Aort damarında kan akışının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ve parçacık görüntülemeli akış ölçüm (PIV) yöntemiyle incelenmesi
The investigation of blood flow in aorta vessel with computational fluid dynamics (CFD) and particle image velocimetry (PIV) methods
Yazar: OSMAN AYCAN
Danışman: PROF. DR. ADNAN TOPUZ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD)

Özet:
Abdominal aort anevrizması (AAA) en sık görülen kardiyovasküler hastalıkların (KVH) başında gelmektedir. Aort duvarının mekanik direnci ile kan basıncı arasındaki denge kaybolduğu zaman, anevrizma oluşumu ve ölümcül olabilen damar yırtılması kaçınılmaz olmaktadır. AAA içerisindeki kan akışının fizyolojisini anlamak ve damara etki eden kuvvetleri incelemek, KVH erken tanı ve tedavisinde oldukça kullanışlı ve yol gösterici olmaktadır. Literatürde, belli basitleştirmeler altında yürütülen birçok deneysel ve nümerik çalışma abdominal aortun hemodinamiği ve mekanik davranışları hakkında bizlere kısmen bilgi vermektedir. Ancak AAA içerindeki akış topolojisi ve anevrizma gelişimi hakkında daha net bilgi için yapılan kapsamlı deneysel ve nümerik analizlerin bir araya getirildiği çalışmalar sınırlıdır. Bu çalışma ile elde edinilen bilgi ve tecrübe sayesinde ileri teknoloji yerli medikal cihaz ve sarf malzemelerinin geliştirilmesi ve üretimi için geniş kapsamlı bir veri tabanı oluşturulması planlanmıştır. Deneysel çalışmalar, son dönemlerde yaygın bir şekilde kullanılan akış görüntüleme tekniklerinden biri olan zaman çözünürlüklü PIV sistemi ile gerçekleştirilmiştir. PIV deneyleri, esnek ve hastaya özgü AAA modelleri içerisinden geçirilen Newton tipi kan taklit sıvıları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışma sıvısı olarak kullanılan kan taklit sıvısı, yoğunluk ve viskozite açısından kanın gerçek karakteristiğini en iyi şekilde temsil eden yapıda olmuştur. Esnek ve hastaya özgü AAA modelleri, bilgisayarlı tomografi görüntülerinin açık kaynaklı yazılımlar aracılığıyla işlenmesi sonucu 3 boyutlu prototipler oluşturularak üretilmiştir. Daimî olmayan (pulsatile) akış koşullarının inceleneceği in-vitro çalışmalar dinlenme, hafif egzersiz ve egzersiz olmak üzere üç farklı durum altında yürütülmüştür. Deneysel çalışmaların sonuçlarını desteklemek amacıyla Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği metodu kullanılarak nümerik çalışmalar da yürütülmüştür. Yapılan çalışmalarla, abdominal aorta ait hemodinamik parametreler derinlemesine incelenmiş ve akış profilleri elde edilmiştir. Yapılan akış ölçümleri ve analizleri sayesinde, anevrizma oluşmuş damar duvarına etki eden gerilmeler ve kuvvetler ile oluşan girdap yapıları gösterilmiştir. Bu tez çalışmasından elde edilen sonuçların; yeni stent modellerinin tasarlanması, optimizasyonu ve medikal cihazların geliştirilmesi için kaynak oluşturacak bir veri tabanı niteliğinde olması beklenmektedir.

Abstract:
Abdominal aortic aneurysm (AAA) is one of the most common cardiovascular diseases (CVDs). When the balance between the mechanical stress of the aortic wall and blood pressure is lost, aneurysm formation and rupture of the artery, which can be fatal, are inevitable. Understanding the physiology of blood flow in the AAA and studying the forces acting on the artery is very useful and instructive in the early diagnosis and treatment of CVDs. In the literature, many experimental and numerical studies under certain simplifications provide us with partial information about the hemodynamic and mechanical behaviours of the abdominal aorta. However, studies combining comprehensive experimental and numerical analyses for a clearer understanding of the flow topology and aneurysm development in the AAA are limited. With the knowledge and experience gained in this thesis, it is planned to create a comprehensive database for the development and production of advanced technology medical devices. Experimental studies were carried out with a time-resolved PIV system, one of the most widely used flow imaging techniques. PIV experiments were performed using blood mimicking fluid as Newtonian passed through compliant and patient-specific AAA models. The blood mimicking fluid used as the working fluid best represents the real characteristics of blood in terms of density and viscosity. Compliant and patient-specific AAA models were produced by creating 3D prototypes by processing CT images through open-source software. In-vitro studies were conducted under three different conditions: resting, mild-exercise, and exercise. Numerical studies were also carried out using CFD method to support the results of experimental studies. With these studies, the hemodynamic parameters of the abdominal aorta were investigated in depth and flow profiles were obtained. Through the flow measurements and analysis, the stresses and forces acting on the artery wall and the vortex structures formed by the forces were demonstrated. The results obtained from this thesis are expected to serve as a database for the design and optimization of new stent models and the development of medical devices.