Özel bir piston ve kilit mekanizmasına sahip yüksek başlangıç ivmeli göğüs kompresyon cihazının tasarımı, simülasyonu ve üretimi
Design, simulation, and fabrication of a high initial acceleration automatic chest compression device with a special piston and locking mechanism
Yazar: AHMET KAĞIZMAN
Danışman: PROF. DR. VOLKAN SEZER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Kalp durması, kalbin dolaşımı sürdürebilecek yeterlilikte kan pompalama yetisini kaybetmesi durumudur. Bu durum, hipertansiyon ve damar tıkanıklığı gibi çeşitli kardiyovasküler hastalıkların yanı sıra boğulma, kaza ve elektrik çarpması gibi dış etkenler nedeniyle ortaya çıkabilir. Kalp durmasının tüm vakalarında uygulanması gereken evrensel müdahale yöntemi ise kardiyopulmoner resüsitasyon (KPR) olup, bu müdahalenin temel bileşeni göğüs kompresyonudur. Etkili bir KPR uygulaması için göğüs kompresyonlarının kalitesi kritik bir öneme sahiptir. Amerikan Kalp Derneği (AHA) yönergeleri, kalp durması vakalarında ilk tercih olarak önerilen KPR tekniğinin standart manuel KPR olması gerektiğini vurgulamaktadır. Manuel KPR'nin temel avantajı, doğru uygulandığında hastanın hayatta kalma şansını önemli ölçüde artırmasıdır; ancak bu yöntemin, kurtarıcının fiziksel durumu, yorgunluk seviyesi ve uygulama süresi gibi değişkenler nedeniyle tutarlılık ve etkinlik açısından sınırlamaları bulunmaktadır. Bu sınırlamaları aşmak ve daha stabil, ritmik ve etkin göğüs kompresyonları sağlamak amacıyla son yıllarda birçok mekanik KPR cihazı geliştirilmiştir. 
Geliştirilen bu cihazlar, AHA tarafından önerilen standart KPR parametrelerine ulaşabilmelerine rağmen, çeşitli randomize klinik ve gözlemsel çalışmalardan elde edilen hayatta kalma oranları, ortalama manuel KPR ile elde edilen sonuçların gerisinde kalmıştır. Bu bulgular ışığında, AHA, mekanik KPR cihazlarının rutin kullanımını önermemektedir. Göğüs kompresyonunun insan gücüyle yapılmasının, mekanik cihazlara kıyasla daha avantajlı olmasının olası nedenlerinden biri, insan vücudunun başlangıç momentumunu etkili bir şekilde kullanabilme kabiliyetidir. Yüksek başlangıç momentumuna sahip kompresyonlar, dolayısıyla yüksek kütle etkisi ve başlangıç ivmesiyle uygulanan göğüs kompresyonu, kan dolaşımının daha etkin bir biçimde sağlanmasına olanak tanıyabilir. Kalbin atım sürecinin de ani bir başlangıçla, adeta bir piston hareketi gibi gerçekleştiği bilinmektedir. Ancak günümüzde kullanılan KPR cihazları, sahip oldukları piston teknolojilerinin sınırlamaları nedeniyle, insanın üst vücut kütlesiyle gerçekleştirdiği bu dürtüsel kompresyonu tam olarak taklit edememekte ve dolayısıyla yeterli başlangıç ivmesini üretme kapasiteleri sınırlı kalmaktadır.
AHA, manuel KPR uygulamalarında, kurtarıcının fiziksel kapasitesini zorlamadan kompresyon derinliği ve kalitesinin korunmasını sağlamak ve yorgunluğu minimize etmek amacıyla %50 görev döngüsü kullanılmasını önermektedir. Bu doğrultuda, mevcut KPR cihazları, AHA'nın belirlediği %50 görev döngüsüne uygun şekilde tasarlanmıştır. Bununla birlikte, son yıllarda yapılan bilimsel çalışmalar, daha düşük görev döngülerinin, ileriye doğru kan akışını artırma potansiyeline sahip olduğunu ortaya koymuştur. "İleriye doğru kan akışı", kalpten çıkan ve sistemik dolaşıma katılan kanın etkinliğini ifade eder; bu akışın artırılması, organlara ve dokulara daha fazla oksijenli kanın taşınmasını sağlar. Ayrıca, bu araştırmalar, düşük görev döngüsünün kan dolaşımının artması ve resüsitasyon sonuçlarının iyileşmesi gibi hemodinamik etkiler üzerinde olumlu sonuçlar doğurabileceğine dair bulgular sunmaktadır. 
