıldız Teknik Ünivesitesi {syilmaz, naslan, onu}@fatih.edu.t 4. Elektonik ve Habeleşme Mühendisliği Bölümü, Yıldız Teknik Ünivesitesi sedef@yildiz.edu.t Özetçe Böbek yetmezliği olan hastala; fistül veya geft adı veilen ceahi opeasyonla sonasında hemodiyalize alınabilile. Hemodiyaliz, kanın makine ve pompa yadımı ile yapay böbekten süzüleek atık maddelein kandan temizlenmesi ve kanın hastaya gei veilmesi işlemidi. Ateiovenous (AV geft implantasyonu ceahi yöntemle ile atadama ve topladama aasında teflon dama ile köpü oluştuulmasıdı. Bu çalışmamızda AV geft dama ve topladama bölgesinde oluşan kan akış sinyalinin deneysel sistem üzeinde modellenmesi hedeflenmişti. Bu amaca uygun olaak; pompa moto, moto süücü katı, pnömatik valf, vei toplama katı, elektonik akış ölçele ve diğe malzemeleden oluşan kapalı çevim bi kontol deney sistemi kuulmuştu. Geçekleştiilen deneysel çalışmada AC pompa moto ve pnömatik valfin kan akış sinyalinin kapalı çevim ile oluştuulmasındaki pefomanslaı kaşılaştıılmıştı. Elde edilen sonuçla geçek hastaladan alınan AV geft sinyalinin modellenebileceğini göstemişti. Elde edilen sonuçla, AV geft dama ve akış sinyali hemodinamik etkileinin aaştıılması için temel oluştumaktadı. Ayıca çalışmala, gelecekte faklı deneysel sistemlein kuulmasında da yol gösteici ve motive edici olacaktı. Abstact Patients, with enal failue, can be taken to the hemodialysis afte fistula o gaft sugey. In hemodialysis, blood is pumped with the help of the atificial kidney machine and the waste poduct fom the blood is filteed and blood is etuned to the patients afte cleaning pocess. AV gaft implantation is the ceation of a polytetafluooethylene (PTFE bidge a bidge between the ateies and veins. In this study simulation of the pulsatile flow signal in the AV gaft and vein connection is aimed expeimentally. Suitable fo this pupose AC centifugal pump, pump dive cad, pneumatic valve, data acquisition cad, flow metes and othe equipments ae used fo close loop contol mechanism in laboatoy. Pulsatile wavefoms obtained by AC centifugal pump and pneumatic valve pefomance ae compaed to each othe in close loop contol. The esults showed that AV gaft signal can be modeled by AC centifugal pump and pneumatic valve successfully. Cuent study could be a guide and motivation to the establishment of the diffeent expeimental systems in futue. 1. Giiş Hemodiyaliz hastalaında kanın temizlenmesi temelde iki faklı isimle adlandıılı, bu yöntemle hasta üzeinde ceahi opeasyon şekli, atadama-topladama köpülenmesi ve kullanılan malzemelee göe değişi; katete, AV fistül ve AV geft. Tüm bu yöntemlede atadama ve topladama aasında ceahi opeasyon ile yapay bi köpü oluşması sağlanı. AV fistül bağlantısı kol üzeindeki ata ve topladamaın doğudan bibileine bağlanması ile geçekleştiili. AV geft bağlantısı, fistülden faklı olaak aynı kol üzeindeki ata ve topladama Teflon malzemeden imal edilmiş yapa bi dama ile köpüleni. He iki opeasyonunda bibileine göe avantaj ve dezavantajlaı vadı. Yapay damalaın kan akışı ve hemodiyaliz süecinde yıpanması AV geft için kullanım süesini kısaltıken, AV fistül hastalaında hemodiyaliz süecinin hastalaa vediği ahatsızlık oldukça fazladı [1], [2]. Ceahi opeasyon ile oluştuulan AV geft dama bağlantısı hastalaa vediği ahatsızlığın az olması nedeniyle