הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

יוני 2002

תכנון ובנית מודל מעבדתי לביצוע סימולציה

של זרימת אוויר דרך נחירי האף

תקציר פרוייקט גמר

הכינה: שלי לוי

מנחה: פרופ' דוד אלעד

1. תאור הנושא

האף משמש מבואה לריאות עבור אויר נשאף או ננשף. הנשימה דרך האף הכרחית לשמירה על הרקמה הריאתית, כיוון שבמהלך שאיפה דרך האף האוויר מגיע לתנאים הקרובים מאוד לתנאים האלויאולריים: חום הגוף ו-100% לחות, בנוסף לכך האוויר עובר סינון, נציין כי שטח פני חלל האף מכוסה במצע מוקוזה המהווה מערכת הגנה נגד פתוגנים הנשאפים למערכת הנשימה. הפרעות לזרימת האוויר באף בדרך כלל מאובחנות בהסתמך על תלונתו הסובייקטיבית של החולה. במטרה לקבוע קריטריונים אובייקטיביים לתפקודי האף, נחוצה לנו מערכת המודדת את הספיקה דרך כל נחיר. כיום לא קיימת מערכת שאינה פולשנית למדידת זרימה דרך הנחיריים. כדי לאפשר ניסויים מקדימים במערכת וכדי לבחון שיטות מדידה שונות אנו זקוקים למודל דמוי-אף המחקה את המבנה הפנימי של האף. האף מורכב מחלל תוך-גולגולתי, המצוי מעל גג הפה, ומהאף החיצוני, הבולט מהפנים. חלל האף מחולק לחלל ימני ושמאלי על-ידי הספטום (מחיצה). כל חלל כזה מחולק לשלושה מעברים על-ידי בליטת הטורבינות מהקירות הצדיים באף הפנימי.

תמונה 1: חללי האף (טיבודאו, אנטומיה ופיסיולוגיה, 1993).

2. מטרת הפרויקט

המטרות שהוצבו במסגרת הפרויקט הן:

1. בניית מודל מודולרי פשוט של חללי האף, שישולב במערכת ניסויים מעבדתית.

2. ביצוע ניסויים של זרימות אוויר במודל האף באמצעות מערכת נשימה ממוחשבת.

3. מפרט דרישות

בתכנון המודל המעבדתי של האף הצבנו את הדרישות הבאות:

1. מודל קשיח ומודולרי של חללי האף הפנימי, שמאפשר הסרה/הרכבה של הטורבינות.

2. מודל שניתן לחברו למערכת נשימה ממוחשבת במעבדה.

3. מספר מודלים לחיקוי האף החיצוני, השונים זה מזה במבנה הנחיריים, שניתן להרכיבם/להסירם על מודל האף הפנימי.

4. ביצוע ניסויים של זרימות אוויר במודל האף באמצעות מערכת נשימה מעבדתית ממוחשבת.

4. שיטה

4.1. מודל האף הפנימי

במסגרת הפרויקט נבחנו שלוש חלופות לייצור מודל האף הפנימי: כרסום באלומיניום, ייצור עצמי של חלל האף בתוך יציקת סיליקון, ייצור אצל יצרן יציקות. השיטה שנבחרה היא כרסום, כיוון ששיטה זו מאפשרת ליצור מודל מודולרי שניתן לפרק ולהרכיב בקלות, דבר נוסף הוא תהליך הייצור הפשוט יחסית וכן העובדה שמתקבל דגם קשיח אשר עמיד בפני פגיעות מכניות. שימוש בחומר אלומיניום מאפשר ייצור רכיבים דקים כדוגמת הטורבינות ומאפשר לקדוח בהם קדחים באזור שיש בו מעט חומר מבלי שיישברו בזמן קדיחה וגם בזמן נשיאת העומס, להבדיל מפרספקס למשל שהוא שביר יותר בסיטואציות כאלה.

כיוון שהוחלט על ייצור המודל בכרסום היה צורך להתאים את מבנה חללי האף לשיטת הייצור וזאת על-ידי פישוט מבנה החלל ורכיביו תוך היצמדות לערכים הממוצעים בספרות. המודל ניתן לפרוק והרכבה על-מנת לאפשר הסרה והוספה של טורבינות לשם בחינת הפתולוגיה טורבינקטומי (ניתוח הסרת טורבינה). יש לציין כי הוחלט על תכנון שתי טורבינות במודל ולא על שלוש כיוון שהטורבינות התחתונה והאמצעית הן בעלות ההשפעה המשמעותית ביותר על הזרימה. השיקולים שנלקחו בחשבון בתכנון הם:

1. הסרה והוספה של טורבינה, על-ידי בורג M2 ללא ראש המודבק בקצהו האחד קדח בטורבינה ומחוזק בקצהו האחר על-ידי אום לחלק הצידי של האף.

