BULANIK MANIK KONROLLÜ ERMOELEKRİK BEYİN SOĞUUCUSU A.Hakan YAVUZ 1, Raşit AHISKA 2,Mahmut HEKİM 3 1Niksar Mslk Yükskokulu,Gaziosmanpaşa Ünivrsitsi Niksar,okat 2knik Eğitim Fakültsi,Elktronik Bilgisayar Eğitimi Bölümü, Gazi Ünivrsitsi Bşvlr,Ankara 3 Niksar Mslk Yükskokulu,Gaziosmanpaşa Ünivrsitsi Niksar,okat 1 -posta: hyavuz@gop.du.tr 2 -posta: rahiska@gazi.du.tr 3 -posta: mhkim@gop.du.tr Anahtar Sözcüklr: rmolktrik, Byin Soğutma, Hypothrmia, Byin ravması ABSRAC İn this study, it has bn mphasizd on thrmolctric brain coolr which hlps brain to b coold from outwards to us carnio-srbral Hypothrmia mthod usd frquntly to protct brain spcially in Arcus Aort oprations, during brain taruma or aftrwards. h aim of Hypothrmia is to hlp th body to protct itslf with th intntion of rducing th mtabolic vlocity and th consumption of oxygn. mpratur control of brain coolr dsignd in a shap of hlmt and running with DC voltag has bn producd with fuzzy logic. his machin DC is a machin that anyon can us in th transport dvics du to its portabl and running with low voltag and also it is suitabl for clinic conditions. 1.GİRİŞ Dünyada olduğu gibi ürkiy d d trafik kazaları sonucunda insanların ölmsi v sakatlanması büyük sorun oluşturmaktadır. rafik kazaları n çok byin travmaları v travma sonrası sakatlıklara ndn olmaktadır. Dünyada travma sonrası byin tdavisi v korunması için çşitli yöntmlr uygulanmaktadır. ravmatik byin hasarı ilk yardım sürcind, yoğun bakım ünitlrind olduğu kadar acil srvislrdki hkimlrin d üstsindn glmlri grkn başlıca sorunlardandır. Byin travmalı bir hastada ilk müdahal hasta acil srvis gldiğind vya yoğun bakıma alındığında dğil travmanın olduğu yrd başlamalıdır. Hastaya travma anından, dvamlı tdavisinin yapılacağı kliniğ gidn kadar ulaşımın hr aşamasında sistmatik v hızlı yaşam dstği başlamalı v sürdürülmlidir. ravma hastalarının % 20 sinin ilk travma anında vya nakil sırasında kaybdildiklri, buna da n çok hipotansiyon v hipoksinin sbp olduğu düşünülürs bu hastaların rkn tanı v tdavisinin n kadar önmli olduğu anlaşılır. Dvlt İstatistik Enstitüsü nün (DİE) vrilrin gör ülkmizd d trafik kazalarında byin travmalarına bağlı ölümlr tüm kayıplar arasında önmli bir orana sahiptir. Dünyada travma sonrası byin tdavisi v korunması için Kranio-Srbral Hipothrmia (KSH) yöntmi uygulanmaktadır. Hipotrmiya dokuların oksijn tüktimini azaltarak organizmayı v özllikl byni hipoksinin ölümcül tkisindn korumaktadır. ravmalı bynin oksijn grksinimi normal byindn daha fazladır. Normal byind tolr dilbiln bir hipoksi sınırı, travmalı byind bir hasar mydana gtirbilir. Bu ndnl başlangıç tdavisi çok önmlidir. Erkn tdavi ytrli srbral oksijnizasyon için öncliklidir. Hipoksinin önlnmsi n önmli problmlrdn biridir.