BİYO-MÜHENDİSLİK

 

BİYO-MEKANİK     BİYO-TEKNOLOJİ

 

KALP – DAMAR UYGULAMALARI

Bu sınıflamaya giren uygulamalar genellikle yapay kalp kapakçıkları, yapay kalp ve destek sistemleri, yapay damar veya damar topolojisinin değişmesinin (by-pass gibi) meydana getireceği mekanik ve biyolojik olayların incelenmesi ve bunlara uygun tasarımların geliştirilmesini kapsar. Aşağıda bunlara ilişkin bazı örnekler verilmiştir.

 

Yapay kalp kapakçığı

Bir çok modeli olan bu sistemlerde en önemli sorunlar şöyledir.

-        Kan akışının normalden olabilecek sapmalarının en aza indirilmesi. Bunun için sistemin bir akışkanlar mekaniği açısından incelenmesi gerekir.

-        Kullanılan malzemelerin kan ve diğer dokularla uyumlu olması. Böylece bu konu biyo-malzemelerin alanına da girmektedir.

-        Kan ile ilişkili her uygulamada olduğu gibi, sistemin pıhtılaşmaya (tromboz) yol açma riskinin ez aza indirilmesi esas hedeftir.

 

Yapay Kalp Destek Sistemleri (Kalp Pompaları)

Bunlar yapay kalp yerine, kalp yetmezliği durumlarında hastanın kendi kalbiyle birlikte çalışıp sağlıklı bir kan dolaşımını sürdürmeyi hedefleyen sistemlerdir. Vücut içine ve dışına takılan modeller bulunmaktadır. Sistemin tasarımdan, mekanik ve elektrik analizine kadar bir çok konuyu kapsayacak biçimde karmaşık oluşu, bunların geliştirilmesinin disiplinler arası bir çalışma olmasını zorunlu kılmaktadır. Başlıca mühendislik problemleri tasarım, güvenilirlik, biyo-uyumluluk, ve, performans ve boyut iyileştirmesidir. Aşağıda bazı örneklerde bu konular ayrıca irdelenmektedir.

 

Solda MicroMed tarafından üretilmekte olan ve ünlü kalp cerrahı M. DeBakey ile anılan bir kalp pompası görülmektedir. Bu tasarım eksenel sıvı pompalarının genel ilkelerinden hareketle elde edilmiştir. Önemli özelliklerinden biri de, elektrik motorunun mıknatıslarının pompa kanatları içine gömülü olmasıdır.

 

 

 

 

 

 

Solda bir diğer ünlü kalp cerrahı Robert Jarvick ile anılan bir kalp pompası (Jarvick 2000) görülmektedir. Bu model tasarım ve boyut açısından günümüz teknolojisinin ne düzeyde olduğuna ilişkin çarpıcı bir örnek oluşturmaktadır.

 

 

 

 

 

 

 

Solda World Heart şirketinin ürettiği üç değişik model kalp pompası görülmektedir (NovaCor). Bunlar eksenel pompa ilkesi yerine radyal pompa ve biyolojik kalp gibi atımlı çalışan pompa ilkelerini kullanmaktadır.

 

 

 

 

Kalp-Damar Sistemlerinin Modellemesi ve Analizi

Tasarımdan veya uygulamadan önce ve sonra gelen en önemli aşamalardan biri bu sistemin organlarının ve kullanılacak donanımın gerçeğe ve aslına en uygun biçimde modellenmesi ve analizidir. Bir çeşit akışkan olmasından dolayı, kanın modellenmesi ve akışın analizi akışkanlar mekaniği dalında araştırmaları gerekli kılmaktadır. Ancak, kanın kendine has özellikleri, örneğin içinde sıvı olmayan parçacıklar içermesi, bu modellemenin önüne zorlu engeller çıkarmaktadır. Bir diğer konu da, hem kalp-damar sisteminin, hem de kullanılan donanımın gerçeğe uygun ve kullanılabilir modellerinin oluşturulmasıdır. Aşağıda bu tip uygulamalar örnekler  verilmiştir.

Günümüz tıp ve mühendislik teknolojileri, bir damar by-pass ameliyatı yapılmadan önce, ameliyat sonrasında oluşacak kan akışı ile ilgili önemli bilgiler verebilir. Solda üç boyutlu modeli yapılmış olan bir damar sisteminin bölgesel olarak akışkan analizi için hazırlanmış hali görülmektedir. Bir çok organa ve tüm vücuda uygulanabilen bu üç boyutlu modelleme için tomografi ve benzeri görüntüleme yöntemleriyle elde edilen kesitlerin üç boyutlu birleştirmesi yöntemleri kullanılmaktadır.

 

 

 

Solda bir DeBakey tipi pompanın iç elemanlarının tamamen parametrik hale getirilmiş bir modeli görülmektedir. Bundan kasıt, bu karmaşık pompa geometrisinin çok az sayıda parametreyle otomotik olarak oluşturulabilmesidir. Parametrelerdeki küçük değişmelerin, geometride küçük değişmelere yol açarken, pompa performansını önemli ölçüde etkileyebildiği gözlenmistir. Bu çalışma Yeditepe Üniversitesi’nde yürütülmektedir.