Mevcut KPR cihazları, kalp durması anlarında hızlı ve etkili müdahale sağlama hedefi güderken, kurulum aşamasında sıkça zorluk yaşanmaktadır. Cihazın hastanın gövdesine uygun şekilde yerleştirilmesi, hizalanması ve sabitlenmesi, genellikle zaman alıcı ve teknik bilgi gerektiren bir süreçtir. Bu kurulum zorlukları, cihazın ergonomik tasarımı, kullanıcı arayüzü ve taşıma koşullarına bağlı olarak değişiklik göstermekte olup, acil durumlarda kritik zaman kaybına neden olabilir. Bu da resüsitasyon sürecinin etkinliğini doğrudan etkileyebilir ve hastanın iyileşme şansını azaltabilir. Bu bağlamda, cihazların kurulum süreçlerinin sadeleştirilmesi ve kullanıcı dostu hale getirilmesi, acil durum müdahalelerini hızlandırmak adına kritik bir gereklilik olarak öne çıkmaktadır.
Bu tez çalışmasında, mevcut KPR cihazlarının eksikliklerini gidermek ve kalp masajı etkinliğini artırmak amacıyla, CardiS adı verilen yenilikçi bir otomatik KPR cihazı geliştirilmiş ve üretilmiştir. Geliştirilen bu cihaz, patentli piston mekanizması sayesinde, yüksek başlangıç ivmeli göğüs kompresyonları yapabilmekte ve görev döngüsünü geleneksel %50 seviyesinden daha düşük oranlarda uygulayarak, ileriye doğru kan akışını maksimize etmeyi amaçlamaktadır. Bu benzersiz piston mekanizması, çift kaydırıcı krank, dinamik biyel ve özel güç aktarma organları gibi bileşenlerle donatılmış olup, mevcut cihazlarda kullanılan klasik piston mekanizmalarından belirgin bir şekilde ayrılmaktadır. Ayrıca, cihazın taşınabilir ve kompakt yapısı, ayarlanabilir ve daha tutarlı kompresyon derinliği sunma yeteneği ile optimize edilmiştir. Cihazın hastaya hızlı ve zahmetsiz bir şekilde entegre edilebilmesi için ise, radyal ve eksenel kilitleme özelliklerine sahip otomatik sekiz dilli bayonet kilit mekanizması geliştirilmiş ve üretilmiştir. Herhangi bir hizalama gerektirmeyen ve daha düşük kuvvetle kilitleme sağlayan bu kilit sistemi sayesinde KPR cihazları için kritik bir öneme sahip olan hızlı kurulum işlemi etkili bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Bu özellikleriyle, geliştirilen cihazın manuel KPR'ye kıyasla kardiyak fonksiyonları daha hassas bir şekilde taklit ederek, ani kalp durması vakalarında mortalite oranlarını anlamlı ölçüde azaltma potansiyeline sahip olduğu öngörülmektedir.
Cihazın mekanik tasarımı, kalp masajı sırasında optimal bası ve ritmin sağlanabilmesi amacıyla, yapısal dayanıklılık, ergonomi ve işlevsellik unsurları göz önünde bulundurularak titizlikle kurgulanmıştır. Gövde malzemesi seçiminde, geleneksel karbon fiber ve fiberglas yerine, en uygun termoplastik malzemenin uygulanabilirliği, çok boyutlu analizlerle kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiştir. Bu süreçte, mesafe tabanlı sezgisel bulanık Çok Kriterli Karar Verme (ÇKKV) yöntemleri etkin bir araç olarak kullanılmıştır. Ayrıca, cihazın teleskopik uzama mekanizması, yatay kolların hastaya uygun şekilde manuel olarak sağa-sola ve yukarı-aşağı hareket ettirilmesine olanak tanıyacak biçimde tasarlanmıştır, böylece cihaz farklı hasta anatomilerine kolayca uyum sağlayabilmektedir. Kompresyon derinliğinin aktüatörler aracılığıyla otomatik ayarlanabilmesi için geliştirilen doğrusal potansiyometre sistemi, hastanın göğüs derinliğini yüksek doğrulukla ölçme yeteneğine sahiptir. Buna ek olarak, cihazın otomatik kilit sistemi, üretim maliyetlerini düşürmek ve imalat sürecini verimli hale getirmek amacıyla çok parçalı bir yapıda tasarlanmıştır. Bu modüler yapı, yalnızca üretimde esneklik sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda bakım ve onarım süreçlerini de kolaylaştıran önemli bir avantaj sunmaktadır. Elektronik tasarım sürecinde, cihazın güvenilir ve doğru bir şekilde çalışabilmesi için gerekli elektronik bileşenlerin seçim ve entegrasyonu titizlikle ele alınmıştır. Cihazın gövde tasarımında elektronik bileşenler için ayrılan alan, bu bileşenlerin optimal bir şekilde yerleştirilmesini gerektirdiğinden, güç dağıtımı ve yönetimini sağlayan güç kartı ile sistemin genel kontrolünü gerçekleştiren ana kart olmak üzere iki ayrı devre kartı tasarlanmış ve üretilmiştir. Sistemin yazılımı, konum ve hız bilgisi sağlayan Hall sensörleri ile donatılmış fırçasız DC motorun sürülmesi ve bu motorun hızının yüksek hassasiyetle kontrol edilebilmesi için STM32F091 mikrodenetleyici kullanılarak C dilinde geliştirilmiştir. Buna ek olarak, cihazın matematiksel modeli, kalp masajı sırasında uygulanan anlık kompresyon derinliği, hız ve ivme gibi hayati parametrelerin yüksek doğrulukla ölçülmesi ve analiz edilmesi amacıyla oluşturulmuştur.
