Kardiyovasküler sistemde pulsatil akışın modellenmesi ve kontrolü

Abstract

Bu tez çalışması, atardamarlara ait pulsatil fizyolojik kan akış debi sinyallerinin gerçekleştirilmesi, dinamik benzetimle deney sistemine (in vitro) uygun modellenmesi, çeşitli akış kontrol cihazları ve yeni geliştirilen çeşitli kapalı çevrim kontrol teknikleriyle debi sinyalinin kontrol edilmesi, kontrolü gerçekleşen sistemin matematiksel performanslarının ortaya konulmasını amaçlamaktadır. Gerçekleştirilen çalışmanın ürünü olarak yüksek doğrulukta elde edilen kan akış sinyallerinin hemodinamik araştırmalarda kullanılacak olması tez çalışmasının gerçekleştirilmesinde motivasyon kaynağı olmaktadır.Klinik çalışmalarla ölçülen kan akışı debi sinyalleri, zaman-debi karakteristikleri korunarak ve dinamik benzetim yöntemleri kullanılarak, aynı karakteristiğe sahip debi sinyalleri olarak in vitro deney sisteminde elde edilmişlerdir.Deney sisteminde kullanılan akış kontrol cihazları, pnömatik valf, selenoid valf, alternatif akım (Altenative Current, AC) motor ile santrifüj pompa ve servo motor ile dişli pompadan oluşmaktadır.Yüksek performanslı kapalı çevrim kontrol sistemi oluşturmak ve algoritmalardaki performans sonuçlarını açıklayabilmek için akış kontrol cihazlarına kontrol edilebilirlik testleri uygulanmıştır. Kontrol edilebilirlik test çalışmaları için açık çevrim kontrol kullanılmıştır ve giriş sinyali olarak kardiyovasküler sinyaller veya rastgele oluşturulan sinyaller uygulanmıştır. Akış kontrol cihazlarına açık çevrim kontrol ile uygulanan giriş sinyalleri ve sistemin tepkisi olan çıkış sinyalleri analizlerde kullanılmak üzere kaydedilmiştir. Uygulanan testler sonucunda cihazlara ait doğrusal olmayan bölgeler ve histerisiz etkileri ortaya konmuştur. Böylece akış kontrol cihazlarının kapalı çevrim kontrol algoritmalarındaki performansları kontrol edilebilirlik testleri sayesinde açıklanabilir olmaktadır.Başlangıç olarak akış kontrol cihazları sistemde fizyolojik debi sinyalini oluşturmak üzere geleneksel oransal (proportional, P), oransal-integral (proportional-integral, PI) ve oransal-integral-türev (proportional-integral-derivative, PID) kapalı çevrim kontrol teknikleri ile test edilmişlerdir. Literatürde bir ilk olarak, gözlem ile kıyaslama yerine, in vitro sistemde oluşturulan debi sinyali y ile dinamik benzetimle hesaplanan fizyolojik kan akış debi sinyali r arasındaki eşleşme performans indeksi Jn ile matematiksel olarak hesaplanmıştır.Akış kontrol cihazları farklı kontrol teknikleri kullanılarak kumanda edilmiştir. P-?, P-? prediktif, P-? ileri tahminli, doğrusal olmayan model tabanlı ileri beslemeli, ileri beslemeli prediktif, ileri beslemeli ve ileri tahminli kontrol teknikleri akış kontrol cihazlarına uygulanmıştır. Uygulanan sezgisel kontrol yönteminden sonra her bir akış kontrol cihazının fizyolojik kan akış sinyalini elde etmedeki başarısı Jn ile hesaplanmış ve böylece akış kontrol cihazları veya algoritmalarının birbirlerine göre üstünlüklerinin ortaya konması sağlanmıştır.Parametrik tanılama yöntemleri kullanılarak, akış kontrol cihazına bağlı olarak sistemin matematiksel modelleri çıkarılmıştır. Modele dayalı kontrol çalışmalarında, AC motor ile santrifüj pompa ve servo motor ile dişli pompa kullanılmıştır. Akış kontrol cihazlarının matematiksel modelleri gözlemleyici tasarımında kullanılarak kutup atama (pole placement) yöntemi ile modele dayalı kontrolleri gerçekleştirilmiştir.Literatürde bir ilk olarak farklı teknolojilere sahip akış kontrol cihazları ile çeşitli kapalı çevrim kontrol teknikleri kullanılarak fizyolojik kan akış debi sinyalinin kontrolü deneysel sistemde gerçekleştirilmiştir. Literatürde bu alanda gerçekleştirilen çalışmalar içinde yine üstün bir yön olarak matematiksel performans kriteri (Jn) tanımlanmıştır. Yine literatürde bir ilk olarak sistem tanılama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sistemin matematiksel modeli parametrik polinomlar ile elde edilmiş ve gözlemleyici tasarımı ile modele dayalı kapalı çevrim kontrolünde kullanılmıştır.Gerçekleştirilen sezgisel kapalı çevrim kontrol çalışmaların da en başarılı sonuç selenoid valfin kullanıldığı model tabanlı ileri beslemeli prediktif kontrol ile elde edilmiştir. Diğer taraftan modele tabanlı kontrol çalışmasında en başarılı sonuç Servo motor dişli pompa ile sağlanmıştır.