Özel bir piston ve kilit mekanizmasına sahip yüksek başlangıç ivmeli göğüs kompresyon cihazının tasarımı, simülasyonu ve üretimi

Abstract

Kalp durması, kalbin dolaşımı sürdürebilecek yeterlilikte kan pompalama yetisini kaybetmesi durumudur. Bu durum, hipertansiyon ve damar tıkanıklığı gibi çeşitli kardiyovasküler hastalıkların yanı sıra boğulma, kaza ve elektrik çarpması gibi dış etkenler nedeniyle ortaya çıkabilir. Kalp durmasının tüm vakalarında uygulanması gereken evrensel müdahale yöntemi ise kardiyopulmoner resüsitasyon (KPR) olup, bu müdahalenin temel bileşeni göğüs kompresyonudur. Etkili bir KPR uygulaması için göğüs kompresyonlarının kalitesi kritik bir öneme sahiptir. Amerikan Kalp Derneği (AHA) yönergeleri, kalp durması vakalarında ilk tercih olarak önerilen KPR tekniğinin standart manuel KPR olması gerektiğini vurgulamaktadır. Manuel KPR'nin temel avantajı, doğru uygulandığında hastanın hayatta kalma şansını önemli ölçüde artırmasıdır; ancak bu yöntemin, kurtarıcının fiziksel durumu, yorgunluk seviyesi ve uygulama süresi gibi değişkenler nedeniyle tutarlılık ve etkinlik açısından sınırlamaları bulunmaktadır. Bu sınırlamaları aşmak ve daha stabil, ritmik ve etkin göğüs kompresyonları sağlamak amacıyla son yıllarda birçok mekanik KPR cihazı geliştirilmiştir. Geliştirilen bu cihazlar, AHA tarafından önerilen standart KPR parametrelerine ulaşabilmelerine rağmen, çeşitli randomize klinik ve gözlemsel çalışmalardan elde edilen hayatta kalma oranları, ortalama manuel KPR ile elde edilen sonuçların gerisinde kalmıştır. Bu bulgular ışığında, AHA, mekanik KPR cihazlarının rutin kullanımını önermemektedir. Göğüs kompresyonunun insan gücüyle yapılmasının, mekanik cihazlara kıyasla daha avantajlı olmasının olası nedenlerinden biri, insan vücudunun başlangıç momentumunu etkili bir şekilde kullanabilme kabiliyetidir. Yüksek başlangıç momentumuna sahip kompresyonlar, dolayısıyla yüksek kütle etkisi ve başlangıç ivmesiyle uygulanan göğüs kompresyonu, kan dolaşımının daha etkin bir biçimde sağlanmasına olanak tanıyabilir. Kalbin atım sürecinin de ani bir başlangıçla, adeta bir piston hareketi gibi gerçekleştiği bilinmektedir. Ancak günümüzde kullanılan KPR cihazları, sahip oldukları piston teknolojilerinin sınırlamaları nedeniyle, insanın üst vücut kütlesiyle gerçekleştirdiği bu dürtüsel kompresyonu tam olarak taklit edememekte ve dolayısıyla yeterli başlangıç ivmesini üretme kapasiteleri sınırlı kalmaktadır. AHA, manuel KPR uygulamalarında, kurtarıcının fiziksel kapasitesini zorlamadan kompresyon derinliği ve kalitesinin korunmasını sağlamak ve yorgunluğu minimize etmek amacıyla %50 görev döngüsü kullanılmasını önermektedir. Bu doğrultuda, mevcut KPR cihazları, AHA'nın belirlediği %50 görev döngüsüne uygun şekilde tasarlanmıştır. Bununla birlikte, son yıllarda yapılan bilimsel çalışmalar, daha düşük görev döngülerinin, ileriye doğru kan akışını artırma potansiyeline sahip olduğunu ortaya koymuştur. "İleriye doğru kan akışı", kalpten çıkan ve sistemik dolaşıma katılan kanın etkinliğini ifade eder; bu akışın artırılması, organlara ve dokulara daha fazla oksijenli kanın taşınmasını sağlar. Ayrıca, bu araştırmalar, düşük görev döngüsünün kan dolaşımının artması ve resüsitasyon sonuçlarının iyileşmesi gibi hemodinamik etkiler üzerinde olumlu sonuçlar doğurabileceğine dair bulgular sunmaktadır. Mevcut KPR cihazları, kalp durması anlarında hızlı ve etkili müdahale sağlama hedefi güderken, kurulum aşamasında sıkça zorluk yaşanmaktadır. Cihazın hastanın gövdesine uygun şekilde yerleştirilmesi, hizalanması ve sabitlenmesi, genellikle zaman alıcı ve teknik bilgi gerektiren bir süreçtir. Bu kurulum zorlukları, cihazın