Geliştirilen cihazın üretim süreci üç aşamada ele alınmıştır. İlk aşamada, kompresyon modülünün üretimi, işlevsel gereksinimlere uygun olarak planlanmış ve yürütülmüştür. İkinci aşamada, cihazın hastanın anatomik yapısına uyum sağlayan yatay kollar ve teleskopik uzama mekanizmasının üretimi detaylandırılmıştır. Üçüncü ve son aşamada ise cihazın sırt tahtası ve bayonet kilit mekanizmasının üretimi gerçekleştirilmiştir. Her bileşenin tasarımı, üretim teknikleri ve kullanılan malzemeler titizlikle incelenmiş, böylece cihazın işlevselliği ve güvenilirliği artırılmıştır. Karmaşık tasarımlar için 3B yazıcı teknolojisi kullanılarak endüstriyel ölçekte ve maliyet etkin bir süreç benimsenmiştir. Bu yöntem, tekrarlı üretim süreçlerini kolaylaştırmanın yanı sıra düşük hacimli üretim ihtiyaçlarına da önemli avantajlar sunmuştur. 3B yazıcı teknolojisinin üretim sürecinde sağladığı esneklik, maliyet etkinliği ve hız avantajları, özellikle hızlı prototipleme ve özelleştirilmiş üretim süreçlerinde dikkate değer iyileştirmeler sağlamıştır.
KPR cihazının performansını değerlendirmek amacıyla yapılan testler üç temel kategoriye ayrılmıştır. İlk olarak, CardiS cihazının piston mekanizmasının statik kuvvet analizi ANSYS yazılımı ile yapılmış, hareket simülasyonu ise Altair Inspire platformunda gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları, LUCAS II ve Corpuls cihazlarıyla kıyaslanmıştır. Bu değerlendirme sırasında, cihazların anlık ivme, ortalama ivme ve maksimum hız gibi kritik parametreleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. İkinci olarak, CardiS ve LUCAS II cihazlarının performansları, CPRLily PRO+ KPR mankeni üzerinde standart KPR parametreleri temel alınarak karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda, her iki cihaz da dakikada 100 kompresyon yapacak şekilde ayarlanmış ve 1, 5 ve 10 dakikalık periyotlar halinde test edilmiştir. Her iki cihazın da tam geri tepme yeteneği gösterdiği tespit edilmiş, ancak CardiS cihazının kompresyon derinliğinde daha yüksek bir tutarlılık sağladığı belirlenmiştir. Kesintisiz kompresyon uygulaması tercih edildiği için kompresyon fraksiyonu ölçümüne ihtiyaç duyulmamıştır. Elde edilen bulgular, her iki cihazın da AHA yönergelerinde belirtilen KPR standartlarını karşıladığını, ancak CardiS cihazının kompresyon derinliği konusunda daha istikrarlı bir performans sergilediğini göstermiştir. Ayrıca, video analiz yöntemiyle yapılan incelemelerde, cihazların göğüs kompresyon zamanlamaları detaylı bir şekilde değerlendirilmiş ve bu analizler, CardiS cihazının standartlara uyumunu objektif olarak ortaya koymuştur. Son olarak, CardiS ve LUCAS 3 cihazlarının pistonlarına entegre edilen ivme sensörlerinden elde edilen anlık ivme verileri karşılaştırılarak, her iki cihazın performans dinamikleri detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Yapılan bu ölçümler, CardiS cihazının ivme ve performans parametreleri açısından üstün bir başarı sergilediğini ve bu başarıların, KPR uygulamaları için yeni bir standart oluşturma potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Cardiac arrest is a condition in which the heart cannot pump enough blood to sustain circulation. This condition can be caused by various cardiovascular diseases such as high blood pressure and vascular occlusion, as well as external factors such as choking, accident, and electric shock. The universal intervention method that should be applied in all cases of cardiac arrest is cardiopulmonary resuscitation (CPR), the main procedure of which is chest compressions. The quality of chest compressions is of vital importance for the effectiveness of CPR. The American Heart Association (AHA) guidelines emphasize that the first-choice CPR technique recommended in cases of cardiac arrest should be standard manual CPR. The primary advantage of manual CPR is that it significantly enhances the patient's survival chances when executed correctly. However, this method has limitations regarding consistency and effectiveness due to variables such as the rescuer's physical condition, level of fatigue, and duration of the execution. To overcome these limitations and ensure more consistent, rhythmic, and effective chest compressions, many mechanical CPR devices have been developed in recent years.
