基于个体化有限元模型分析肥胖个体不同侧卧角度下深层组织应力分布

《BMC Musculoskeletal Disorders》：Optimization of lateral lying angle for pressure injury prevention in obese patients based on finite element analysis

　　

摘要

背景

压力性损伤（PI）是长期制动患者中常见的并发症，变换体位是减压和压力再分配的重要策略。30°侧卧位常用于减少骶尾部的负荷；然而，在肥胖个体中，较大的软组织体积和局部组织分布的差异可能会改变仰卧或侧卧时的负荷传递情况。适当的侧卧角度以及主要受压区域的深层组织力学响应目前仍未得到充分量化。本研究旨在利用个体化有限元模型，比较0°、30°、45°和60°体位下骶尾部、坐骨结节和股骨大转子区域的深层组织应力分布情况。

方法

招募一名健康成年男性志愿者（32岁，身高170厘米，体重90千克，BMI 31.1千克/平方米），对其腰骶臀部区域进行CT和MRI扫描。建立了一个包含骨骼、等效连续肌肉区域、脂肪组织和皮肤的个体化三维有限元模型，并分别构建了0°仰卧位以及30°、45°和60°左侧卧位模型。采用等效部分体重加载方法，通过骨盆/双侧股骨施加受控位移，直至支撑垫上的总垂直反力达到约133牛；所有体位下均保持相同的目标载荷。评估了三个感兴趣区域在肌-脂界面的冯·米塞斯应力和最大剪切应力，以及骨-肌界面的峰值冯·米塞斯应力。利用0°模型、局部单元尺寸分别为4.0、3.0、2.0和1.5毫米的网格，通过比较峰值冯·米塞斯应力和应力空间分布来评估网格收敛性。通过将0°体位下预测的臀部-支撑垫接触压力分布与既往报道的人类压力映射数据进行定性比较，评估基线生物力学合理性。各体位结果采用描述性比较，未进行推断性统计检验。

结果

从MESH2到MESH3以及从MESH3到MESH4，峰值冯·米塞斯应力的相对变化分别为2.42%和1.28%，而主要应力集中位置和空间分布模式在MESH2至MESH4之间总体保持一致。因此，后续分析采用MESH3。在0°体位下，接触压力主要集中于骶尾部及相邻受压区域，预测峰值接触压力为9.92千帕；整体分布模式与既往报道的人类压力映射数据定性一致。深层组织应力表现出与体位相关的再分布特征。在30°体位下，肌-脂界面应力主要集中于左侧股骨大转子周围。在45°体位下，骨-肌界面的峰值冯·米塞斯应力在骶尾部、坐骨结节和股骨大转子区域分别为0.26、0.60和0.27千帕，代表在测试体位中应力相对较低且更为均衡。在60°体位下，骶尾部峰值冯·米塞斯应力升至68.60千帕，表明在较大侧卧角度下出现非线性应力反弹。

结论

在定义的建模和加载条件下，侧卧角度显著改变了主要受压区域的深层组织应力分布。在所测试的四种体位中，45°侧卧位与相对较低且更为均衡的骨-肌界面应力相关，提示对本模型所代表的肥胖个体而言，该体位可能具有更为有利的局部力学环境。网格收敛性支持了所采用空间离散化的数值稳定性，而基线接触压力比较支持了外部接触行为的生物力学合理性，但并未构成对绝对深层组织应力的定量实验验证。因此，本研究的发现应主要作为该个体化模型内的相对力学趋势来解读，并需要在多受试者、实验和临床研究中进行进一步验证。

临床试验编号

不适用。