2. חיבור המודל לצינור האוויר, על-ידי קדיחת חצי קדח ברדיוס שהוא ב-0.1 מ"מ פחות מהקוטר החיצוני של הצינור (6.5 מ"מ) בכל אחד מחצאי האף וכך ע"י סגירת שני חצאי האף ייווצר לחץ על הצינור. כמו כן ייצרתי פאזה בעובי דופן הצינור כדי לאפשר זרימת אוויר חלקה במעבר מהצינור למודל.

3. חיבור הספטום, על-ידי יצירת פאזה בכל אחד מחצאי האף בעומק של מחצית מעובי הספטום.

4. בגלל מגבלות השיטה היה צורך להפריד בשרטוטים לייצור, בין המישור המשופע של חלל האף למישור האנכי. לאחר הייצור החלק המשופע הודבק באופן קבוע למודל.

5. שני צידי האף חוברו ביניהם באמצעות ברגים.

6. איטום המודל לאוויר, על-ידי מריחת חומר, הנקרא Blue-Tack, על המשטחים הנסגרים זה על זה ומתחת לראשי הברגים והאומים.

שרטוטי הייצור למודל האף הפנימי מצורפים בנספח א'. ייצור המודל בכרסום מאלומיניום התבצע בבית-מלאכה בטשון אסיר ברמלה בעלות של 305 $.

תמונה 2: צילום מודל האף הפנימי.

4.2. מודל האף החיצוני

במסגרת הפרויקט נבחנו חמש חלופות לייצור מודל האף החיצוני: כרסום באלומיניום, ייצור עצמי מחימר, ייצור אצל יצרן יציקות, ייצור ע"י משחזר אפים, ייצור בשיטת Prototyping (יציקה בשכבות). השיטה שנבחרה היא ייצור מחימר לבן בעבודת יד, כיוון ששיטה זו מאפשרת ביצוע מדויק למדי של המבנה הגיאומטרי המורכב של חלל האף החיצוני, בנוסף לזאת העלות נמוכה מאוד ומתקבל מודל קשיח. המגבלה העיקרית היא חוסר ניסיון בעבודה עם החומר.

במודל זה תוכננו שלושה גדלים מייצגים של אף חיצוני: קטן, בינוני וגדול. תכנון האף החיצוני דרש התייחסות לשני פרמטרים עיקריים: שטח חתך היציאה מהאף ושסתום האף. השוני בחתכי היציאה מתקבל מהאורכים השונים של האף ומרוחב הנחיריים, בנוסף למידע מהספרות לגבי פרמטרים אלה ביצעתי מספר מדידות מצומצם על אנשים כדי לקבל מושג על מידות קיצוניות הנפוצות במחוזותינו (מדידות אלו באו לידי ביטוי בממדי האף הגדול). שסתום האף תוכנן כאמור על-פי המידע והתמונות במאמרים, ובנוסף לזאת בהתייעצות עם ד"ר מיכאל וולף רופא אף-אוזן-גרון מבית-החולים תל-השומר אשר הביע את שביעות רצונו מהמודל. ברצוני לציין כי ביצוע מודל האף החיצוני טוב בהרבה מהשרטוטים, מבחינת הקירבה שלו למבנה האמיתי, דבר הנובע ממגבלות תוכנת השרטוט.
השיקולים שנלקחו בחשבון בתכנון הם:

1. המבנה הפנימי של האף החיצוני ניתן לחיקוי בצורה טובה על-ידי חימר.

2. חיבור האף החיצוני לפנימי נעשה באמצעות פלטת אלומיניום שאליה מודבק האף החיצוני באופן קבוע על-ידי סיליקון המבטיח אטימה טובה לאוויר. הפלטה מחוברת לאף הפנימי בעזרת ברגים.

3. איטום המודל לאוויר על-ידי מריחת חומר, בשם Blue-Tack, על משטח הפלטה בחיבור לאף הפנימי.

