Santrifüj sol ventriküler bir destek cihazının hemolitik ve hidrolik performans optimizasyonu
Hemolytic and hydraulic performance optimization of a centrifugal left ventricular assist device
- Tez No: 1016095
- Danışmanlar: PROF. DR. RAFET YAPICI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Konya Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Ventriküler destek cihazlarının geliştirilmesinde hidrolik performans ve kan uyumluluğu temel performans kriterleri arasında yer almaktadır. Bu tez çalışmasında, sol ventriküler destek cihazlarında (LVAD) kullanılmak üzere tasarlanan bir santrifüj kan pompasında hidrolik ve hemolitik performansın eş zamanlı olarak iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, çark geometrisinin hidrolik verim ve hemoliz indeksi üzerindeki etkileri hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) tekniği ve deneysel çalışmalar ile incelenmiştir. Tez çalışması kapsamında ilk olarak, sayısal hemoliz tahmin yaklaşımının belirlenmesi amacıyla Amerika Birleşik Devletleri Gıda ve İlaç İdaresi tarafından tanımlanan kıyaslama santrifüj kan pompası modeli üzerinde HAD analizleri gerçekleştirilmiş ve kuvvet yasası hemoliz modelinde farklı kayma gerilmesi tanımları ile katsayı setleri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Daha sonra fizyolojik çalışma koşullarını sağlayan bir temel santrifüj kan pompası modeli geleneksel türbomakine tasarım yöntemleri kullanılarak tasarlanmıştır. Temel pompa geometrisi esas alınarak, çark kanadı geometrisini tanımlayan kanat giriş açısı, kanat çıkış açısı, kanat giriş yüksekliği, kanat çıkış yüksekliği ve kanat kalınlığı tasarım değişkenleri olarak belirlenmiştir. Tasarım uzayı Latin hiperküp örnekleme yöntemi kullanılarak örneklenmiş ve parametrik tasarım varyasyonları oluşturulmuştur. Oluşturulan tasarım varyasyonlarının basınç farkı, hidrolik verimi ve hemoliz indeksi HAD analizleri ile belirlenmiş ve elde edilen sayısal veriler kullanılarak uyarlamalı ağ tabanlı bulanık çıkarım sistemi (ANFIS) tabanlı modeller oluşturulmuştur. Bu modeller genetik algoritma (GA) ile gerçekleştirilen optimizasyon sürecinde vekil modeller olarak kullanılmış ve hidrolik verim ile hemoliz indeksini birlikte ele alan optimum çark geometrisi belirlenmiştir. Temel ve optimum pompa geometrilerine ait hidrolik ve hemolitik performanslar, farklı çalışma koşullarında gerçekleştirilen HAD simülasyonları ile incelenmiştir. Sayısal olarak elde edilen temel ve optimum pompa geometrilerinin deneysel olarak incelenebilmesi amacıyla modüler bir LVAD prototipi geliştirilmiş ve üretilmiştir. Temel ve optimum çark geometrilerine sahip prototiplerin hidrolik ve hemolitik performanslarını belirlemek amacıyla hidrolik performans testleri ve in vitro kan testleri gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması sonucunda, LVAD'lerde kullanılan santrifüj kan pompalarında hidrolik ve hemolitik performansın eş zamanlı olarak iyileştirilebileceği sayısal ve deneysel bulgularla ortaya konmuştur. Temel ve optimum pompa geometrilerine ait hidrolik ve hemolitik performanslar, farklı dönme hızları ve debilerde gerçekleştirilen HAD simülasyonları ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. ANFIS-GA tabanlı optimizasyon yaklaşımı sonucunda elde edilen optimum çark geometrisinin, temel tasarıma kıyasla tasarım noktasında (4500 dev/dak, 5 L/dak) basınç farkını %7,2 ve hidrolik verimi %2,4 artırırken hemoliz indeksini %4,78 azalttığı HAD analizleri ile belirlenmiştir. Deneysel hidrolik performans testlerinde, çalışma aralığı içerisinde her iki pompa geometrisi için maksimum pompa-motor sistem veriminin 5000 dev/dak dönme hızında ve 5,76 L/dak debide elde edildiği belirlenmiştir. Bu koşullarda maksimum pompa-motor sistem verimi temel çark geometrisine sahip prototip için %13,81, optimum çark geometrisine sahip prototip için ise %14,73 olarak belirlenmiştir. Tasarım noktasında gerçekleştirilen in vitro kan testlerinde optimum çark geometrisine sahip LVAD prototipi için normalize edilmiş hemoliz indeksi değeri 0,353 g/100 L, temel çark geometrisine sahip prototip için ise 0,426 g/100 L olarak belirlenmiştir. Ayrıca tasarım noktasında HAD analizleri ile deneysel ölçümler arasında basınç farkı değerleri açısından temel ve optimum prototipler için sırasıyla %2,05 ve %4,83 fark elde edilmiş; böylece sayısal sonuçların deneysel verilerle iyi uyum gösterdiği anlaşılmıştır. Elde edilen bulgular, çark kanadı geometrisinin santrifüj kan pompalarında hidrolik ve hemolitik performansın iyileştirilmesi açısından kritik bir tasarım parametresi olduğunu göstermektedir
Özet (Çeviri)
