Kardiyovasküler sistemde pulsatil akışın modellenmesi ve kontrolü
Modelling and control of pulsatile flow in cardiovascular system
Yazar: SERDAR YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. ONUR TOKER ; PROF. DR. HERMAN SEDEF
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Kontrol elemanları = Control elements ; Kontrol kartları = Control cards ; Kontrol mühendisliği = Control engineering ; Kontrol problemleri = Control problems

Özet:
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.

Abstract:
In this thesis, for realization of pulsatile physiologic arterial blood flow control, modelling properly for in vitro with dynamic similarities, controlling various flow control devices with newly proposed closed-loop feedback techniques, representing clearly defined mathematical performance have been intended. As the product of the completed study, blood flow signals were obtained with the high accuracy; it would be thesis motivation source to be used hemodynamic research.In the clinical studies blood signal flows were recorded, preserving time-flow characteristics and using dynamic similarities of signals were obtained with same characteristics in experimental system.In the experimental system flow control devices are consists of pneumatic valve, solenoid valve, AC motor centrifugal pump, servo motor gear pump.In order to build a high performance closed-loop control system and in order to explain the performance of the algorithms, controllability tests are applied to the flow control devices. For controllability test studies open-loop control was used and the input signal is applied as a cardiovascular signals or signals are generated randomly. For use in analysis, input signals which are applied to the flow control devices with open loop control and the output signals which are response of the system were recorded. As a result of the performed tests, hysteresis effects and the non-linear regions of the devices have been out. Thus performance of the flow control devices can be explained due to controllability tests in close-loop control algorithms.At the beginning of study, flow control devices were tested for realization of the physiological blood flow signals with traditional P (proportional), PI (proportional-integral) and PID (proportional-integral-derivative) close-loop control algorithms. In the literature as a first, rather than comparison with the observations, between generated flow signal y in vitro system and desired signal which is calculated dynamic similarities physiological flow r, match performance was calculated as Jn mathematically.Flow control devices have been controlled using different control techniques. P-?, P-? predictive, P-? ileri tahminli, non-linear feed forward control, feed forward predictive control and feed forward look-ahead control techniques have been applied to the flow control devices. Heuristic control method are applied to the flow control devices and each performance of them have been calculated as Jn for physiological blood flow signals and so that which flow control devices or which control algorithms have superiority has been put out.Mathematical model of the system according to flow control devices were calculated by parametric model estimation techniques. Model based control studies; AC motor centrifugal pump and servo motor gear pump have been used. The flow control device?s mathematical models were used to design of observer and model based controls have been performed with pole placement technique.As a first in the literature, flow control devices with various technologies and various close-loop control techniques have been used to control physiological blood flow signals in experimental system. In the literature studies again as a superiority mathematical performance criterion (Jn) has been defined. Again as a first in the literature, system identification studies were performed. System mathematical model are obtained by parametric polynomials and used in model based close-loop control with observer design.After performed heuristic close-loop control studies most successful result was obtained by selenoid valve in the model based feed forward predictive control. On the other hand most successful results in the model based control study was achieved by sevo motor gear pump.