Biyoelektromanyetik etkileşimin frekans ve ısı analizine yönelik yeni iletim hattı modellerinin tasarımı
Design of new transmission line models for frequency and heat analysis of bioelectromagnetic interaction
Yazar: BURAK ARICIOĞLU
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH FERİKOĞLU
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Biyoelektromanyetik problemleri genellikle analitik olarak çözmek mümkün değildir. Fakat birçok problem sayısal yöntemlerle kolaylıkla çözülebilmektedir. Literatürde hesaplamalı elektromanyetik konusunda birçok sayısal çözüm yöntemi mevcuttur. Bu yöntemlerden biri de iletim hattı modelleme (İHM) yöntemidir. İHM yönteminde çözüm uzayının (frekans veya zaman) yanında gerçek uzay da ayrıklaştırılarak sonuçlar daha kolay elde edilebilir. İHM yöntemi hem dalga denklemlerinin çözümünde hem de difüzyon denklemlerinin çözümünde kullanılan bir sayısal yöntemdir.

Bu tez çalışmasında biyoelektromanyetik etkileşimin incelenmesinde basit fakat etkili araç olan SPICE kullanılmıştır. Biyoelektromanyetik etkileşimi incelemede SPICE ortamında üç farklı iletim hattı modeli tasarlanmıştır. Tasarlanan iletim hatları, dokuların dağıtıcı özelliklerini modelleyerek hem frekans hem de zaman uzayında yapılan analizlerde kullanılabilmektedir. Ayrıca, literatürde var olan ve daha önce SPICE ortamında modellenmeyen 3B simetrik sıkıştırılmış düğüm için SPICE modeli geliştirilip bir 3B probleme uygulanmıştır.

Tez çalışmasının diğer aşamasında, EM alana maruz kalmaya bağlı dokudaki sıcaklık artışı dağılımı İHM yöntemi ile incelenmiştir. Literatürde, genellikle Pennes biyoısı transferi denklemi kullanılmaktadır ve bunun için birçok çalışmada iletim hattı modeli oluşturulmuştur. Bu çalışmada Klinger biyoısı transferi denklemi kullanılmıştır. Klinger denkleminde, Pennes denkleminde ihmal edilen kan akış hızı da hesaba katılmaktadır. Bu çalışmada, kan akış hızının sıcaklık dağılımına etkisini de içeren yeni bir iletim hattı modeli tasarlanmıştır.

Hem EM alan problemi için hem de biyoısı transferi için geliştirilen modellerle elde edilen sonuçlar sonlu eleman (SE) yöntemi ile sde doğrulanmıştır.

Abstract:
Bioelectromagnetic problems cannot be solved analytically in most cases. However, they can be solved very easily with the numerical methods. In the literature, there are many numeric methods in computational electromagnetics. Transmission line modelling (TLM) method is one of these numeric methods. In TLM, space is discretized along with the solution domain (frequency or time domain) so that solutions to the bioelectromagnetic problems can be obtained very easily. The TLM is a numeric method that can be applied to obtain solutions of the wave equations and diffusion equations. This the one of the main reasons why TLM method is chosen in this thesis.

In the thesis SPICE, a simple but an effective tool, was used in the investigation of the bioelectromagnetic interaction. For the investigation of the bioelectromagnetic interaction three different transmission line model were designed in SPICE environment. The designed transmission line can be used in both time and frequency domain analyses since they are capable of modelling the dispersive properties of the tissues. Moreover, a SPICE model for the three dimensional symmetric condensed node is designed and applied to a three dimensional problem.

In the next phase of the thesis, the temperature increase in the tissues due to exposure to the EM fields is investigated with TLM method. In the literatre, Pennes bioheat trasnsfer equation is usually employed and for this bioheat transfer equation transmission line model is available. In this study, Klinger bioheat transfer equation is used. In Klinger bioheat transfer equation, the effect of the blood velocity to the temperature distribution is also considered. This effect is neglected in Pennes bioheat transfer equation. For this, a novel transmission line in which the effect of nonunidirectional blood flow is modelled was designed.

The designed transmission line models for both EM and bioheat transfer problems were verified with finite element analysis.