一种基于纤维驱动的有限元模型，用于预测残肢软组织的变形：在假肢 socket 设计中的应用

《Annals of Biomedical Engineering》：A Fiber-Driven Finite Element Model for Predicting Residual Limb Soft Tissue Deformation: Applications in Prosthetic Socket Design

残肢软组织变形预测与假肢设计优化研究。采用3D有限元模型模拟大腿部软组织动态变形，通过迭代调整肌纤维收缩参数匹配物理模型，显著降低预测误差（0.83%-1.86%），验证模型在步态变化下的普适性，为假肢/矫形器预设计提供工具支持。

　　

摘要

目的

残肢体积和形状的变化给实现和保持假肢套的准确、舒适的贴合度带来了重大挑战。尽管已经提出了许多测量残肢体积的技术，但这些技术在临床应用中仍受到分辨率不足以及无法在假肢套内部进行测量的限制。为了解决这个问题，本研究开发了一种新的方法，用于预测残肢软组织的变形，以指导假肢套的设计。

方法

开发了一个三维（3D）有限元（FE）模型来模拟人体大腿在日常活动中的软组织变形，这些变形是由肌肉收缩驱动的，以再现自然生物力学。该模型包括硬组织和肌肉成分，其中肌肉被建模为由均匀分布的收缩纤维组成的结构，这些纤维产生运动。控制纤维收缩的参数经过迭代调整，以最佳匹配计算出的组织变形与实际肌肉模型中观察到的变形。

结果

优化后的FE模型显著提高了预测动态软组织变形的准确性，组织扩张区域的平均误差为0.83%，收缩区域的平均误差为1.86%。对于不同的步态模式，等效体积和横截面积变化的平均差异也分别小于0.83%和1.86%。

结论

该模型在不同步态数据下表现出一致的预测准确性。所开发的基于纤维驱动的软组织模型为假肢套和矫形器的预设计模拟提供了有价值的工具。它同样适用于其他与皮肤接触的可穿戴设备，为改进设备设计和功能提供了可靠的框架。