Yeni bir yapay kalp destek pompasının hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi ve optimizasyonu
Computational fluid dynamics analysis and optimization of a new artificial heart support pump
Yazar: NAZLIHAN KILIÇASLAN
Danışman: PROF. DR. KADİR GÖK ; PROF. DR. AKİL BİRKAN SELÇUK
İZMİR BAKIRÇAY ÜNİVERSİTESİ / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüz dünyasında, dolaşım sistemi hastalıkları insanların yaşam kaliteleri açısından oldukça büyük bir problem teşkil etmektedir. Bu dolaşım sistemi hastalıklarından en önemlilerinden biri kalp yetmezliğidir. 
Kalp yetmezliği hastalığının tedavisinde kullanılan ve aynı zamanda kalp nakli süreçlerinde köprü görevi gören yapay kalp destek pompalarının uygulamadaki tasarımlarında görüldüğü üzere, pompa içerisinde bazı tepkimeler sonucunda kanın yapısı bozulabilmektedir. Bazı bölgelerde kan türbülansa girebilir ya da yüksek kayma gerilmelerine maruz kalabilir. İstenmeyen türbülans ve kayma gerilmeleri, yapay kalp destek pompasının kanatlarında, kanın belirli bölgelerde yığılmasına ve pıhtılaşma riskinin artmasına neden olabilir. Ayrıca, kanın içindeki hücrelerin, özellikle de kırmızı kan hücrelerinin zarar görmesi sonucu hemoliz olarak adlandırılan bir durum da meydana gelebilir. Hemoliz, kan hücrelerinin parçalanması ve kana salınan hücre parçalarının bağışıklık sistemi tepkilerine neden olabileceği için ciddi bir durumdur.
Yapay kalp destek pompalarında, uygun tasarımı seçmek kan akışının düzgün olması açısından önemlidir. Kullanılacak pompanın öncelikle santrifüj pompa olmasına karar verilmiştir. Daha sonra santrifüj pompanın mekanik özellikleri akışın türünü etkileyeceğinden yapay kalp destek pompası tasarımını doğru seçebilmek ya da modelleyebilmek oldukça önem arz etmektedir. Kalp destek pompalarının tasarımında kullanılan değişken parametrelerden pompa dönme hızı 3600; 4000; 4400 dev/dk, kan akış debisi 5; 6; 7 l/dk, ve pompa kanat açısı 18; 20; 22 ° değerleri kullanılmıştır. Parametrelerin farklı kombinasyonlarıyla pompa akış analizleri Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak yapılmıştır.  Bu değişken parametrelerinin türbülans, kayma gerilmesi, hız ve basınç değerleri üzerine etkileri araştırılmıştır. Daha sonra elde edilen sonuçlar optimize edilerek parametrelerin kayma gerilmesi ,türbülans, hız ve basınç üzerindeki etkileri incelenmiş ve Regresyon analizleriyle matematiksel modelleri oluşturulmuştur.
Bu tez çalışmasının sonucu olarak kayma gerilmesini en çok etkileyen parametrenin % 61,898 ile pompa kanat açısı, türbülansı en çok etkileyen parametrenin %47,850 ile pompa dönme hızı, basıncı en çok etkileyen parametrenin %65,202 ile dönme hızı ve akışkan hızını en çok etkileyen parametrenin de %49,004 ile dönme hızı olduğu görülmüştür.

Abstract:
In today's world, circulatory system diseases constitute a major problem in terms of people's quality of life. One of the most important of these circulatory system diseases is heart failure.
As seen in the practical designs of artificial heart support pumps, which are used in the treatment of heart failure disease and also serve as a bridge in heart transplantation processes, the structure of the blood may deteriorate as a result of some reactions within the pump. In some areas, the blood may become turbulent or be subject to high shear stresses. Undesirable turbulence and shear stresses can cause blood to pool in certain areas in the vanes of the artificial heart support pump and increase the risk of clotting. A condition called hemolysis can also occur as a result of damage to cells in the blood, especially red blood cells. Hemolysis is a serious condition, as the breakdown of blood cells and cell fragments released into the blood can cause immune system responses.
In artificial heart support pumps, it is important to choose the appropriate design in terms of smooth blood flow. The pump to be used was decided to be a centrifugal pump. Then, since the mechanical properties of the centrifugal pump will affect the type of flow, it is very important to be able to choose or model the design of the artificial heart support pump correctly. Pump rotational speed 3600; 4000; 4400 rpm, blood flow rate 5; 6; 7 l/min, and pump blade angle 18; 20; 22° were used as variable parameters used in the design of cardiac assist pumps. Pump flow analyses with different combinations of parameters were performed using Computational Fluid Dynamics (CFD).  The effects of these variable parameters on turbulence, shear stress, velocity and pressure values were investigated. Then, the results obtained were optimised and the effects of the parameters on shear stress, turbulence, velocity and pressure were examined and mathematical models were created by regression analysis.
As a result of this thesis, it was seen that the parameter affecting the shear stress the most was the blade angle with 61.898%, the most affecting the turbulence was the pump rotation speed with 47.850%, the parameter affecting the pressure the most was the rotation speed with 65.202% and the most affecting the fluid velocity was the rotation speed with 49.004%.