Özgün mekanik bir aort kapakçığı tasarımı, mekanik analizi ve prototip üretimi

Abstract

Günümüzde, mekanik veya biyolojik olmak üzere birçok aort kapakçığı protezi çeşidi bulunmasına rağmen ideal kabul edilebilecek ve her hastaya uyabilecek bir model bulunmaması bu tez çalışmasının ana motivasyon kaynağıdır. Bununla birlikte, mekanik tasarım sistemlerinin analizi için yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri yalnızca bir kardiyak döngüyü ele alabilmektedir. Dolayısıyla, tasarım sistemlerinin yorulma bilgisi ancak tezgah üstü fiziki testlerle mümkün olmaktadır. Bu konuyla ilgili bilgi birikimi ve mevcut teknolojinin farklı bir bakış açısıyla yeniden değerlendirilerek bu alana katkı sunulabileceği düşünülmüştür. Çalışmanın motivasyonu doğrultusunda öncelikle mevcut aortik protez çeşitleri incelenerek, günümüz teknolojisi ile hastaya özel ve pratik bir şekilde geliştirilebilecek yeni bir tasarım yapılması amaçlanmıştır. Özgün olduğu düşünülen bu tasarım, iki alt sistemden oluşturulmuştur. İlki, tek mil ekseninde dönerek açıklık sağlayabilecek bir mekanizmaya sahip olan Alt Sistem-1'dir. Alt Sistem-2 (aort kökü modeli) ise sağlıklı bir kişiye ait görüntülerden yola çıkılarak aort daralması görülen veya doğuştan bi-küspit aort kapakçığı bulunan hastalara da uyarlanabilecek şekilde geliştirilmiş bir metot ile tasarlanmıştır. Dolayısı ile tüm tasarım ve tasarım yöntemi bir bütün halinde, Akdeniz Üniversitesi Teknoloji Transfer Ofisi, Patent Ofisi'ne "Özgün Aortik Protez Tasarımı ve Hastaya Özel Tasarım Metodu" başlığı altında güncel buluş bildirim formu ile sunulmuştur. Çalışmanın Mekanik Analiz bölümünde ise, protez problemi olabildiğince lineer aralıklarda ele alındığında, tasarlanan sistemin analizinin ANSYS Workbench programında tam bir kardiyak döngü için mümkün olabildiği gösterilmiştir. Analiz için gerekli olan sınır koşullarından sabit destek Modal Analizde tanımlanmış, ardından annulüs ve aorta kesitlerinden proteze etkiyen yük vektörleri Transiyent Analizde uygulanmıştır. Özellikle yük koşulları hesaplanırken türetilen denklemler için genişletilmiş Bernoulli iş-enerji denkleminden yola çıkarken problem koşulları ortaya konularak adım adım ilerlenmiştir. Günümüzde kan akışının özellikle sistol fazında türbülant olduğu bilinmektedir. Bu sebeple, dinamik basınç farkını hesaplayabilmek için fark katsayısının Reynolds sayısı ile doğru, Womersley sayısı ile ters orantılı olması gerektiği düşünülmüştür. Dolayısıyla, bu çalışmada kayıp basınç farkı denklemi, dinamik basınç farkı denklemi olarak ve sürtünme katsayısı, 𝑓, fark katsayısı olarak ele alınmıştır. İlaveten, annulüs ve aorta kesitleri için ayrı ayrı elde edilen dinamik basınç değerlerine, modifiye Bernoulli denklemi yardımıyla statik basınç değerleri hesaplatılarak eklenmiştir. Bu çalışmada, tasarımın üç boyutlu baskı yöntemi ile üretilebilir olması amaçlandığı için prototip üretimi mevcut teknoloji ve analizi yapılabilen malzemeler seçilerek gerçekleştirilmiştir. Bu sebeple, protez tasarımının malzemelerinde öngörülen malzemeler; Alt sistem-1 (ring, mil ve kanat parçaları) için titanyum alaşım (Ti6Al4V, annealed) ve Alt sistem-2 (aort kökü modeli) için rubber, silicone'dur. Transiyent analiz sonuçlarında açılışın gerçekleşeceği doğrultuda, y ekseninde beklenen yönlü yer değiştirme (directional deformation) değerlerinin gösterilmesi istenmiştir. Sonuçlara göre sistol fazında 9 mm yarıçaplı kanatlarda maksimum yer değişikliği beklendiği gibi -y yönünde 7.46 mm ve +y yönünde ise 2.95 mm değerlerindedir. Diyastol fazında ise kanatlar aort kökü modelinin iç yüzeyi ile temas halinde kapalı vaziyettedir. Yorulma analizinde 1 kardiyak döngü 1 s yani 1 Hz olmak üzere Equivalent von-Mises gerilim değerlerine göre hesaplatılan ömür analizinin 10^8 kardiyak döngü olarak sonuç vermesi çalışmanın olumlu sonuçlandığı kanaatini oluşturmuştur. Dolayısıyla, gelecek çalışmalar için tasarımın sıvı-katı etkileşimli simülasyonu ve in-vitro testlerinin gerçekleştirilerek akış performansı ve mekanik analiz sonuçlarının karşılaştırılması düşünülmektedir. Çalışmanın devamında, hastaya özel tasarım ve analiz metodolojisini takiben in-vivo testlerin yapılması öngörülebilir.