Although these developed devices can reach the standard CPR parameters recommended by the AHA, survival rates obtained from various randomized clinical and observational studies have fallen behind the results obtained with average manual CPR. In light of these findings, the AHA does not recommend the routine use of mechanical CPR devices. One of the possible reasons why chest compressions performed by human power are more advantageous than mechanical devices is the ability of the human body to effectively utilize initial momentum. Compressions with high initial momentum, therefore high mass effect, and chest compressions applied with initial acceleration can allow for more effective blood circulation. It is also known that the cardiac contraction initiates abruptly, akin to the motion of a piston. However, current CPR devices cannot fully mimic this impulsive compression performed by the human upper body mass due to the limitations of their piston technologies, and therefore their capacity to produce sufficient initial acceleration remains limited.
The AHA recommends using a 50% duty cycle in manual CPR execution to ensure compression depth and quality are maintained without straining the rescuer's physical capacity and to minimize fatigue. Accordingly, current CPR devices are designed to comply with the 50% duty cycle specified by the AHA. However, scientific studies conducted in recent years have shown that lower duty cycles have the potential to increase forward blood flow. "Forward blood flow" refers to the efficiency of blood leaving the heart and entering the systemic circulation; increasing this flow allows more oxygenated blood to be carried to the organs and tissues. In addition, these studies provide evidence that lower duty cycles may have positive results on hemodynamic effects such as increased blood circulation and improved resuscitation outcomes.
While current CPR devices aim to provide rapid and effective intervention in cases of cardiac arrest, they often experience difficulties during the installation phase. Proper placement, alignment, and fixation of the device to the patient's body is often a time-consuming process that requires technical knowledge. These installation difficulties vary depending on the ergonomic design of the device, user interface and carrying conditions, and can cause critical time loss in emergency situations. Such delays can directly impact the efficacy of the resuscitation process and consequently diminish the patient's chances of recovery. In this context, simplifying the installation processes of the devices and making them user-friendly stands out as a critical requirement to accelerate emergency interventions. Addressing these issues is paramount to ensuring that CPR devices can be deployed swiftly and effectively in critical moments, thereby optimizing the overall effectiveness of resuscitation efforts and increasing the likelihood of patient survival.
In this thesis, an innovative automatic CPR device called CardiS has been developed and fabricated to eliminate the deficiencies of existing CPR devices and to increase the effectiveness of cardiac massage. Thanks to its patented piston mechanism, the device can perform high initial acceleration chest compressions and aims to optimize forward blood flow by applying the duty cycle at rates lower than the conventional 50% level. This unique piston mechanism is equipped with components such as a double-slider crank, a dynamic conrod, and specialized power transmission elements, distinguishing it significantly from the conventional piston mechanisms utilized in existing devices. Furthermore, the portable and compact structure of the device is optimized with the ability to provide adjustable and more consistent compression depth. To facilitate the rapid and effortless integration of the device onto the patient, an automatic eight-bolt bayonet lock mechanism with radial and axial locking features has been developed and fabricated. Thanks to this locking system, which does not require any alignment and provides locking with lower force, the rapid installation process, which is of critical importance for CPR devices, can be effectively performed. Given these attributes, it is anticipated that the CardiS device holds significant potential for reducing mortality rates in cases of sudden cardiac arrest by more accurately replicating cardiac functions compared to manual CPR.
