Harici osilasyonların mukosiliyer aktivite üzerindeki etkilerinin modellenmesi ve kaos tabanlı geliştirilmesi
Modeling and chaos based enhancement of the effects of external oscillations on mucociliary activity
Yazar: YUSUF HAMİDA EL NASER
Danışman: PROF. DR. DURMUŞ KARAYEL ; DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET AYDIN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Alt solunum yolu rahatsızlıklarına yakalanmış bireylerin solunum yollarında biriken
sekresyonların tahliyesinde çeşitli terapi metodlarına müracaat edilmektedir.
Bireylerin gövdelerine değişken genlik ve frekanslarda titreşimler uygulamak üzere
tasarlanan Yüksek Frekanslı Göğüs Kafesi Osilasyonu cihazı da bu terapiler
arasında öne çıkmaktadır. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yardımıyla
gerçeklenen çalışmada, bu tedavi yönteminin işe yararlılığı öncelikle oluşturulan bir
bronşiyol geometrisi üzerinden nümerik olarak incelenmiştir. Gerçekleştirilen
analizlerde, eksenel, radyal ve teğetsel yönde etkiyecek titreşimlerin Newtonyen
olmayan ve kaymayla incelen akışkan özelliği gösteren mukus sıvısının atılımı
üzerindeki etkileri Tek Fazlı Akış ve Çok Fazlı Akış yaklaşımlarıyla kıyaslanmıştır.
Paralel şekilde, titreşim genlik ve frekansında, basınç farklarında, akışkan
özelliklerinde ve silya hareketlerinin etkisinde oluşabilecek değişikliklerin akış
üzerindeki etkileri ayrı ayrı ele alınarak yorumlanmıştır. Benzetim çalışmalarından
elde edilen bulgular, mukus biriken solunum yollarında silya hareketlerinin yetersiz
kaldığını, uygulanan titreşimlerin mukus tahliyesini artırdığını ve akışta
gözlemlenen iyileşmenin sınır koşullarına hassas bağımlı olduğunu göstermektedir.
Bunun yanı sıra, kaotik oluşturulan titreşim sinyallerinin düzgün sinüzoidal titreşim
sinyallerine göre iyileştirici etkileri karşılaştırmalı olarak ortaya konulmuştur.
Benzetim çalışmalarından elde edilen bulguların doğrulamaları, yapılan deneysel
çalışma ile gerçekleştirilmiştir. Kurulan deney düzeneğinde yapılan Newtonyen ve
Newtonyen olmayan-kaymayla incelen sıvıların titreşim etkisindeki akış rejimleri
üzerine yapılan ölçümlerde, uygulanan harici titreşimlerin kaymayla incelen
sıvıların akışında iyileştirici etki gösterdiğini, Newtonyen sıvılarda ise her hangi bir
etkisi olmadığı kanaatine varılmıştır.

Abstract:
Individuals with respiratory tract disorders often require various therapy methods for
the clearance of secretions accumulated in their airways. Among these therapies, the
High-Frequency Chest Wall Oscillation (HFCWO) device, designed to apply
variable magnitude and frequency vibrations to the body, stands out. In a study
realized through Computational Fluid Dynamics (CFD), the effectiveness of this
treatment method was numerically examined primarily on a bronchial geometry
created for this purpose. In the analyses conducted, the effects of vibrations that
would act in the axial, radial, and tangential directions on the clearance of mucus, a
non-Newtonian fluid exhibiting shear-thinning behavior, were compared using
Single-Phase Flow and Multiphase Flow approaches. Concurrently, changes that
could occur in flow due to variations in vibration magnitude and frequency, pressure
differences, fluid properties, and the effects of ciliary movements were separately
addressed and interpreted. Findings obtained from simulation studies indicate that
ciliary movements in mucus-accumulated airways are insufficient, the applied
vibrations increase mucus clearance, and the improvement observed in flow is
sensitive to boundary conditions. Additionally, the healing effects of chaotically
generated vibration signals were compared with those of smooth sinusoidal vibration
signals. The validations of findings from simulation studies were performed through
an experimental study. In the experimental setup, measurements were made on the
flow regimes of fluids with and without shear-thinning behavior under the effect of
vibrations, and it was concluded that the applied external vibrations had a beneficial
effect on the flow of fluids with shear-thinning behavior, while they had no effect on
Newtonian fluids.