Kapalı-çevrim glikoz seviyesi kontrolü için piezoelektrik pompa geliştirilmesi
Development of piezoelectric pump for closed-loop glucose level control
Yazar: ALP KAÇAR
Danışman: DOÇ. DR. YİĞİT TAŞCIOĞLU ; DOÇ. DR. MEHMET BÜLENT ÖZER
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Endokrinoloji ve Metabolizma Hastalıkları = Endocrinology and Metabolic Diseases ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu tezin amacı, T1DM (Tip 1 Diyabet) hastalarının glikoz seviyesini istenen aralıkta tutan; kapalı-çevrim, eniyilenmiş, enerji-verimli ve valfsiz piezoelektrik tahrikli mikro insülin pompasını, benzetim modeli ve kontrolcüsü ile geliştirmektir. Yeni ve sıra dışı bir yaklaşımla tasarlanan pompa, literatürdeki şırınga tipi pompalardan/yapay pankreas çalışmalarından farklı ve birden fazla kontrolcü ve gömülü insülin-glikoz modelleri dahil olarak kurgulanmıştır. Piezoelektrik tahrikli pompanın üç boyutlu (3B) piezoelektrik-yapısal-akışkan akuple sonlu eleman analizleri (FEA) COMSOL Multiphysics ile gerçekleştirilmiştir. Analiz modellinden indirgenmiş piezoelektrik tahrikli pompa modeli (ROM), Ackerman, Bergman ve Sorensen'in insülin-glikoz modelleri, tasarlanan oransal integral türev (PID), optimum ve model öngörülü kontrol (MPC) algoritmaları ile MATLAB/Simulink ortamında tümleşik bir benzetim ortamı oluşturulmuştur. Tasarımı eniyilerken, enerji gereksinimlerine ve geometrik kısıtlamalara göre en verimli pompaya ulaşmak için birçok analiz yapılmıştır. Nozül/difüzör ıraksama açısı, nozül/difüzör çapları, uzunluklar, hazne yüksekliği, tahrik gerilimi ve frekansı, en yüksek net akış oranı ve en az güç tüketimi için eniyilenmiştir. Analiz sonuçlarına göre belirlenen parametreler analitik sonuçla da doğrulandıktan sonra, piezoelektrik pompa deney düzeneği üretilmiştir. Farklı gerilim ve frekans tahriki ile test edilen pompa, 100Vp-p ve 100Hz sinüs sinyali ile sürüldüğünde, 0.4mA akım çekmiş ve 300μL/ dak akış hızı elde edilmiştir. İnsülin infüzyonunun gereklilikleri bu akış hızından karşılanırken, farklı hasta parametrelerine sahip üç farklı insülin-glikoz modeli çalıştırılmış ve PID, optimum ve MPC kontrolörler tasarlanmıştır. PID parametreleri Ackerman, Bergman ve Sorensen için bulunmuş, optimum ve MPC kontrolör Ackerman'ın modeli kullanılarak tasarlanmış ve tüm insülin-glikoz modellerine uygulanmıştır.
Önerilen enerji-verimli piezoelektrik tahrikli pompa geliştirilirken, enerji ihtiyacının bir kısmını veya tamamını karşılayabilecek bir enerji hasadı sistemi araştırılmıştır. İnsan vücudundan enerji hasadı yöntemleri incelenmiş, hasat yöntemlerinden piezoelektrik enerji hasadı tasarımı, 3B piezoelektrik-yapısal akuple FEA çalışmaları ve deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayak tabanına yerleştirilmiş bir piezoelektrik enerji toplayıcı ile yürüme ve koşma sırasında elde edilecek enerjinin sistemin enerji ihtiyacının bir kısmını karşıladığı gösterilmiştir. Örnek olarak seçilen bu enerji hasadı yönteminin, ileriki aşamalarda vücudun farklı noktalarından elde edilecek enerjilerin toplamı ile sistemin tamamının ihtiyacını karşılayabileceği gösterilmiştir.

Abstract:
The objective of this thesis is to develop a closed-loop compact, energy-efficient, and valveless piezoelectric actuated micro insulin pump, its simulation model and controller to keep glucose levels in the desired range for T1DM (Type-I Diabetes Mellitus) patients. The pump, designed with a novel approach, is different from the syringe-type pumps/artificial pancreas studies in the literature, including multiple controllers and embedded insulin-glucose models. 3D piezoelectric-structural-fluid coupled finite element analyzes (FEA) of the piezoelectric actuated pump were performed in COMSOL Multiphysics. An integrated simulation environment was created in MATLAB / Simulink environment with the reduced-order (ROM) piezoelectric actuated pump model from the analysis model, the insulin-glucose models of Ackerman, Bergman and Sorensen, the designed proportion integral derivative (PID), the optimal and model predictive control (MPC) controllers. While optimizing the design, different analyzes have been made to have the most efficient pump according to energy requirements and geometric constraints. The nozzle/diffuser divergence angle, nozzle/diffuser diameters, lengths, chamber height, excitation voltage and frequency are optimized for the highest net flow rate and the minimum power consumption. After the parameters determined according to the analyses results were verified analytically, the piezoelectric pump experiment setup was manufactured and assembled. When the pump which was experimented with different voltage and frequency excitation, was actuated with 100Vp-p and 100Hz sine signal, a current consumption of 0.4mA and a flow rate of 300μL / min was obtained. While the requirements of insulin infusion were met from this flow rate, simulation models including three different insulin-glucose models with different patient parameters were run and PID, optimal and MPC controllers were designed. PID parameters were optimized according to Ackerman, Bergman, and Sorensen. The optimal and MPC controllers were designed using Ackerman's model and applied to all insulin-glucose models.
While the energy-efficient piezoelectric actuated pump was being developed, an energy harvesting system from a human body that could meet some or all its energy needs was researched, as well. Energy harvesting methods from the human body were investigated. Consequently, one of the harvesting methods, which is piezoelectric energy harvester was selected as an example. 3D piezoelectric-structural coupled FEA studies and experiments were carried out. With a piezoelectric energy harvester placed on the sole of the foot, it has been shown that part of the energy requirement for the system is met by the energy obtained during walking and running. It has been shown that this energy harvesting method which will be obtained from different parts of the body can meet the needs of the whole system in the future.