Elektriksel sistem olarak insan kalbinin modellenmesi - analiz ve simülasyon
Modelling of human heart as an electrical system - its analysis and simulation
Yazar: ERTEM KIZILKAPLAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FİKRET YALÇINKAYA
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Dolaşım sistemleri = Circulation systems ; Hidroelektrik sistemleri = Hydroelectric systems ; Kardiyovasküler sistem = Cardiovascular system ; Matlab = Matlab ; Mekanik sistemler = Mechanical systems

Özet:
Modern mühendislik sistemlerinin analizi ve tasarımı genellikle multidisipliner olmayı, yani aynı konuya farklı branşlar üzerinden (Hidrolik, mekanik ve elektrik alanları gibi) odaklanmayı gerektirir. Birleşik modelleme metodolojisi; hidrolik, mekanik ve elektrik sistemlerinde birbirine karşılık gelen temel unsurlar (parametreler) arasındaki analojiye dayanmaktadır. Bu kapsamda önerilen birleşik modelleme metodolojisi ile insan kardiyovasküler sisteminin geliştirilen bütünsel hidro-elektro-mekanik sistem (HEMS) modeli üzerinden,  tüm alt-sistemlerin özgün eşdeğer devreleri üretilerek entegre edilmiş formlarının birlikte çalıştığı 12 seri eşdeğer devre aracılığıyla modelleme yapılmış ve ardından kardiyovasküler sistemin davranışı, sistem dinamiğini öngören diferansiyel denklemler aracılığıyla matematiksel olarak modellenerek tüm sistemin Matlab/Simulink ile simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışmasında, kalbin karıncık ve kulakçıkları zamanla değişen geometrik modeller ile ifade edilmiştir. Sistemik ve pulmoner dolaşımın modellenmesi için doğrusal olmayan bir toplu parametre modeli ile uyarlanabilir Windkessel modelinden ve kalp kapaklarının çalışma mekanizması için laminer akış koşullarını göz önünde bulunduran Poiseuille Yasası'ndan yararlanılmıştır. Sonuç olarak geliştirilen bu kardiyovasküler sistem modelinin,  hemodinamik sistem parametrelerinin olağan fizyolojik değerlerinin doğrulanmasında yeni bir mühendislik görevi icra etmesi hedeflenmiş olup, önerilen bu modelin insan kardiyovasküler sistem ve ilgili alt sistemlerin anatomik yapılarını anlamak için alternatif bir yöntem olacağı öngörülmektedir.

Abstract:
The analysis and design of modern engineering systems usually requires being multidisciplinary, that is, focusing on the same subject through different branches (such as hydraulic, mechanical and electrical fields). Combined modeling methodology is based on analogy between the counterparts of the basic elements (parameters) corresponding to hydraulic, mechanical and electrical systems. In this context, with the proposed combined modeling methodology, the integrated hydro-electro-mechanical system (HEMS) model of the human cardiovascular system was developed using equivalent circuits of all sub-systems through 12 series equivalent circuits in which the integrated forms work together as if one single integrated form and then simulate the entire behavior of the cardiovascular system. The whole system was simulated with Matlab/Simulink by mathematically modeling it through differential equations that predict the system dynamics. In this thesis, the ventricles and atria of the heart are expressed with time-varying geometric models. A nonlinear batch parameter model and adaptive Windkessel model were used to model the systemic and pulmonary circulation, and Poiseuille's Law takes into account the laminar flow conditions for the working mechanism of heart valves used.  As a result, the developed cardiovascular system model is aimed to perform a new engineering task in confirming the standard physiological values of hemodynamic system parameters, and it is predicted that this proposed model will be an alternative method to understand the anatomical structures of the human cardiovascular system and related subsystems thereinto.