Litotripside kullanılan şok dalgasının simülasyonu ve dalga performansının optimize edilmesi

Abstract

Litotripsi sistemleri günümüzde böbrek taşı tedavisinde kullanılan en yaygın sistemlerdir. Yeni gelişen tedavi teknikleri ve klinik araştırmalar sonucunda bu sistemler bazı ortopedik hastalıklarda da kullanılmaya başlanmış. Kardiyoloji ve kanser tedavilerinde ise şimdilik deneysel çalışmalar yürütülmektedir. Cihazların bu yeni kullanım alanlarındaki gereksinimleri karşılayabilmesi için tasarım değişikliklerine ihtiyaç vardır. Tasarım süresini ve maliyetleri azaltmanın en etkin yolu ise litotripsi sistemlerinin bilgisayar ortamında modellenmesidir.Bu çalışmada zamanda sonlu farklar yöntemi (Finite Difference Time Domain, FDTD) kullanılarak litotripsi sisteminin bilgisayar ortamında gerçek zamanlı matematiksel modeli oluşturulmuştur. Modelde litotripsi sistemini oluşturan birçok fiziksel parametre girdi ve/veya değişken olarak tanımlanmıştır. Model oluşturulduktan sonra gerçek verilerle denenmiş ve gerçekçi sonuçlar elde edilmiştir. Bu çalışmada ayrıca, performans artırmak amacıyla deneysel bir çalışma yapılmış ve sonuçlarına benzer girdi değerleri kullanan simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Yapılan bu çalışmada, simülasyon son olarak dalga kaynağı, reflektör boyutu, ortam koşulları gibi çeşitli girdi parametreleri ile denenmiş ve elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Sonuç olarak gelecekte çok daha farklı alanlarda kullanım olanağı bulacak litotripsi sistemlerinin bu alanlara hızlı ve etkin bir şekilde uyarlanabilmesi için bilgisayar modellerine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada geliştirilen model sayesinde bu ihtiyaca cevap verilmeye çalışılmıştır.

Lithotripsy systems are commonly used to break kidney stones into fragments. Nowadays these systems are also used in orthopedic operations. There are several ongoing investigational studies on lithotripsy systems in the treatments of cancer and cardiovascular diseases. Because of these new application areas we need novel lithotripter designs for different kinds of treatment strategies. The best way to reduce design time and cost is to create a computational model of the lithotripsy system.In this study we used the finite difference time domain (FDTD) method while constructing the computational model of the lithotripsy system. While implementing the model, we defined most of the physical system parameters as an input and/or as a variable in the simulations. This would give the designer flexibility while testing the effect of new parameters. We tested several realistic parameters used in the simulations and compared the results with the expected outcomes and optimized our system accordingly. In addition, we also compared the results of the computer simulations with an experimental work to improve the shockwave performance of lithotripsy system. Finally, we studied the effects of changing the input parameters like shockwave source, elipsoid size, and environment conditions. In conclusion, to reduce design costs in various medical applications that use shockwave principle this computer-based simulation platform may be suitable.