一种用于评估静态与动态载荷下臀部与支持面相互作用的多尺度有限元框架

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：A multi-scale finite element framework for evaluating buttocks–support surface interactions under static and dynamic loading

　　

摘要

背景与目的

由于临床证据有限，压力性损伤（PI）的预防仍然具有挑战性，而作为补充方法的现有生物力学研究 largely 局限于静态条件、简化模型以及对动态床垫行为表征不足。因此，本研究开发了一个多尺度生物力学框架，用于评估静态和动态加载条件下臀部 - 支撑表面相互作用，并为表面选择和设计提供信息。

方法

将从 MRI/CT 重建的个体化臀部模型与在 CAD 中建模的三种支撑表面——标准泡沫床垫（SFM）、条状充气床垫（ST-AFM）和球形充气床垫（SP-AFM）——相结合，生成了三个不同的生物力学模型。软组织 和 SFM 使用超弹性 Ogden 公式建模，而气室膜则用带有内部理想气体的校准 Mooney–Rivlin 模型表示。在静态和交替压力条件（24/12 kPa）下进行有限元模拟，评估刚度、反作用力、界面应力和组织应变。

结果

在静态加载下，SFM 表现出最高的刚度（7.69 N/mm），而 SP-AFM 表现出较低的刚度（5.35 N/mm），并且在指定位移条件下，模拟的高应力区域（> 16 kPa）比例降低了多达 0.53%。应变反应具有区域特异性：SP-AFM 在坐骨结节（IT）区域产生的压缩和剪切应变幅度较低（LE22: ? 0.489; LE12: 0.506），而 ST-AFM 在骶尾（SC）区域产生的应变幅度较低（LE22: ? 1.183; LE12: 0.805）。在循环加载下，刚度降低，应变表现出与相位相关的变化。在 IT 区域，SP-AFM 的应变从 0.4430 降至 0.363（? 17.8%），而 ST-AFM 增至 0.712，超过 SFM 基线 13.5%。

结论

本研究开发了一个多尺度有限元框架，用于评估臀部 - 支撑表面相互作用，并表明支撑表面的机械性能受结构配置、解剖异质性和时间负荷调节之间耦合作用的支配。这些发现可能通过支持特定区域的腔体设计和感知相位的压力控制策略，来指导压力性损伤的预防，以减少压力性损伤易发区域的持续压缩和瞬时组织过载。