Kalp-Akciğer makinelerinde peristaltik ve santrifüj pompa kontrolü ile basınç regülasyonu / Ece Görkemli Kutlu ; thesis advisor Osman Eroğul.

Tez (Yüksek Lisans)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Mart 2025.

Kalp-Akciğer Makinesi (KAM), Kardiyopulmoner Baypas (KPB) sırasında kullanılan ve geçici olarak kalbin ve akciğerin işlevini üstlenen bir cihazdır. KPB sırasında, bu cihaz kanı vücut dışına alarak oksijenlendirir, karbondioksiti uzaklaştırır ve dolaşıma geri pompalar. Vücuttan alınan kanı oksijenlendirerek dolaşıma geri verirken aynı zamanda kan basıncı, akış hızı, kan sıcaklığı ve oksijen doygunluğu gibi birçok fizyolojik parametrenin sürekli takibini sağlar. KPB sırasında arteriyel kan basıncının kontrolü, hasta morbidite ve mortalitesini doğrudan etkileyen kritik bir faktördür. Yüksek arteriyel basınç, özellikle serebral kanama ve nörolojik komplikasyon riskini artırabilir. Bu tez kapsamında, Kalp-Akciğer Makinelerinde ameliyat süresince hastanın kan basıncını izleyen ve regüle eden bir algoritma geliştirilmiştir. Algoritma, basınç regülasyon seviyesinin aşılması durumunda basıncı hedef değere düşürmeyi, regülasyon seviyesinin altına inilmesi durumunda ise pompa hızını regülasyon öncesindeki seviyeye ulaştırmayı amaçlamaktadır. Bu doğrultuda, peristaltik (roller) ve santrifüj pompalarının hızları kontrol edilmektedir. Çalışmanın ilk aşamasında, muadil Kalp-Akciğer Makinelerinin çalışma prensipleri incelenmiş ve sağlık personeliyle yapılan görüşmeler sonucunda sistem gereksinimleri belirlenmiştir. Bu gereksinim analizine dayanarak, basınç verilerinin stabilizasyonu ve kontrol algoritmasının kararlılığı için filtreleme yöntemleri uygulanmıştır. Filtrelenen basınç verileri, kontrol algoritmasına girdi olarak verilmiştir. Kontrol algoritmasının çıkışında elde edilen RPM (Revolution Per Minute) değeri ve filtrelenen basınç verileri için yakınlık algoritması geliştirilerek, kontrol sürecinde meydana gelebilecek kararsızlıkların ve basınç dalgalanmalarının önüne geçilmiştir. Çalışmanın bir diğer aşamasında, sistemin deneysel analizleri gerçekleştirilerek elde edilen veriler doğrultusunda, basınç regülasyonunda sistem davranışını yansıtan temel bir model oluşturulmuştur. Hortum hatlarına uygulanan sabit klemp açıklık oranlarında elde edilen peristaltik pompa hızı ve basınç verilerine polinom uyumlandırılarak, RPM ve klemp açıklık oranları kullanıldığında basınç değerini hesaplayan bir fonksiyon geliştirilmiştir. Bu fonksiyon kullanılarak oluşturulan model, açık çevrim ve PI kontrolcüyle birlikte kapalı çevrim olarak test edilmiştir. Çalışmanın bulguları, geliştirilen kontrol algoritmasının her iki pompa tipi için de etkili bir şekilde çalışarak basınç değerini kontrol altında tuttuğunu ve santrifüj pompaların basınç regülasyonunda daha kararlı bir sonuç verdiğini göstermiştir. Peristaltik pompaların mekanik yapısının basınç verisi ve kontrol algoritması üzerindeki etkileri de ayrıca değerlendirilmiştir.

The Heart-Lung Machine (HLM) is a device used during Cardiopulmonary Bypass (CPB) that temporarily takes over the functions of the heart and lung. During CPB, this device removes blood from the body, removes carbon dioxide and oxygenates it, and pumps it back into circulation. While oxygenating and returning the blood to circulation, it also provides continuous monitoring of many physiological parameters such as blood pressure, flow rate, blood temperature and oxygen saturation. The control of arterial blood pressure during CPB is a critical factor that directly affects patient morbidity and mortality. High arterial pressure can significantly increase the risk of cerebral hemorrhage and neurological complications. As part of this thesis, an algorithm has been developed to monitor and regulate the patient's blood pressure during surgery in Heart-Lung Machines. The algorithm aims to reduce the pressure to the target value if the regulation level is exceeded and to restore the pump speed to its pre-regulation level if the pressure falls below the regulation threshold. Accordingly, the speeds of the peristaltic (roller) and centrifugal pumps are controlled. In the initial phase of the study, the operating principles of similar Heart-Lung Machines were examined, and system requirements were identified through discussions with healthcare professionals. Based on this requirements analysis, filtering methods were applied to stabilize the pressure data and ensure the stability of the control algorithm. The filtered pressure data were fed into the control algorithm as input. For the RPM (Revolution Per Minute) values obtained from the algorithm output and the filtered pressure data, a proximity algorithm was developed to prevent instabilities and pressure fluctuations that might occur during the control process. In another phase of the study, experimental analyses of the system were conducted, and based on the obtained data, a fundamental model reflecting the system behavior in pressure regulation was created. Polynomial fitting was applied to the peristaltic pump speed and pressure data obtained at fixed clamp opening ratios applied to the tubing, and a function was developed to calculate the pressure value when using RPM and clamp opening ratios. The model created using this function was tested both in open-loop and closed-loop with a PI controller. The findings of the study showed that the developed control algorithm effectively controlled the pressure for both pump types, and that the centrifugal pumps provided a more stable result in pressure regulation. The effects of the mechanical structure of the peristaltic pumps on the pressure data and the control algorithm were also evaluated.