个性化材料参数在预防压力性损伤中的关键作用：骶骨软组织受压的有限元建模研究

本文推荐研究人员针对压力性损伤(PU)预防中骶骨软组织受压的力学机制问题，开展了基于MRI-DVC技术的个性化有限元(FE)建模研究。通过结合VLASTIC吸力测试获取个体化材料参数，建立了高精度骶骨软组织模型，验证显示位移预测误差<7%，剪切应变误差降至20-34%。该研究突破了传统模型依赖通用参数的局限，为个体化深部组织损伤(DTI)风险评估提供了新范式。

　　

在临床护理领域，压力性损伤（Pressure Ulcer, PU）始终是困扰行动受限患者（尤其是老年和残疾人群）的严峻挑战。这种发生在骨突部位皮肤和软组织的局部损伤，不仅给患者带来巨大痛苦，更造成惊人的医疗负担——美国年耗资超过268亿美元，欧洲每日预防费用达3-88欧元/患者，而治疗费用甚至高达470欧元/天。更令人担忧的是，尽管预防意识增强，严重病例的比例仍在持续上升。

传统观点认为，压力性损伤主要由持续压迫导致毛细血管关闭、组织缺血引起。但近年研究发现，剪切力和内部应变才是深层组织损伤（Deep Tissue Injury, DTI）的关键机制，尤其在骶骨这类软组织衬垫较薄的区域。骶骨区域因其皮下组织薄弱且覆盖明显骨性突起，在卧床操作时承受极高的压力和剪切应力，成为深部组织损伤的高发部位。研究表明，瘦弱个体因软组织厚度减少，该区域的压力和剪切力值更高。

虽然基于有限元（Finite Element, FE）的计算模型已被用于评估组织损伤风险，但这些模型很少经过实验验证，或仅通过匹配界面压力等间接方式验证，无法真实反映组织内部的应变分布。而内部应变恰恰是导致细胞损伤的直接力学因素。埃因霍温大学在布朗-挪威大鼠胫骨前肌上的压痕实验首次确立了健康鼠骨骼肌的损伤阈值，并发现即使外部载荷相同，个体间肌肉损伤程度也存在显著差异，提示个体特异性对压缩性损伤的耐受性起关键作用。

因此，开发能够准确预测内部应变场并经过实验验证的个性化计算模型，成为解决这一问题的核心挑战。在此背景下，本研究团队在《Clinical Biomechanics》发表了一项开创性研究，通过结合磁共振成像（MRI）、数字体积相关（Digital Volume Correlation, DVC）技术和个性化有限元建模，首次建立了针对骶骨软组织的生物力学模型，为个体化深部组织损伤风险评估提供了新方法。

本研究采用了几项关键技术方法：首先利用3T MRI系统采集了一名健康男性志愿者（34岁，BMI 27.8 kg/m²）骶骨区域在未加载和四种不同垂直载荷（4.3N、6.1N、8N、11.9N）下的高分辨率三维图像；通过手动分割技术从MRI数据中提取了脂肪、筋膜、肌肉和骨骼的精确几何模型；采用VLASTIC吸力装置测量皮肤和脂肪组织的原位力学特性，获取个体化材料参数；基于Yeoh超弹性本构模型建立有限元模型，并通过DVC技术从MRI图像中提取内部位移和应变场进行验证。

个性化几何模型建立

研究人员基于未变形状态（L0）的MRI数据，手动分割了浅层和深层皮下脂肪组织、竖脊肌、臀大肌及底层骨骼，构建了包含多层软组织结构的个性化三维几何模型。筋膜层被建模为壳单元，脂肪和肌肉采用实体单元，准确还原了骶骨区域的解剖结构复杂性。

本构模型与参数个性化

研究采用Yeoh超弹性模型描述皮肤、脂肪、筋膜和肌肉的力学行为。通过文献中的实验数据拟合得到了各组织的通用材料参数，然后利用VLASTIC吸力测试获得的个体化杨氏模量（皮肤37.7kPa，脂肪1.8kPa）计算出相应的C₁₀参数（皮肤6.3kPa，脂肪0.3kPa），实现了材料参数的个体化校准。

有限元离散与接触建模

模型采用Hypermesh软件进行网格划分，使用ANSYS Mechanical APDL进行求解。皮肤和筋膜用壳单元表示，脂肪和肌肉采用四面体实体单元。骨骼接触面完全固定，组织层间节点合并，压头与皮肤间设定为无摩擦接触。通过 pilot node 施加垂直载荷，进行准静态分析。

DVC位移场提取与验证

采用Elastix库进行非刚性图像配准，计算未加载与加载配置间的三维变形场。通过高级归一化相关系数（ANCC）优化配准精度，使用B样条变换描述体素级位移。该流程经过先前研究验证，显示在应变测量中具有高精度和低误差。

结果比较与分析

将有限元预测与DVC测量结果进行对比显示：在位移场方面，个性化模型与DVC测量高度一致，最大垂直位移误差从通用模型的33-38%降至2-7%；在剪切应变方面，虽然分布模式相似，但有限元模型仍低估了峰值剪切应变，误差从通用模型的57-63%降至20-34%。结果表明，个性化材料参数显著提高了模型预测精度，尤其是在位移场方面。

研究结论强调，通过个性化材料参数校准，有限元模型能够更准确地预测骶骨软组织在受压时的力学响应。虽然位移场预测达到较高精度，但剪切应变的低估提示模型仍需进一步改进，包括更精确的组织界面力学描述、大应变行为表征和更复杂的接触条件。

讨论部分指出，这是首个针对骶骨区域的个性化有限元模型研究，该区域与臀部其他区域相比具有软组织更薄、更适合吸力测试表征的特点。研究突破了传统模型依赖通用参数的局限，将个体化力学特性与先进成像验证相结合，为深部组织损伤风险评估提供了新思路。

该研究的核心意义在于建立了经过实验验证的个性化计算框架，为临床压力性损伤预防提供了潜在的工具。未来通过扩大样本规模、纳入高风险患者群体、改进组织界面建模和整合区域特异性力学数据，这一方法有望发展成为个体化损伤风险评估的临床实用工具，最终减轻压力性损伤这一沉重医疗负担。

这项研究代表了生物力学建模与临床医学交叉领域的重要进展，通过多学科技术融合为解决长期存在的临床难题提供了新范式，展示了个性化医疗在预防保健领域的巨大潜力。