Hydraulic performance and hemocompatibility are among the primary performance criteria in the development of ventricular assist devices. This thesis aims to simultaneously improve the hydraulic and hemolytic performance of a centrifugal blood pump designed for use in left ventricular assist devices (LVADs). To this end, the effects of impeller geometry on hydraulic efficiency and the hemolysis index were investigated using computational fluid dynamics (CFD) techniques and experimental studies. In this thesis, CFD analyses were first performed on the benchmark centrifugal blood pump model defined by the United States Food and Drug Administration to determine the numerical hemolysis prediction approach, and different shear stress definitions and coefficient sets in the power-law hemolysis model were comparatively evaluated. Subsequently, a baseline centrifugal blood pump model that provides physiological operating conditions was designed using conventional turbomachinery design methods. Based on the baseline pump geometry, the blade inlet angle, blade outlet angle, blade inlet height, blade outlet height, and blade thickness were defined as the design variables. The design space was sampled using the Latin hypercube sampling method, and parametric design variations were generated. The pressure difference, hydraulic efficiency, and hemolysis index of the generated design variations were determined using CFD analyses, and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) based models were created using the obtained numerical data. These models were used as surrogate models in the optimization process performed with a genetic algorithm (GA), and the optimum impeller geometry, which considers both hydraulic efficiency and hemolysis index, was determined. Hydraulic and hemolytic performances of the baseline and optimum pump geometries were investigated using CFD simulations performed under different operating conditions. A modular LVAD prototype was developed and manufactured to enable experimental investigation of the numerically obtained baseline and optimum pump geometries. Hydraulic performance tests and in vitro blood tests were conducted to determine the hydraulic and hemolytic performances of the prototypes with baseline and optimum impeller geometries. The results of this thesis demonstrate, through numerical and experimental findings, that hydraulic and hemolytic performance can be simultaneously improved in centrifugal blood pumps used in LVADs. The hydraulic and hemolytic performances of the baseline and optimum pump geometries were comparatively evaluated using CFD simulations performed at different rotational speeds and flow rates. CFD analyses showed that the optimum impeller geometry obtained using the ANFIS-GA based optimization approach increased the pressure difference by 7.2% and the hydraulic efficiency by 2.4%, while reducing the hemolysis index by 4.78% at the design point (4500 rpm, 5 L/min) compared with the baseline design. In the experimental hydraulic performance tests, it was determined that the maximum motor–pump system efficiency for both pump geometries within the operating range was obtained at a rotational speed of 5000 rpm and a flow rate of 5.76 L/min. Under these conditions, the maximum motor-pump system efficiency was determined to be 13.81% for the prototype with the baseline impeller geometry and 14.73% for the prototype with the optimum impeller geometry. In the in vitro blood tests performed at the design point, the normalized hemolysis index was 0.353 g/100 L for the LVAD prototype with the optimum impeller geometry and 0.426 g/100 L for the prototype with the baseline impeller geometry. In addition, at the design point, differences of 2.05% and 4.83% were obtained for the baseline and optimum prototypes, respectively, in terms of pressure difference between the CFD analyses and the experimental measurements; thus, it was concluded that the numerical results showed good agreement with the experimental data. The results indicate that impeller blade geometry is a critical design parameter for improving hydraulic and hemolytic performance in centrifugal blood pumps.
Benzer Tezler
- Kurbağa gastrik mukozasında K-H ATPaz enziminin kinetik özellikleri ve oluşturulan ülser modelinde enzim aktivitesi
Başlık çevirisi yok
SEYHAN TÜKEL
- Yerli yapı bazı santrifüj pompalarda işletme hızı ve çark çapı değişiminin pompa karakteristiklerine etkileri üzerinde bir araştırma
Başlık çevirisi yok
BÜLENT EKER
Doktora
Türkçe
1983
Makine MühendisliğiAnkara ÜniversitesiTarımsal Mekanizasyon Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHRİ GÖKÇEBAY
- Trombositlerin glukoz utilizasyonu üzerine aspirin, persantin ve indobufenin etkisinin araştırılması
Başlık çevirisi yok
EMİNE YAZGAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
BiyokimyaUludağ ÜniversitesiFizyoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KASIM ÖZLÜK
- Büyüme faktörü olan çeşitli endojen maddelerin PGE2 ve TXB2 sentezi üzerine etkileri
Başlık çevirisi yok
MELİHAT FİDAN
- Sorption/desorption studies of cesium and neptunium on some days and soils
Başlık çevirisi yok
E.ŞEBNEM AKSOYOĞLU