[1-4] Arkus aort crrahisind d bynin korunması n önmli problmlrdn biridir. Santral sinir sistminin iskmik v mbolik köknli lzyonları v kontrol altına alınamayan priopratif kanamalar aort crrahisind morbidit v mortalityi artıran önmli problmlrdndir. Santral sinir sistminin nrji ihtiyacı arobik glikoz il karşılandığı için byn gidn oksijnin azalması yada ksintiy uğraması sonucu normotrmik koşullarda 3-5 dakika gibi kısa sürd iskmik srbral hasara yol açabilmktdir. Bu ndnl santral sinir sistmini iskmik hasardan korumaya yönlik çşitli mtotlar gliştirilmiştir. Bu yöntmlr içind n çok kullanılanı drin hipotrmiyadır. Bunun yanında çşitli yardımcı mtotlar da gliştirilmiştir. Arkus aort crrahisind hipotrmiya kuru sakin bir crrahi ortam sağlaması açısından crraha büyük bir kolaylık sağlar. Hipotrmiyanın koruyucu tkisi ısı yüzyi olarak hücr içi nzimatik raksiyonların v mtabolik hızın azalması tmlin dayanır. Dokuların oksijn v yüzy grksinimlri orantılı
olarak azalır hipotrmiyanın yüksk nrji fosfatları üzrindki tkisi ispatlanmıştır. [5-6] Hipotrmiyanın n blirgin amacı yukarıda blirtildiği gibi kafa travması sonucunda vya açık kalp amliyatı snasında mtabolik hızı v oksijn ihtiyacını azaltarak organların korunmasını sağlamaktır. Byin iskmik hasara n yatkın organdır. KPB sırasında oluştuğu varsayılan düşük kan akımı v mbolik olaylar iskminin önmli sbplri olarak ön plana çıkmıştır. Hipotrmiya bynin oksijn ihtiyacını azaltarak iskmiy karşı koruyucu bir tki oluşturur. Byin travmalarında KSH kullanılmasının bir avantajı da bu yöntmin çok basit v klinik koşullara uygun olmasıdır. Byin hipotrmiyasındaki tml problm bynin hızla(ilk 1 saat) grkn sıcaklığa kadar soğutulması v bu sıcaklıkta kontrollü bir şkild uzun sür tutulmasıdır. Kabul dilbilir sıcaklık hatası ±0.5 C dir. Bu problmlri çözmk amacıyla, dc griliml çalışabiln, bu ndnl nakil araçlarında kolaylıkla kullanılabilck, kaza yrin taşınabilck, klinik koşullara uygun, istnildiğind sadc polarityi dğiştirmk surtiyl sıcak soğuk yüzylri dğişbiln bir cihaz tasarlanacaktır. Cihaz bir kask şklind olup tasarımında 120 adt snk trmolktrik modül kullanılmıştır. Kullanılan modüllr sri olarak bağlanmıştır v 40 Ampr kadar akım çkmktdirlr. Kaskın sıcaklık kontrolü is bulanık mantık kullanılarak yapılacaktır. asarlanacak cihaz il bynin sıcaklığını 22-26 C v daha aşağı sıcaklıklara kadar soğutmak mümkün olacaktır. Bu da KSH mtodunun şsiz üstünlüğünü oluşturmaktadır. Ayrıca bu cihazın kalp v damar crrahisind kullanılabilirliğinin sasını tşkil dr. Bu cihaz acil nöroloji crrahisind kullanılabilir. Özllikl ağır kafa travması sonucu byin ödmi mydana glmsindn dolayı kalp v solunum fonksiyonları bozulan hastalara KSH sağlamak için kullanılabilir. 2. SİSEMİN ANIMLANMASI asarımı yapılacak sistmin blok diyagramı aşağıdaki gibidir. DC G.K Sürücü Dvr Bul. M.D. Şkil-1. Sistm blok diyagramı r.el. Soğut. DC Güç Kaynağı, Cihazın taşınabilir v boyutlarının küçük olması için anahtarlamalı güç kaynağı kullanılacaktır. (0-40 A ayarlı 0-12 V ayarlı) Sürücü Dvr, Sürücü dvr H-Köprü mosft sürücü dvrsidir. Bulanık mantık dntlyicisindn gln darb gnişlik modülasyonu oranına gör trmolktrik soğutucuya aktarılan akım miktarını dğiştirmkl görvlidir. rmolktrik