שרטוטי הייצור למודל האף החיצוני מצורפים בנספח ב'. ביצוע המודלים של האף החיצוני נעשו בעבודת-יד בשימוש בחימר לבן. בשלב הראשון הוכן הנגטיב של חלל האף בשימוש בחימר קשה ולאחר זמן ייבוש של 12 שעות התקבלה תבנית קשיחה. על תבנית זו נמרחה שכבה עבה של חימר רך ולאחר זמן ייבוש של 24 שעות ניתן היה להפריד את מודל האף החיצוני מהנגטיב. בשלב האחרון מודל האף הודבק באופן קבוע באמצעות סיליקון לפלטת אלומיניום, שבאמצעותה מחברים את האף החיצוני לפנימי.

תמונה 3: צילום מודל האף החיצוני בשלושה גדלים.

4.3. המעמד למודל

על מנת להרכיב את המודל השלם במערכת הניסוי, יש לחברו למעמד בגובה מתאים שיאפשר חיבור אופטימלי לסימולטור. השיקולים שנלקחו בחשבון בתכנון הם:

1. המעמד תוכנן לשבת על רוחב מסילת הסימולטור.

2. המעמד יחובר למסילה באמצעות ברגים, כאשר בקצה הבורג המתחבר למעמד יש אום עגול ובחיבור למסילה יש אום ריבועי עם קשת קפיצית המושחל לתעלה.

3. חיבור המודל למעמד נעשה באמצעות ברגים.

4. בחלקו האחורי של המעמד יצרתי חלון על מנת לאפשר הכנסת היד להברגה.

5. עומק המעמד תוכנן כך שיישאר מספיק מרווח ליציאת הצינור.

שרטוט הייצור למעמד מצורף בנספח ג'. ייצור המעמד מאלומיניום התבצע בבית-מלאכה בטשון אסיר ברמלה בעלות של 80$.

תמונה 4: צילום מודל האף המורכב במערכת, מהצד.

5. ביצוע ניסויים במודל האף

בפרק 4 תואר התכנון והביצוע של מודל האף, אשר הורכב כמודל שלם וחובר למערכת הנשימה הממוחשבת. בפרק זה נתאר את הניסויים שבוצעו באמצעות מתמר הספיקה, שבוצע בפרויקט 257 , עם מודל האף (תמונות 5-6).

מערכת הניסוי (תמונה 5) כוללת בוכנה בעלת ספיקה נשלטת (חלק 1) , מודל האף (חלק 2) ומתמר ספיקה (חלק 3).

המטרות שהוגדרו לניסויים הן:

1. בחינת תפקוד המודל ומתמר הספיקה בניסויים.

2. בדיקת השפעת אפים חיצוניים שונים על הזרימה.

3. בדיקת השפעת הטורבינות על הזרימה.

להלן פרוטוקול הניסוי:

עבור כל אחד מסוגי האף החיצוני התבצעה בדיקה לתגובה לאותות סינוסואידליים בארבע ספיקות מקסימליות שונות. עבור מודל אף הפנימי התבצעו ניסויים בשתי ספיקות סינוסואידליות מקסימליות כאשר כל הטורבינות נמצאות, כאשר הטורבינה העליונה הימנית מוסרת, כאשר הטורבינה התחתונה הימנית מוסרת, כאשר שתי הטורבינות הימניות מוסרות. ביצוע ניסויים בארבע ספיקות סינוסואידליות מקסימליות כאשר שתי הטורבינות הימניות מוסרות, ובצד שמאל קיימת חסימה של 70% משטח מעבר האוויר.

מתוצאות ניסויי זרימת האוויר במודל האף הגענו למסקנות הבאות:

1. מהניסויים שבוצעו נראה כי שימוש במערכת מדידה מהסוג הנוכחי בעייתי עם אף חיצוני כפי שיוצר.

2. נראה כי הסרת הטורבינות אינה משפיעה על תוצאות המדידה.

3. חסימה משמעותית של שטח החתך משפיעה על תוצאות המדידה כצפוי.

תמונה 5: צילום מערכת הניסוי.

תמונה 6: צילום המערכת במהלך ניסוי.

6. סיכום

6.1. סיכום העבודה

במסגרת פרויקט זה תוכנן ונבנה מודל דמוי-אף לביצוע סימולציה של זרימת אוויר במעבדה באמצעות מערכת נשימה ממוחשבת. פרויקט זה עומד במפרט הדרישות הראשוניות שהוצבו, מלבד עיכוב של חודש בלוחות הזמנים.