ergonomik tasarımı, kullanıcı arayüzü ve taşıma koşullarına bağlı olarak değişiklik göstermekte olup, acil durumlarda kritik zaman kaybına neden olabilir. Bu da resüsitasyon sürecinin etkinliğini doğrudan etkileyebilir ve hastanın iyileşme şansını azaltabilir. Bu bağlamda, cihazların kurulum süreçlerinin sadeleştirilmesi ve kullanıcı dostu hale getirilmesi, acil durum müdahalelerini hızlandırmak adına kritik bir gereklilik olarak öne çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, mevcut KPR cihazlarının eksikliklerini gidermek ve kalp masajı etkinliğini artırmak amacıyla, CardiS adı verilen yenilikçi bir otomatik KPR cihazı geliştirilmiş ve üretilmiştir. Geliştirilen bu cihaz, patentli piston mekanizması sayesinde, yüksek başlangıç ivmeli göğüs kompresyonları yapabilmekte ve görev döngüsünü geleneksel %50 seviyesinden daha düşük oranlarda uygulayarak, ileriye doğru kan akışını maksimize etmeyi amaçlamaktadır. Bu benzersiz piston mekanizması, çift kaydırıcı krank, dinamik biyel ve özel güç aktarma organları gibi bileşenlerle donatılmış olup, mevcut cihazlarda kullanılan klasik piston mekanizmalarından belirgin bir şekilde ayrılmaktadır. Ayrıca, cihazın taşınabilir ve kompakt yapısı, ayarlanabilir ve daha tutarlı kompresyon derinliği sunma yeteneği ile optimize edilmiştir. Cihazın hastaya hızlı ve zahmetsiz bir şekilde entegre edilebilmesi için ise, radyal ve eksenel kilitleme özelliklerine sahip otomatik sekiz dilli bayonet kilit mekanizması geliştirilmiş ve üretilmiştir. Herhangi bir hizalama gerektirmeyen ve daha düşük kuvvetle kilitleme sağlayan bu kilit sistemi sayesinde KPR cihazları için kritik bir öneme sahip olan hızlı kurulum işlemi etkili bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Bu özellikleriyle, geliştirilen cihazın manuel KPR'ye kıyasla kardiyak fonksiyonları daha hassas bir şekilde taklit ederek, ani kalp durması vakalarında mortalite oranlarını anlamlı ölçüde azaltma potansiyeline sahip olduğu öngörülmektedir. Cihazın mekanik tasarımı, kalp masajı sırasında optimal bası ve ritmin sağlanabilmesi amacıyla, yapısal dayanıklılık, ergonomi ve işlevsellik unsurları göz önünde bulundurularak titizlikle kurgulanmıştır. Gövde malzemesi seçiminde, geleneksel karbon fiber ve fiberglas yerine, en uygun termoplastik malzemenin uygulanabilirliği, çok boyutlu analizlerle kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiştir. Bu süreçte, mesafe tabanlı sezgisel bulanık Çok Kriterli Karar Verme (ÇKKV) yöntemleri etkin bir araç olarak kullanılmıştır. Ayrıca, cihazın teleskopik uzama mekanizması, yatay kolların hastaya uygun şekilde manuel olarak sağa-sola ve yukarı-aşağı hareket ettirilmesine olanak tanıyacak biçimde tasarlanmıştır, böylece cihaz farklı hasta anatomilerine kolayca uyum sağlayabilmektedir. Kompresyon derinliğinin aktüatörler aracılığıyla otomatik ayarlanabilmesi için geliştirilen doğrusal potansiyometre sistemi, hastanın göğüs derinliğini yüksek doğrulukla ölçme yeteneğine sahiptir. Buna ek olarak, cihazın otomatik kilit sistemi, üretim maliyetlerini düşürmek ve imalat sürecini verimli hale getirmek amacıyla çok parçalı bir yapıda tasarlanmıştır. Bu modüler yapı, yalnızca üretimde esneklik sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda bakım ve onarım süreçlerini de kolaylaştıran önemli bir avantaj sunmaktadır. Elektronik tasarım sürecinde, cihazın güvenilir ve doğru bir şekilde çalışabilmesi için gerekli elektronik bileşenlerin seçim ve entegrasyonu titizlikle ele alınmıştır. Cihazın gövde tasarımında elektronik bileşenler için ayrılan alan, bu bileşenlerin optimal bir şekilde yerleştirilmesini gerektirdiğinden, güç dağıtımı ve yönetimini sağlayan güç