soğutucu, snk trmomodüllrdn oluşur. DC bir grilim uygulandığında trmo lmntlrd bir soğuk bir sıcak yüzy mydana glir. Uygulanan grilimin polaritsi dğiştirildiğind sıcak v soğuk yüzylr dğişir. Bulanık Mantık Dntlyici, rmolktrik soğutucunun akımını çok farklı şkillrd kontrol tmk mümkündür. Günümüzd özllikl klasik kontrol v bir uygulaması olan PID kontrol yaygın bir şkild kullanılmaktadır. Fakat linr olan bu kontrol tkniklri linr olmayan sistmlrd kötü prformans srgildiklrindn yni arayışlar için girilmiştir. Yapay zka tkniklrinin ortaya çıkması il birlikt insan düşüncsinin mantıksal v szgisl ya da objktif taraflarını kullanan mtotlar gliştirildi. Bu tkniklrdn biri olan bulanık mantık birçok alanda kullanıldığı gibi linr olmayan sistmlrin tkili bir şkild kontrolün d imkan tanımaktadır. İnsanın yapabildiği karar vrm v öznllik gibi ytnklri programlamaya imkan vrn bulanık mantık bu özlliği il sistmin yapısında olabilck bozucu tkilri tolr dr. Bulanık mantığın bir diğr üstünlüğü d sistmin matmatiksl modlinin kurulmasının imkansız olduğu durumlarda bil prformansı dğişim göstrmz. Günümüzd mikroişlmci tknolojisinin glişimi il birlikt d ucuza mal diln kolay bir kontrolcü tasarımına imkan sunmaktadır.[7,8,9]. rmolktrik soğutucunun kontrolü için yapay zka tkniklrindn biri olan v akım kontrolü için çoklukla trcih diln bulanık mantık kullanılacaktır. Böylc snk, matmatiksl modldn bağımsız, ksin olmayan dataları tolr dbiln, linr olmayan durumda bil iyi sonuçlar vrbiln, glnksl kontrol tkniklri il koordinli çalışabiln v doğal dil tabanlı bir kontrol sistmi oluşturulacaktır. 3. ERMOELEKRİK SOĞUUCU Hrhangi bir trmolktrik cihaz vya sistmin tmlind trmolmntlrdn oluşan trmolktrik modül bulunmaktadır. Bir trmolktrik modül trmolmntlrin lktriksl olarak sri v trmal olarak parall bağlanmasıyla mydana glir.
3.1.rmolmnt Bir trmolmnt, n v p tipi yarıiltknlrin, Şkil 1 d göstrildiği gibi, bir iltknl (Bakır) lktriksl olarak sri bağlanmasıyla oluşur. Burada n tipi yarıiltkn trmolmnt in ngatif, p tipi yarıiltknd trmolmntin pozitif kolları olarak tanımlanır. Bir trmolmntin çalışma prnsibin bakılırsa, ğr trmolmnt Şkil 1 dki gibi DC bir grilim uygulanırsa, yük taşıyıcıları, nrji sviysi düşük olan üsttki bakırdan yarıiltkn gçrlr. Bakır il yarıiltkn arasında mvcut olan nrji duvarını aşmak için lktron v dliklr bakırın örgüsündn nrji sağlarlar. Böylc üsttki bakırın sıcaklığı düşcktir. Alttaki bakıra glinc, yüksk nrji sviysindn düşük nrji sviysin gçn yük taşıyıcıları sahip oldukları fazla nrjiyi alttaki iltkn aktararak ısınmasına ndn olacaktır. Bu gçiş sırasında soğuyan yüzydn ısı milirkn soğuk yüzyin sıcaklığı düşck, ısının pompalandığı sıcak yüzyin sıcaklığı is artacaktır. Dvry uygulanan akımın yönü dğiştirilirs soğuyan yüzy ısınır, ısınan yüzy soğur. Eğr çalışan bir trmolmntin sıcak yüzyind açığa çıkan ısıyı hrhangi bir ısı transfr sistmiyl çvry yayarak 1 sıcaklığı sabit tutulursa dvrdn gçn I akım şiddtin bağlı olarak soğuk yüzy sıcaklığı blli bir 2 dğrin