Biyomedikal Uygulama Örneği: İnsan Burun Boşluğundaki Hava Akışının İncelenmesi

Hızlı prototipleme tekniklerinin son yıllardaki gelişimi ile farklı alanlarda kullanımlarının da önü açılmıştır. Berk Zaloğlu’nun İTÜ Uçak ve Uzay Mühendisliği Bölümü’nde yaptığı yüksek lisans tezi çarpıcı bir örnektir.

İnsan burun boşluğundaki hava akışının incelenmesi’ni tez konusu olarak seçen Berk Zaloğlu, yüksek lisans tezinin içeriğini ve hızlı imalat teknolojilerinden nasıl yararlandığını şu şekilde aktarmıştır:

Burun boşluğundaki hava akışı 50 seneyi aşkın süredir üzerinde çalışılan bir konudur. Ancak burun boşluğunun boyutlarının ufak oluşu, geometrinin zamanla büyük değişiklikler göstermesi, vücudun izlenmesi zor bir bölgesinde olması ve karmaşık geometrisi, bu organdaki hava akışının başarıyla incelenmesinde engel oluşturmuştur.”

Üç boyutlu burun kanalı modelinin izometrik görüntüsü

Hızlı prototipleme yöntemiyle oluşturulan katı model

“Gelişen teknolojiyle beraber hem deneysel hem de hesaplamalı yöntemlerle bu konuda önemli ilerlemeler kaydedilmektedir. Bu çalışmada, bilgisayarlı tomografi verilerinden üç boyutlu bilgisayar modeli elde edilen bir burun kanalı, gözlem ve ölçümlerin sağlıklı yapılabilmesi adına iki kat büyütülerek, +90’ın verdiği destek ile önce prototip üretimi, ardından şeffaf silikon malzemeden kalıp üretimi gerçekleştirilmiştir. Böylelikle burun boşluğu silikon malzemenin içerisinde birebir oluşturulmuş ve bu boşluğa basılan akışkan malzemenin hareketleri izlenerek, burun boşluğunda hava hareketinin nasıl olduğuna dair bulgular elde edilmiştir.”

 

Bundan 10 yıl önce böyle bir çalışma yapılmasının mümkün olmadığına değinen Berk Zaloğlu, hızlı prototipleme teknolojilerinin ulaştığı noktada, artık üç boyutlu bilgisayar modeli kullanılarak yüksek ölçüsel hassasiyet ile parça üretimi gerçekleştirilebildiğini, bunun da bu tür akademik çalışmaların önünde yeni bir ufuk açtığını belirtmiştir.

Berk Zaloğlu İstanbul’da, 1981 yılında doğmuştur. Lise eğitimini Doğuş Koleji’nde tamamlamıştır. Ardından İ.T.Ü Uçak Mühendisliğini lisans programını bitirmiştir. Halen İ.T.Ü.‘de Uçak ve Uzay Mühendisliği disiplinlerarası yüksek lisans öğrencisidir.

 

Deneysel Çalışma Detayları :

Deneysel çalışma kapsamında, üç boyutlu bilgisayar modelinin oluşturulması için 35 yaşında erkek bir hastadan alınan tomografi kesitleri kullanılmıştır. Burun kanalı 2 mm arayla alınan 60 adet ardışık kesitle görüntülenmiştir.

Koronal kesitlerin görüntüleri

Bu görüntülerin bir yazılım kullanılarak işlenmesi sonucu burun kanalının 3 boyutlu yüzey geometrisi oluşturulmuştur. Artık kısımlar elenerek sol burun kanalına odaklanılmıştır. Yazılım bu kesit yüzeylerinden otomatik olarak 3 boyutlu modeli yüzeyi çıkarmış sonradan gerekli düzenlemelerin yapılmasıyla geometriye son hali verilmiştir.

Daha sonra üç boyutlu bilgisayar modeli ölçeklendirilerek 2 kat büyütülmüş ve üretim safhasına geçilmiştir. Burun boşluğunun tüm detaylarıyla en hassas ölçülerde üretilebilmesi ve pürüzsüz yüzeyler elde edilmesi için, 16 mikronluk katmanlarla üretim yapabilen, en yüksek ölçüsel hassasiyeti ve yüzey kalitesini sağlayan teknoloji olan Polyjet tekniği kullanılmıştır.

Hızlı prototipleme yöntemiyle oluşturulan katı model

Polyjet model, hazırlanan cam fanus içine yerleştirilmiş ve kristal berraklığına sahip Wacker Elastosil 4647 kalıplama silikonu katı modelin üzerine dökülmüştür. Fırınlanan silikon 12 saat kürlenmeye bırakıldıktan sonra cam fanus sökülerek çıkarılmıştır. Silikon kalıpta tek bir kesik açılarak içinden Polyjet model çıkarılmış,  açılan kesik silikonla tekrar yapıştırılmıştır. Giriş ve çıkışlara metal nipeller yerleştirilmiştir.

Deney modeli içindeki akış, gerçekte solunan hava yerine gliserin-su karışımıyla yapıldığı için hava debisiyle karışımın debisi arasındaki oran Reynolds sayısı benzeşimi ile tespit edilmiştir. Daha sonra bir pompa sistemi ile burun boşluğu modeline akışkan olarak seçilen gliserin – su karışımı belirlenen debi değeri ile basılmış ve PIV (parçacık görüntüsüyle hız ölçümleme) sistemi akışın görüntülenmesi amacıyla kullanılmıştır.

Gliserin-Su Karışımıyla Dolu Silikon Model


Görüntü almak için yüksek çözünürlüğe sahip Highsense CCD kamera kullanılmıştır.


Silikon model, lazer kesitinin boyunun yeterince genişleyebileceği kadar yükseğe ve kameraya dik açıyla yerleştirilmiştir.


Bu deneyler daimi olmayan akım koşullarında gerçekleştirilmiş ve sonuçlar CFD hesaplama yazılımıyla elde edilmiştir. Yapılan testler ve ölçümler ile kesitlerdeki hız ve basınç değerleri grafiklendirilmiş, akış karakteristikleri ortaya çıkarılmış ve önceki çalışmalarla kıyaslanarak elde edilen bulgular listelenmiştir.

Koronal kesitlerdeki eş-basınç eğrileri

Hız vektörleri ve toplam hız eş-eğrileri