יישומיות הפרויקט באה לידי ביטוי בשימושים השונים שניתן לעשות במודל האף:

1. באמצעות המודל ניתן לבדוק רגישות מערכת המדידה שבוצעה בפרויקט 257 ותגובותיה במצבים שונים של המודל.

2. בהמשך ניתן יהיה לבחון שיטות מדידה נוספות בשימוש במודל האף.

3. בהמשך ניתן יהיה להכניס חישני לחץ בנקודות שונות בתוך המודל כדי לבחון את מהלך הזרימה באזורים שונים בחלל האף.

המודל שהתקבל הוא מודל עמיד מבחינה מכנית שיכול לשמש זמן רב ליישומים השונים, לכן ההשקעה הכספית במודל אינה גבוהה יחסית לשימוש שייעשה בו.

להלן פירוט היתרונות והחסרונות של מודל זה בהשוואה למודלים שניבנו בעבר:

יתרונות

1. מודל זה הנו מודולרי ומאפשר פירוק והחלפה של אלמנטים שונים, דבר שלא מתאפשר במודלים שהוצאו מתוך חללי גוויה ובמודלים אחרים שבוצעו.

2. המודל מאפשר שימוש בסוגי אפים חיצוניים שונים כאשר מודלים בעבר ניבנו על סמך תבנית ספציפית אחת, או שלא הייתה בהם הפרדה בין אף חיצוני לפנימי.

3. המודל הינו בגודל אמיתי בשונה ממודלים מוגדלים, דבר החוסך חישובי דמיות.

4. המודל מורכב משני צדדיו של האף בשונה מרוב המודלים הכוללים רק את מחצית האף.

חסרונות

1. מודל זה הינו פחות מדויק ממודלים שניבנו על בסיס תבנית שהוצאה מגוויית אדם.

2. מודל האפים החיצוניים הוא קשיח ואינו מחקה את התכונות המכניות של האף החיצוני שהוא גמיש ברובו.

3. מודל האף החיצוני שהתקבל אינו סימטרי, דבר הנובע ממגבלות הייצור הידני, אך מתיישב עם העובדה שהאף האמיתי אינו סימטרי.

6.2. מסקנות והמלצות

להלן מסקנות וההמלצות הנובעות מביצוע פרויקט זה:

1. בביצוע מודל האף החיצוני עדיף היה לייצר מסגרת חיצונית פשוטה של האף כולל הספטום, בכרסום מאלומיניום, ובתוך מסגרת זו ליצור את המבנה הפנימי המורכב של האף כולל השסתום על-ידי שימוש בחימר. דבר זה היה מונע את בעיות ההתאמה של מודל החימר לספטום ולפלטת האלומיניום, שנוצרו מאחר והייבוש גרם למודל החימר להתכווץ. בנוסף לזאת היה מתקבל דגם עמיד בפני פגיעות מכאניות.

2. מודל האף החיצוני שהוא קשיח, בשונה מאף אדם שהוא גמיש, היווה בעיה בחיבור ה-Nose-piece לנחיריים. בהמשך ניתן לבנות מודל מחומר גמיש כמו סיליקון שייקל על החיבור ל- Nose-piece.

3. במדיד המשתמש ב- Nose-piece שטח חתך היציאה נקבע למעשה על-ידי ה- Nose-piece שמופיע במספר גדלים, ולכן שינוי שטח חתך הנחירים אינו משפיע על המדידות. לעומת זאת שטח חתך הנחיריים כן רלוונטי במדידים חיצוניים מסוג אחר, כמו לדוגמה במדיד הקיים במעבדה ופועל על תנודות מטוטלת הנוצרות מזרימת האוויר היוצאת מהנחיר.

4. כפי שכבר הוזכר, בהמשך ניתן יהיה להכניס חישני לחץ בנקודות שונות בתוך המודל כדי לבחון את מהלך הזרימה באזורים שונים בחלל האף.

5. כפי שכבר הוזכר, בהמשך ניתן יהיה לבחון שיטות מדידה נוספות בשימוש במודל האף.

ניתן למרוח במודל שכבת חומר בעלת תכונות מכניות הדומות לשל מוקוזה ולבחון את ההשפעה על הזרימה.