kadar düşr. Bir trmolmnt üzrindn gçn akım şiddti sabit tutulduğunda 2 sıcaklığının dğri soğuk yüzy gln v miln Q Y ısı yükün bağlıdır. Bu ısı yükü çvrdn v sıcak lvhadan soğuk lvhaya ısı iltimindn dolayı gln v trmolmnt dvrsindn gçn akım şiddti tkisi il açığa çıkan Joul ısısından oluşur. Q Y rmolktrik modüllr gnld alan sınırlamasının olduğu, güvnilirliğin önmli olduğu v zararlı soğutucu gazların kullanılmasının istnmdiği ortamlarda trcih dilirlr. rmolktrik soğutucu, DC griliml çalışmakla brabr akım yönünün dğiştirilmsiyl soğutma vya ısıtma rjimin kolayca gçbilmktdir. Soğutma, trmolktrik modülün bir yüzyindki ısının diğr yüzy taşınmasıyla grçklşmktdir. Şkil 3 d bir trmolktrik modülün yapısı görülmktdir.[12,13]. n v p tipi lmanlar Soğuk yüzy (Soğutulacak hacim) n p n p n p n p n p n p n p Sıcak yüzy (Isı yayıcı) + - Elktriksl izolatör (İyi ısıl iltkn) Elktriksl iltkn Şkil-3. rmolktrik modülün yapısı 4.DENELEYİCİ ASARIMI asarlanan sinirsl bulanık mantık dntlyicisi sıcaklık hatası v sıcaklık hata dğişimi olmak üzr iki giriş v trmolktrik soğutucuya uygulanacak akım dğrini ayarlamak için kullanılan bir adt çıkış dğişknin ( f ) (DGM Sinyali ) sahiptir. Burada rfrans sıcaklık il, ölçüln sıcaklık arasındaki fark, c is o anki hata il bir öncki hata arasındaki farktır. c Isı aşıyan Elktron aşıyıcıları n p - + Bakır =, = ( k) ( k 1) rf o c I + - Şkil-2. rmolmntin yapısı rmolmntlrdn oluşan bir modülün maksimum akım şiddtinin dğri trmolmntin ürtimind kullanılan trmolktrik yarıiltknlrin kalitsin, boyutlarına v yapısal özlliklrin gör dğişir. [10,11,12]. 3.2.rmolktrik modül Onlarca trmolmnt, lktriksl olarak sri, trmal olarak parall bağlanarak çşitli amaçlar için çşitli büyüklüklrd trmolktrik modüllr ld dilmktdir. rmolktrik modüllr, harktli parçası olmayan küçük birr ısı pompasıdırlar. c rmolktrik Soğutucu İçin Bulanık Modl Şkil-4. Bulanık Modl Sistm kontrolü için oluşturulan modlind hr bir giriş dğişkni için 5 adt üylik işlvi sçilmiş v üçgn tip üylik işlvi il tanımlanmıştır. anımlanan dilsl dğişknlr v sınırları ablo 1 d göstrilmktdir. Çıkış dğişkni için is 5 adt üylik işlvi blirlnmiştir. Bu dğrlr aşağıda ablo 2 d göstrilmktdir. [-1,1] Aralığında tanımlanmıştır. f
Bşr adt giriş dğişknlri il ilgili toplam 25 adt kural oluşturulmuştur. Bu sıcaklık dğrlri laboratuar ortamında ld dilmiştir. ablo-1. Giriş Hata v Hata Dğişimi Üylik Fonksiyonları grkmktdir. Bu amaçla laboratuar ortamında ld diln dnysl sonuçlar aşağıda tablo halind göstrilmiştir. ablo-3. rmolktrik soğutucu akım dğişimin gör ölçüln soğuk yüzy sıcaklıkları NB NEGAİF BÜYÜK [-999-0.5-0.25] NK NEGAİF KÜÇÜK [-0.5-0.25 0] S SIFIR [-0.25 0 0.25] PK POZİİF KÜÇÜK [0 0.25 0.5] PB POZİİF BÜYÜK [0.25 0.5 999] ablo-2. Çıkış Üylik Fonksiyonları NB NEGAİF BÜYÜK [-1-0.625-0.25] NK NEGAİF KÜÇÜK [-0.5-0.25 0] S SIFIR [-0.25 0 0.25] PK POZİİF KÜÇÜK [0 0.25 0.5] PB POZİİF BÜYÜK [0.25 0.625 1] Giriş v çıkış hata fonksiyonları v kural tablolarına gör ld diln bulanık yüzy aşağıdaki