Dynamic modeling of human cardiovascular system and an axial heart pump

Abstract

Teknolojinin ilerlemesi modern tıpta mühendislik uygulamalarının önemli ölçüde kullanılmasına neden olmuştur. Yapay kalp pompaları da mühendislik konularının tıptaki uygulamalarından biridir. Bu tezde geliştirilmekte olan iki farklı tipte (Heart Turcica eksenel ve Heart Turcica merkezcil) yapay kalp pompasının simülasyonlarını yapmak için kalp odacıklarını, kalp kapakçıklarını, büyük dolaşım atardamarlarını, büyük dolaşım toplardamarlarını, küçük dolaşım atardamarlarını ve küçük dolaşım toplardamarlarını içeren sayısal bir insan dolaşım sistemi oluşturulmuştur. Bu modelin parametre değerleri kullanılarak hasta dolaşım sistemi modeli elde edilmiştir. Her iki yapay kalp pompası için de sayısal modeller geliştirilmiştir. Heart Turcica eksenel için geliştirilen model motor dinamiklerini de içermektedir. Hasta dolaşım sistemi modeli ve yapay kalp pompası modelleri kullanılarak insan vücudunda ortaya çıkacak fizyolojik durumlara bakılmış ve yapay kalp pompalarının hangi devir sayısı aralıklarında çalışmaları gerektiği belirlenmiştir. Ortaya çıkan sonuçlara göre pompa giriş ve çıkış arasındaki basınç farkı, pompa akışı ve motor akımı için pulsatilite indeksleri tanımlanmış ve devir sayısının değişimine göre pulsatilite indekslerinin değişimleri de hesaplanmıştır. Yapılan modelleme ve simülasyon çalışmalarına ek olarak Heart Turcica eksenel için pompa giriş ve çıkışında basınç farkı kontrolü ve pompa akış kontrolü çalışmaları yapılmış ve ortaya çıkan sonuçlar karşılaştırılmıştır.Yapılan simülasyonlar sonucunda Heart Turcica eksenel ve Heart Turcica merkezcil pompalarının hastalık durumunda dokulara yeterli miktarda kan pompalayabileceği görülmektedir.

Engineering applications are widely used in modern medicine with the progress of technology. Heart pumps are an example to those engineering applications which is used for treatment of cardiovascular system diseases. In this thesis a numerical human cardiovascular system model that includes heart chambers, heart valves, systemic arteries, systemic veins, pulmonary arteries and pulmonary veins was developed. Diseased human cardiovascular system model was obtained by adjusting the parameters of the healthy cardiovascular system model. Numerical models were developed for two types of heart pumps (Heart Turcica axial and Heart Turcica centrifugal). Heart Turcica axial model includes the dc motor dynamics. These models were integrated to diseased human cardiovascular system. Simulations were performed to assess the boundary operating speeds of heart pumps which causes different physiologically significant pumping states. Also pulsatility indexes were defined for pressure difference across the pump, pump flow rate and motor current. These pulsatility indexes are calculated for increasing operating speeds. Studies on control of the pressure difference across the pump and control of pump flow rate were also done.Based on the findings it has been concluded that Heart Turcica axial and Heart Turcica centrifugal may provide sufficient pressure and flow required for the perfusion blood for the tissues.