The mechanical design of the device has been meticulously designed considering structural durability, ergonomics, and functionality to provide optimal compression and rhythm during cardiac massage. In the selection of body material, the applicability of the most suitable thermoplastic material instead of conventional carbon fiber and fiberglass has been comprehensively evaluated with multi-dimensional analyses. In this process, distance-based intuitionistic fuzzy Multi-Criteria Decision Making (MCDM) methods have been used as an effective tool. Moreover, the telescopic extension mechanism of the device has been meticulously engineered to allow for the manual lateral and vertical adjustment of the horizontal arms, thereby enabling precise alignment with the patient's body. This design feature ensures that the device can be readily adapted to accommodate varying patient anatomies, enhancing its versatility and effectiveness in diverse clinical scenarios. The linear potentiometer system developed for automatic adjustment of compression depth via actuators can measure the patient's chest depth with high accuracy. In addition, the automatic locking system of the device has been designed in a multi-piece structure to reduce production costs and make the fabrication process efficient. This modular structure offers an important advantage that not only provides flexibility in production but also facilitates maintenance and repair processes. During the electronic design process, the selection and integration of the necessary electronic components for the reliable and accurate operation of the device have been meticulously considered. Since the space allocated for electronic components in the body design of the device required the optimal placement of these components, two separate circuit boards were designed and fabricated: the power board, which provides power distribution and management, and the main board, which performs the general control of the system. The system software has been developed in C language using the STM32F091 microcontroller to drive the brushless DC motor equipped with Hall sensors providing position and speed information and to control the speed of this motor with high precision. The software design aimed to effectively and reliably perform critical functions such as motor control and processing of sensor data. In addition, the mathematical model of the device has been created to measure and analyze vital parameters such as instant compression depth, speed, and acceleration applied during heart massage with high accuracy.
The fabrication process of the developed device has been systematically structured into three distinct phases, each addressing specific aspects of the device's functionality and design requirements. In the first phase, the fabrication of the compression module has been meticulously planned and executed, ensuring that all components adhere strictly to the functional requirements necessary for effective performance.  The second phase focused on fabricating the horizontal arms and telescopic extension mechanism, designed to adapt to various patient anatomic structures. In this phase, the components have been carefully engineered to ensure they offer the needed range of motion and stability during resuscitation. The third and final phase involves the production of the backplate and bayonet locking mechanism. Throughout the entire manufacturing process, each component's design, fabrication techniques, and material choices have been subjected to thorough evaluation and continuous optimization to ensure maximum functionality and reliability of the device. An industrial-scale and cost-effective process has been adopted using 3D printing technology for complex designs. This approach not only facilitated repeatable fabrication processes but also provided significant advantages for low-volume production needs. The flexibility, cost efficiency, and speed offered by 3D printing technology have yielded substantial improvements, particularly in rapid prototyping and customized fabrication processes.
The tests conducted to evaluate the performance of the CPR device have been systematically divided into three principal categories. Firstly, a static force analysis of the CardiS device's piston mechanism has been performed using ANSYS software, while motion simulations have been carried out on the Altair Inspire platform. These simulation results have been compared with those of the LUCAS II and Corpuls devices. During this evaluation, the critical parameters of the devices such as instantaneous acceleration, average acceleration, and maximum speed have been examined in detail. Secondly, a performance comparison between the CardiS and LUCAS II devices has been performed using the CPRLily PRO+ CPR mannequin, based on standard CPR parameters. In this context, both devices have been set to perform 100 compressions per minute and tested over periods of 1, 5, and 10 minutes. It has been determined that both devices demonstrate full recoil ability, but it has been determined that the CardiS device provided a higher consistency in compression depth. Given the preference for uninterrupted compression, compression fraction measurements have not been required. The findings have indicated that both devices meet the CPR standards outlined in the AHA guidelines, but the CardiS device has shown a more stable performance in terms of compression depth.In addition, in the examinations performed with the video analysis method, the chest compression timings of the devices have been evaluated in detail and these analyses objectively demonstrated the evidence of the CardiS device with the standards. 
Lastly, instantaneous acceleration data from acceleration sensors integrated into the pistons of the CardiS and LUCAS 3 devices have been compared, resulting in a comprehensive analysis of the performance dynamics of both devices. The results of these measurements have demonstrated that the CardiS device has provided superier performance in acceleration and other key operational parameters. These advancements suggest that the device has the potential to establish a new benchmark in the field of CPR execution, offering improved standards for resuscitation efficacy.