daha fazla tecih edilmektedi. AV geft vasküle yöntem hastala taafından tecih edili olması nedeniyle üzeinde deneysel çalışmalaın yoğunlaşmasına neden olmuştu. Deneysel bi sistemde AV geft vasküle dama bağlantısı ve kan akış sinyali modellenmişti. Modellemede, kan akışı sabit bi hızla sisteme uygulanmış ve model dama içeisindeki tübülans, ayışma noktalaı, duma noktalaı gibi akış bölgelei tespit edilmişti. Geçekleştiilecek AV geft opeasyonlaı ile tübülans etkilei sonasında dama yıpanmalaının azaltılmasına dai sonuçla veilmişti [3]. Yine benze aaştıma, AV fistula vasküle yöntemi üzeine geçekleştiilmişti. Geçekleştiilen çalışmada zamana göe değişen ve sabit hızlada kan akış sinyallei için deney teka edilmişti. Dama içeisindeki hemodinamik etkile Lase Dopple Anemometi (LDA kullanılaak analiz edilmişti. Geçekleştiilen çalışmada faklı Reynold sayılaına bağlı olaak değişen tübülans etkilei veilmişti. Ayıca AV fistül yönteminde dama köpülenmesi sıasındaki bağlantı açısının kan akışı üzeindeki etkilei de otaya konulmaktadı [4]. AV geft vasküle yöntem, faklı ceahi opeasyonla ile geçekleştiilen dama üzeindeki kan akış hızı ve miktaı

2 bakımından 10 kat fazla olabili. Bu nedenle dama içeisinde geçekleşen tübülans etkilei dikkate değe olmaktadı. Tübülans titeşimle sonasında damaın yıpanmasına sebebiyet veebili. Bu amaç doğultusunda geçekleştiilen çalışmada hayvan denekleden alınan kan akış hızı, dama ve kan yoğunluk ölçümlei kullanılaak deneysel sistem oluştuulmuştu. Deneysel sistemle üzeindeki tübülans ve titeşim etkilei LDA yadımı ile incelenmişti. Ayıca çalışmala bilgisayala otamına aktaılaak nümeik olaak tekalanmıştı. Tübülans ve titeşime sebep olan faktöle aaştıma ile otaya konulmuştu [5]. AV geft yönteminde Teflon damaın hemodinamik etkileini aaştımak üzee faklı biçimli 2 Teflon damaın modeli kullanılmıştı. Kullanılan damaladan bii silindiik 6mm çapa sahip iken diğe Teflon dama, konik biçimli ve 4mm ve 7mm çaplaında değişim göstemektedi. He iki dama modeli de faklı basınçladaki kan akış sinyallei için test edilmiş, faklı basınçla ve basınç değişimleindeki üstünlüklei otaya konmuştu [6]. AV geft üzeine geçekleştiilen nümeik bi çalışmada damalaın bibiinden ayılma açısı ve damalaın çaplaına bağlı olaak meydana gelebilecek hemodinamik etkile aaştıılmıştı. Geçekleştiilen çalışmada faklı Reynold sayılaı içinde deneyle teka edilmiş ve sonuçlaı yayınlamıştı [7]. AV geft üzeinde geçekleştiilen deneysel bi çalışmada geçek hemodiyaliz hastalaından alınan kan akış sinyallei deney sistemi üzeindeki model dama üzeinde elde edilmişti. Geçekleştiilen deneysel çalışmada kan akış sinyali zamana göe değişen sinüzoidal dalgala şeklinde sisteme veileek model dama üzeindeki LDA ölçümlei geçekleştiilmişti. Elde edilen çalışmala bilgisaya otamında simülasyon pogamla ile teka edileek deneysel çalışmalaın doğuluğu desteklenmişti [2]. AV geft ceahi opeasyonu hemodiyaliz hastalaı için tecih edilen bi yöntemdi. Tecih edilen bu yöntemde, atatopladama aasındaki teflon damaın daha uzun süeli kullanımını sağlamak için geçekleştiilen dama bağlantılaının açısı, bağlantıda kullanılan yapay damaın çapı ve çapındaki değişimle, ayıca he hasta için faklılaşan Reynold sayısının dama içindeki hemodinamik etkilei AV geft üzeindeki çalışmalaın önemini atımaktadı. Bu amaca yönelik olaak benze çalışmalaa temel teşkil etmesi için çalışmamızda AV geft damaına ait kan akış sinyalinin pompa moto ve pnömatik valf ile modelledik. 