İnsan beyninin üç boyutlu modellenmesi ile sıcaklık dağılımının elde edilmesi
Three dimensional modeling and temperature distribution of human brain
Yazar: MUSTAFA UYĞUN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA SERHAN KÜÇÜKA
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Literatürde kafa ve beyin bölgesi üzerindeki sıcaklık dağılımını elde etmek amacıyla gerçekleştirilmiş mevcut çalışmalarda kafa ve beyin bölgesi küre, yarım küre, daire vb. basit geometrik şekiller olarak modellenmiştir. Bu tez çalışmasında ise, kafa bölgesinin 3B medikal görüntüleri işlenmiş ve sayısal çözümlemeye uygun 3B ağ yapıları oluşturulmuştur. 3B kafa görüntüleri BrainWeb veritabanından alınmıştır. Görüntü işleme yazılımı vasıtasıyla gerçekleştirilen bir dizi işlemden sonra görüntü maskeleri elde edilmiş ve bu maskelerden 3B hacimsel ve yüzeysel ağ yapıları oluşturulmuştur. 
Oluşturulan geometri COMSOL Multiphysics yazılımına aktarılmış ve ağ yapının üzerine Pennes biyo-ısı denklemi uygulanmıştır. Pennes biyo-ısı denklemi, doku içerisinde kanlanma nedeni ile oluşan ısıl etkilerin göz önüne alındığı, ancak damar vb. yapılardaki yığın akışın göz önüne alınmadığı akışsız enerji korunum denklemidir. Her katman için ısıl katsayılar, kanlanma ve metabolizma ısı üretim değerleri literatürden alınmıştır. Oluşturulan bu matematiksel  model, sonlu elemanlar metodu ile çözümlenmiştir. 
Sayısal çözümlemede alın üst noktasından yukarıya 0 Celcius derece, ve kafa taban yüzeyine 37 Celcius derece olmak üzere sıcaklık sınır şartları tanımlanmıştır. Geri kalan dış deri yüzeylerinin 0 Celcius derecelik dış ortamda ısı taşınımı etkisinde olduğu varsayılmıştır. Çözümleme sonucu, 2 Celcius'luk sıcaklık düşümünün beyin dokusunda 3,9 ile 6,1 mm kadar derine etki ettiği, iç tabakaların vücut merkez sıcaklığında sabit kaldığını göstermektedir. Çalışmanın beyin dokusundaki kişiye özel sıcaklık dağılımının elde edilmesinde bir ara adım oluşturacağı düşünülmektedir.

Abstract:
In the literature, existing studies for obtaining temperature distribution over head and brain domain have modeled head and brain domain as simple geometric shapes such as sphere, hemisphere, circle et cetera. In this study, 3D medical images of head has been processed and converted to 3D mesh structure. 3D head images were taken from BrainWeb database. After a series of operations performed with image processing software, image masks of head were obtained. With using these image masks, 3D volumetric and superficial mesh structures were created. 
Obtained 3D geometry has transferred COMSOL Multyphysics and on the obtained 3D mesh structure, Pennes Bioheat Equation has been applied. Pennes Bioheat Equation is non-flow energy governing equation that takes into account thermal effects in which occurs with cause of blood perfusion in tissue but don't takes into account bulk effect of blood flow in larger vessels. Thermal coefficients, perfusion rates and metabolic heat generation rates were taken from literature. Generated mathematical model has been solved by finite element method.
In the analysis, boundary conditions has been defined as 0 Celsius degree for above of forehead and 37 Celcius degree for surface of head base. For remain outer skin surface, convection boundary condition in medium which is 0 Celsius degree has been defined. Numerical result shows that, 2 Celsius degree temperature drop from body base temperature has been appearing 3.9 and 6.1 mm depth from brain surface. And inner areas of brain has been remain at body base temperature. It is considered that study will be step for achieving invidual temperature distribution in the brain tissue.