gibidir. Zaman 5A 10A 15A 20A 25A 30A 0.00 16.99 17.09 17.05 17.23 17.20 17.19 0.50 12.06 10.22 7.67 5.60 3.79 2.44 1.00 9.94 7.43 3.62 0.7-1.56-3.32 1.50 9.12 6.26 2.05-1.19-3.82-5.62 2.00 8.86 5.87 1.5-1.95-4.78-6.39 2.50 8.68 5.76 1.15-1.75-4.91-6.66 3.00 8.70 5.71 1.16-2.09-5.03-6.87 3.50 8.63 5.67 1.09-2.13-5.28-6.75 Bulanık mantık kullanmak surtiyl trmolktrik soğutucunun sıcaklık kontrolü yapılabilir. Bu şkild, rmolktrik soğutucunun kontrolü için yapay zka tkniklrindn biri olan v akım kontrolü için çoklukla trcih diln bulanık mantığın kullanılabilirliği göstrilmiştir. Anfis mtodu il ölçülmüş datalar kullanılarak üylik fonksiyonlarının optimum dğrlri tspit dilrk yni üylik fonksiyonlarına gör ynidn programlanıp daha iyi sonuçlar ld dilbilir. Böylc snk, matmatiksl modldn bağımsız, ksin olmayan dataları tolr dbiln, linr olmayan durumda bil iyi sonuçlar vrbiln, glnksl kontrol tkniklri il koordinli çalışabiln v doğal dil tabanlı bir kontrol sistmi oluşturulmuş olacaktır. KAYNAKLAR [1] Katz L. M, Younga, A.S.,Franka, J.E., Wanga, Y., Park, K..Rgulatd Hypothrmia rducs brain oxidativ strs aftr hypoxic-ischmia. BRAİN RESEARCH, 1017 85-91,2004. [2] Gal, R., Cundrl, I., Zimova, I.. Smrcka, M., Mild hypothrmia thrapy for patints with svr brain injury.clinical NEUROLOGY AND NEUROSURGERY, 104 318-321 2002. Şkil-5. Bulanık Kontrol Yüzyi 5.SONUÇLAR VE ÖNERİLER Yapılan çalışma nticsind ld diln cihazın hastalar üzrind uygulanabilmsi için cihazın sıcaklık karaktristiklrinin iyi blirlnmsi [3] Clifton,G.L., Hypothrmia and svr brain injury.j. NEUROSURGERY, 93(4): 718-719,2000. [4] Clifton,G.L., Stvn. A., Brry, J., Koch, S., m., Systmic Hypothrmia in tratmnt
of brain injury.journal of Nurotrom, 9(2): 487-495,1992. [5] Midulla PS,Gandsas A,Sadghi AM,t al: Compaison of rtrograd crbral prfusion to ntgrad crbral prfusion and hypothrmic circulatory arrst in achronic porcin modl.j Card Surg 1994;9:560-575. [6] Yüksl AAY, Ömr EİK,Uğur GÜRCÜN, Kardiyovaskülr oprasyonlarda sirkülatuar arrsti başlatmada rktal ısı il lktrosrbral sssizliğin karşılaştırılması, GKDC DERGİSİ 1997;5:236-241. [7] Silr, L., Ying, H., Fuzzy Control hory. Elsvir, FUZZY SE AND SYSEMS 33, 1989 pp 275-290. [8] Jantzn, J., uning of Fuzzy PID Controllrs. ECH. REPOR no:98, Dnmark 1998. [9] Ç. Elmas., Yapay Sinir Ağları. Ankara, 2003. [10] B.Mumyakmaz, K.Vardar, Dsign of a Fuzzy Logic Controllr For DC Motor Spd Control. IKECCO 2004, INERNAİONAL CONFERENCE ON ELECRONİCS AND COMPUER, April 2004, Bishkk, Kyrgyzstan, 2004 [10] Ahıska, R., Patnt, EP,A61,F7\00, 18 Octobr, 1993. [11] Kapıdr M., Mikrodntlyicili rmohipotrm ıp Cihazı asarımı v Grçklştirilmsi. Doktora zi,2005 [12] Ahıska, R.,Ciylan, B.,Savaş, Y., Gülr, İ., Standart rmolktrik Modülün Z Paramtrsinin Ölçülmsi için Yni Yöntm v Sistm. Gazi Ünivrsitsi MÜHENDİSLİK FAKÜLESİ DERGİSİ, 19(4):467-473 2004. [13] Ahıska,R., Gülr, İ., Savaş, Y., rmolktrik soğutucunun özlliklrinin araştırılması., POLİEKNİK DERGİSİ,2 (3):89-94,1999.