 

 

 

 

KAS – İSKELET SİSTEMİ

Bedene uygulanan içsel ve dışsal kuvvetleri taşımasının ve bütün hareketlerin yapılmasının temel taşı olan bu sistem mühendislik

Uygulamaları için doğal bir alan oluşturmaktadır. Kemiklerin katı mekaniği açısından incelenmesi; omurganın ve diğer eklemlerin hareket özelliklerinin mekanik analizi; yapay eklem, ve, iç ve dış protezlerin dayanım ve hareket mekanikleri açısından biyo-uyumluluğu, bu karmaşık geometrilerin üç boyutlu modellemeleri; yapay uzuvların normal sinir uyarılarıyla kontrol edilebilmeleri, bu alandaki uygulamaların bazılarıdır.

 

Aşağıdaki resim dünyada ilk defa protez bir kolun düşünceyle kontrol edilebildiği bir uygulamayı göstermektedir

 

               

 

 

YAPAY AKCİĞER, KARACİĞER, VE BÖBREK SİSTEMLERİ

 

Genel olarak bu sistemlerin kan ile kimyasal ve mekanik etkileşimde bulunarak, kandaki oksiyen ve atık düzeylerinin kontrolü; besin, toksik, ve yabancı moleküllerinin kullanılabilir veya atılabilir moleküllere dönüştürülmesi gibi başlıca görevleri yerine getirirler.

 

Solda BioLung ve NovaLung işbirliğiyle geliştirilen bir yapay akciğer sisteminin şematik bir resmi görülmektedir. Damardan erişim yoluyla çalışan bu gibi sistemler en fazla bir ay kullanılabilip, akciğer yetmezliği hastalarının durumlarının iyileştirilebilmesine veya akciğer nakline kadar bir süre tanımasına olanak vermektedir.

 

Küçük resimde bu cihazın üretilmiş bir modeli görülmektedir. Sıvı-gaz etkileşiminin kimyasal ve mekanik ilkeleri bu gibi cihazların tasarımının temelini oluşturur.

 

 

 

 

 

 

 

Uzun bir süreden beri, diğer organlara göre çok daha karmaşık olan karaciğerin işlevlerini yerine getirebilecek yapay bir sistemin tasarımı olanaksız gibi görülüyordu. Hala, böylesine tamamen yapay sistemlerin başarılı bir biçimde uygulanabilmesi uzak görünüyor. Buna çözüm olarak, Dr. Kenneth Matsumura ve arkadaşları bir orta-yol çözüm önerdiler. Buna göre, hayvanlardan alınan karaciğer hücreleri bir cihaz içinde hastanın kanıyla etkileşimde bulunarak temel karaciğer görevlerinin yerine getirilmesi düşünülüyordu. Bu hücrelerin yabancı cisim sayılarak hastanın savunma mekanizmasının harekete geçirmesinin önlemek amacıyla bu cihazlarda kan ile yabancı hücreleri ayıran yarı-geçirgen bir zar bulunur. Solda bu ilkelerle çalışan bir sistem görülmektedir. Bu sistemler, yabancı da olsa, hem biyolojik hem de yapay elemanlardan oluştuğundan, yapay yerine biyo-yapay karaciğer olarak adlandırılmaktadır.

 

 

 

 

 

 

 

 

Belki de en başarılı destek sistemlerinden olan diyaliz sistemleri böbrek yetmezliği durumlarında geçici olarak kanın atık maddelerinin filtrelenmesini sağlar. Aşağıda temel birimleri gösterilen örnek bir diyalız çevrimi gösterilmektedir.

 

 

Solda McGowan merkezinde geiştirilen ve elektro-kimyasal ilkeler üzerine tasarlanmış bir yapay böbrek görünmektedir. Taşınabilir olan bu sistemin atıklarının daha sonra standart kimyasal yollarla dönüştürülmesi de gerekmektedir.

 

 

 

 

 

 

 

 

GELİŞMEKTE OLAN DİĞER TEKNOLOJİLERDEN ÖRNEKLER

 

Solda kulak kemiklerinin dışarıdan uyarılmasıyla çalışabilecek olan bir işitme destek sisteminin modeli görülmektedir.

 

Duyusal organların iletişim yolları olan sinir hücreleriyle bir arayüz olabilecek sistemler yeni yeni gelişmekte olmalarından dolayı, henüz bu organların yerini alabilecek tam yapay sistemlerde yoktur. Genellikle destek sistemleri ya da daha küçük organların yerine işleyebilecek donanımlar yapılmaktadır, örneğin yapay göz lensleri.

 

 

 

Solda, yine gelişmekte olan sistemlere örnek olarak yapay bir larinks görülmektedir. A;a[ida ise, yapay organ ve regeneratif biyo-teknolojinin gelecekteki en büyük umutlarından olan, ve genellikle nanoteknoloji diye sınıflandırdığımız yöntemlerle elde edilen, biyo-malzemelerin mikro-yapılarından örnekler verilmektedir. Bu malzemeler, bazen yüzey yapılarının işlevleri, bazen moleküler yapılarından, bazen de biyo-uyumluluk özelliklerinden dolayı günümüzde mucizevi diyebileceğimiz, ama gelecekte gerçekleşmesinin neredeyse sadece zaman ve araştırma sorunu olduğu, uygulamaları olanaklı kılacağı düşünülmektedir.