2. Mateyalle ve Yöntem 2.1. Deney Sistemi Deney sistemi dinlenme tankı, pompa moto, moto süücü katı, oansal pnömatik valf, 2 adet elektonik akış ölçe, Humusoft vei toplama katı (DAQ, dama modeli ve bilgisayadan oluşmaktadı. Sistem, esimde gösteilen ok yönünde tek yönlü ve kapalı çevim ile akış sağlamaktadı. Pompa moto dinlenme tankındaki akışkanı sisteme ok yönünde haeket edecek şekilde pompala. Motoun devi, moto süücü kat taafından bilgisaya üzeindeki Matlab/Simulink pogamı ile kontol edilmektedi. Akış ölçeleden gelen vei kullanılaak kapalı çevim kan akış sinyali sistemde oluştuulabilmektedi. Dinlenme tankından hemen önce istenilen dama modeli sistem üzeine yeleştiilmişti. Dama modelinde elde edilen kan akış sinyali LDA ile analiz edilebilmektedi. Sisteme ait blok şema şekil de veilmektedi. Şekil 2.1.1: Sistem blok şeması Sistem ile bilgisaya vei bağlantısı Humusoft MF614 vei toplama katı (DAQ ile yapılmıştı. Bu DAQ kat; 8 analog giişe, 4 analog çıkışa ve ayıca 8 bit dijital giiş-çıkışa sahipti. Özellikle geçek zamanlı kontol sağlanması amacıyla Humusoft MF614 vei toplayıcı kat tecih edilmişti. Vei toplama katı ile akış ölçeleden gelen bilgi Matlab/Simulink pogamında işlenmekte ve geekli olan kapalı çevim kontol için AC pompa motoun hız kontolü ya da oansal pnömatik valfin kapalı-açık seviye kontolü geçekleştiilebilmektedi. Akış ölçe-güç ve akış ölçe vei toplayıcı kat aasındaki bağlantı şeması Şekil de veilmişti. Şekil 2.1.2: Akış Ölçele-Güç ve Akış Ölçele-Vei Toplayıcı Kat (DAQ Bağlantısı 2.2. AC Pompa Moto Kontolü Şekil de moto süücü kat vei toplayıcı katın bağlantı şeması veilmişti. Pin 9 ve Pin 10 kullanılaak moto süücü katın vei giişi DAQ katın çıkışı ile bağlanmıştı. Böylece DAQ katın çıkışa göndeeceği geilim doğultusunda moto süücü kat moto pompanın devini kontol edebilmektedi. DAQ kat veilei -10V ve +10V geilim değelei aasında alaak, bilgisayaa aktaı ve bilgisayaın anlık tepkileini kendi üzeinden ve çeviici deve elemanlaından geçieek teka sisteme ileti.

3 y ( i = lo + ( i 1 (3 Son olaakta ds değei sıfıa eşit olu ise y(i nin değei u(i ye eşitleni. Bu duum süesince çıkış değişmez. y ( i = u ( i (4 Şekil 2.2.1: Pompa Moto ve Süücü Kat Bağlantı Şeması Moto süücü katın vei toplama katıyla kontolünün geçekleştiilebilmesi için katalogta veilen fabika ayalaı yapılmıştı. Basit opeatö paneli (BOP ile P1000 komut satıına motoun maksimum hangi fekansa kada çalıştıılacağı bilgisi giilmektedi. P1000 paametesine kaydedilen fekans değeine kaşılık Pin 9 bağlantısından DAQ katından gelen geilim bilgisi motoun istenilen devide çalışmasını sağlamaktadı Oansal Pnömatik Valf Sistemde kullanılan oansal pnömatik valf; ecoflo-gv miko akış kontol vanasıdı. Sıvı, gaz ve buha gibi faklı akışkanlaın kontolünü sağlayabilmektedi. Ünivesitele ve A-Ge laboatualaındaki çalışmala için ideal yapıdadı. Standat olaak üzeinde elekto-pnömatik pozisyone ile oansal olaak akış kontol geçekleştimektedi. 4-20mA analog akım kontolü ile oansal pnömatik valf istenilen seviyele için sistem üzeinde akış geçekleştiebilmektedi. 4mA seviyesinde akım valfi kapalı konuma getiiken 20mA seviyesinde gelen akım sinyali ile tam açık konuma ulaşmaktadı. Elekto-pnömatik pozisyonee göndeilen akım sinyaline bağlı olaak oansal olaak sisteme istenilen seviyede kontollü akış geçekleştii AC Pompa Moto ve Oansal Pnömatik Valf Kontol Algoitması AC pompa moto ve oansal pnömatik valf kontolü için P- dinamik değişim sınılayıcı kontol kullanılmıştı. P-dinamik değişim sınılayıcı (P-DDS deneysel kapalı çevim kontol çalışmalaı sıasında geliştiilmişti. Geleneksel PID kontolden daha başaılı olduğu geçekleştiilen çalışmala ile otaya konmuştu [8]. Dinamik değişim sınılayıcı; blok üzeinden geçen sinyalin 1.deecen tüevini alan matematiksel ifadenin uygulamasıdı. Çıkış sinyalinin attıılması ve azaltılması; değişim sınıı ds in hesaplanması ile sağlanmaktadı. 3. Sonuçla AV geft sinyali hemodiyaliz hastaladan alınan vei kullanılaak elde edilmişti. Hastaladan alınan kan akış sinyal bilgisi Matlab pogamında Fouie dönüşümü kullanılaak katsayılaa çevilmişti. Elde edilen katsayıla ile 19s peiyotlu AV geft kan akış sinyali sistem üzeinde oluştuulmuştu. Sistem üzeinde efeans olaak kullanılan AV geft kan akış sinyali Şekil de veilmektedi. Deney çalışmalaında 100 saniyelik süele ile vei kaydı alınmıştı. Kan akış sinyallei akış ölçelede debi (ml/s ile alınmasına ağmen DAQ kat üzeinde volt biimli genlik bilgisine dönüştüülmektedi. Bu nedenle gafiklede genlik volt (V olaak veilmişti. Şekil 3.1: AV geft kan akış sinyali AV geft Sinyalin AC Pompa Moto ile Eldesi AV geft kan akış sinyalinin elde edilmesinde kullanılan P- dinamik değişim sınılayıcı (P-DDS Simulink kontol bloğu Şekil de veilmektedi. u ( i y( i 1 ds = (1 t ( i t( i 1 u(i ve t(i şimdiki giiş ve zamanını gösteiken, y(i-1 ve t(i- 1 ifadelei bi önceki adımın çıkışını ve zamanını göstemektedi. Sistemin çıkış değeinin hesaplanması için: Eğe ds değei pozitif ise up değei kada pozitif yönde y(i nin atmasına izin veili. y ( i = up + y ( i 1 (2 Eğe ds değei negatif ise lo değei kada y(i nin azaltılmasına izin veili. Şekil 3.1.1: AC pompa ile AV geft kan akış sinyali. Kontolün geçekleştiilmesi amacıyla Kp katsayısı ve up ve lo DDS katsayılaı el ile adapte edilmişti. Kp=22, up=0,3 ve lo=0,6 olaak ayalandığında efeans sinyal ile akış ölçeleden elde edilen sinyallein eşleşme pefomanslaının yüksek olduğu Şekil de göülmektedi. AC pompa motoun ön çalışmala ile elde edilen P ve DDS katsayılaı

4 (Kp,up ve lo sistemi başaılı bi şekilde kontol edebilmektedi. veilmektedi. Elde edilen mutlak değe fakla Şekil de veilmişti. Şekil 3.1.2: AC pompa moto P-DDS kontol bloğu AV geft Sinyalin Oansal Pnömatik Valf ile Eldesi AV geft kan akış sinyalinin elde edilmesinde kullanılan P- dinamik değişim sınılayıcı (P-DDS Simulink kontol bloğu Şekil de veilmektedi. Kontolün geçekleştiilmesi amacıyla Kp katsayısı ve up ve lo DDS katsayılaı el ile adapte edilmişti. AC pompa motodan faklı olaak Kp=20, up=0,06 ve lo=0,07 olaak ayalandığında efeans sinyal ile akış ölçeleden elde edilen sinyallein eşleşme pefomanslaının yüksek olduğu Şekil de göülmektedi. Şekil 3.2.1: Pnömatik valf P-DDS kontol bloğu. Şekil 3.2.2: Pnömatik valf AV geft kan akış sinyali. Oansal pnömatik valf için kontol bloğunda kullanılan Kp, up ve lo katsayılaı sistemin başlangıç anında efeans sinyale uyum göstemekte zolansa dahi sonaki peiyotla da eşleşme pefomansının oldukça başaılı olduğu şekil üzeinde göülmektedi AC Pompa Moto ve Oansal Pnömatik Valfin Kaşılaştıılması Hebi kontol yöntemi 100 saniye süesince devam eden deneyle ile kaşılaştıılmıştı. AC pompa motoun ve oansal pnömatik valfin pefomansının hesaplanabilmesi için he iki sinyalin efeans sinyal ile mutlak değe faklaı alınmıştı. Hesaplamala için kullanılan denklemle (4 ve (5 te Şekil 3.3.1: AC pompa moto ve pnömatik valf hata gafiklei. f f mhata vhata ( f ( u f ACmoto( u ( f ( u f ( u = abs (4 = abs (5 valf AC moto ve pnömatik valfin toplam hatalaını elde etmek için (6 ve (7 numaalı denklemle kullanılmaktadı. mhata = vhata = n k= 1 n k= 1 abs abs ( f u f ( u ( (6 ACmoto ( f u f ( u ( (7 valf Tablo 1: Bi tablo öneği AC moto hata değei (V Pnömatik valf hata değei (V 7059,7 7383,4 AC pompa motoun ve pnömatik valfin pefomanslaında gözle göülü bi fak olmamasına ağmen Şekil de bu fak daha anlaşılı hale gelmişti. AV geft sinyalinin tepe noktasında da AC moto ve pnömatik valf için yüksek miktada hata göülmektedi. He iki sistem kontolünde de 2s sistem tepki gecikmesi bulunmaktadı. 4. Tatışma Yapılan çalışmada, AC pompa motoun ve oansal pnömatik valfin AV geft kapalı çevim kan akış sinyalini oluştumadaki yöntemlei ve çalışmalaın sonunda da başaılaı gösteilmişti. AC pompa motoun pefomansının pnömatik valf ile geçekleştiilen çalışmadan daha başaılı olduğu sonuçlada göülmektedi. Modelleme çalışmalaının LDA ile desteklenmesi sonasında, AV geft dama bağlantı açısı ve yıpanmasındaki hemodinamik etkile üzeine geliştiilebili. Faklı damalaa ait kan akış sinyalleinin elde edilmesi ve modellenmesi ile bu damalaa ait hastalıklaın tanı ve tedavisinde yeni yaklaşımlaın geliştiilebilecek olması motive edicidi. Gelecekte yapılacak benze çalışmala için elde ettiğimiz sonuçla, yol gösteici olacaktı. 5. Kaynakça [1] F.Loth, P.F.Fische, N.Aslan, C.D.Betam, S.E.Lee, T.J.Royston, W.E.Shaalan, H.S.Bassiouny, Tansitional Flow at the Venous Anastomosis of an Ateiovenous Gaft: Potential Activation of the ERK1/2 Mechanotansduction Pathway Jounal of Biomechanical Engineeing, Vol.125, 49-61, [2] N.Aslan, F.Loth, C.D.Betam, H.S.Bassiouny, Tansional flow field chaacteization inside an

5 ateiovenous gaft-to-vein anastomosis unde pulsatile flow conditions Euopean Jounal of Mechanics B/Fluids, 24, , [3] N.Aslan, A.B.Şengül, Flow Chaacteization Inside a Complex AV Gaft to Vein Connection Jounal of Biomechanics, 41(S1, July [4] S.Sivanesan, T.V.How, R.A. Black, A.Bakan, Flow Pattens in The Radiocephalic Ateiovenous Fistula: an in Vito Study, Jounal of Biomechaics, 32, , [5] S. W. Lee, P. F. Fische, F. Loth, T. J. Royston, J. K. Gogan, H. S. Bassiouny, Flow-induced Vein-wall Vibation in an Ateiovenous Gaft, Jounal of Fluids and Stuctues, 20, , [6] I. V. Ticht, D.D. Wachte, J.Todoi, P. Vedonck, Hemodynamics in A Compliant Hydaulic in Vito Model of Staight Vesus Tapeed PTFE Ateiovenous Gaft, Jounal of Sugical Reseach, 116, , [7] S. W. Lee, D. S. Smith, F. Loth, P. F. Fische, H. S. Bassiouny, Impotance of Flow Division on Tansition to Tubelence Within an Ateiovenous Gaft, Jounal of Biomechanics, 40, , [8] S.Yılmaz, O.Toke, N.Aslan, H.Sedef, C.Ulaş, PID ve P-Dinamik Değişim Sınılayıcı (P-DDS ile Debi Kontolü, Tükiye Otomatik Kontol Ulusal Toplantısı 2009, İstanbul, 153, Oct