kartı ile sistemin genel kontrolünü gerçekleştiren ana kart olmak üzere iki ayrı devre kartı tasarlanmış ve üretilmiştir. Sistemin yazılımı, konum ve hız bilgisi sağlayan Hall sensörleri ile donatılmış fırçasız DC motorun sürülmesi ve bu motorun hızının yüksek hassasiyetle kontrol edilebilmesi için STM32F091 mikrodenetleyici kullanılarak C dilinde geliştirilmiştir. Buna ek olarak, cihazın matematiksel modeli, kalp masajı sırasında uygulanan anlık kompresyon derinliği, hız ve ivme gibi hayati parametrelerin yüksek doğrulukla ölçülmesi ve analiz edilmesi amacıyla oluşturulmuştur. Geliştirilen cihazın üretim süreci üç aşamada ele alınmıştır. İlk aşamada, kompresyon modülünün üretimi, işlevsel gereksinimlere uygun olarak planlanmış ve yürütülmüştür. İkinci aşamada, cihazın hastanın anatomik yapısına uyum sağlayan yatay kollar ve teleskopik uzama mekanizmasının üretimi detaylandırılmıştır. Üçüncü ve son aşamada ise cihazın sırt tahtası ve bayonet kilit mekanizmasının üretimi gerçekleştirilmiştir. Her bileşenin tasarımı, üretim teknikleri ve kullanılan malzemeler titizlikle incelenmiş, böylece cihazın işlevselliği ve güvenilirliği artırılmıştır. Karmaşık tasarımlar için 3B yazıcı teknolojisi kullanılarak endüstriyel ölçekte ve maliyet etkin bir süreç benimsenmiştir. Bu yöntem, tekrarlı üretim süreçlerini kolaylaştırmanın yanı sıra düşük hacimli üretim ihtiyaçlarına da önemli avantajlar sunmuştur. 3B yazıcı teknolojisinin üretim sürecinde sağladığı esneklik, maliyet etkinliği ve hız avantajları, özellikle hızlı prototipleme ve özelleştirilmiş üretim süreçlerinde dikkate değer iyileştirmeler sağlamıştır. KPR cihazının performansını değerlendirmek amacıyla yapılan testler üç temel kategoriye ayrılmıştır. İlk olarak, CardiS cihazının piston mekanizmasının statik kuvvet analizi ANSYS yazılımı ile yapılmış, hareket simülasyonu ise Altair Inspire platformunda gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları, LUCAS II ve Corpuls cihazlarıyla kıyaslanmıştır. Bu değerlendirme sırasında, cihazların anlık ivme, ortalama ivme ve maksimum hız gibi kritik parametreleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. İkinci olarak, CardiS ve LUCAS II cihazlarının performansları, CPRLily PRO+ KPR mankeni üzerinde standart KPR parametreleri temel alınarak karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda, her iki cihaz da dakikada 100 kompresyon yapacak şekilde ayarlanmış ve 1, 5 ve 10 dakikalık periyotlar halinde test edilmiştir. Her iki cihazın da tam geri tepme yeteneği gösterdiği tespit edilmiş, ancak CardiS cihazının kompresyon derinliğinde daha yüksek bir tutarlılık sağladığı belirlenmiştir. Kesintisiz kompresyon uygulaması tercih edildiği için kompresyon fraksiyonu ölçümüne ihtiyaç duyulmamıştır. Elde edilen bulgular, her iki cihazın da AHA yönergelerinde belirtilen KPR standartlarını karşıladığını, ancak CardiS cihazının kompresyon derinliği konusunda daha istikrarlı bir performans sergilediğini göstermiştir. Ayrıca, video analiz yöntemiyle yapılan incelemelerde, cihazların göğüs kompresyon zamanlamaları detaylı bir şekilde değerlendirilmiş ve bu analizler, CardiS cihazının standartlara uyumunu objektif olarak ortaya koymuştur. Son olarak, CardiS ve LUCAS 3 cihazlarının pistonlarına entegre edilen ivme sensörlerinden elde edilen anlık ivme verileri karşılaştırılarak, her iki cihazın performans dinamikleri detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Yapılan bu ölçümler, CardiS cihazının ivme ve performans parametreleri açısından üstün bir başarı sergilediğini ve bu başarıların, KPR uygulamaları için yeni bir standart oluşturma potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir.