卧床患者臀部自动辅助翻身生物力学建模与评估及其在压力性损伤预防中的意义

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Biomechanical Modeling and Evaluation of Buttocks Automatic Assisted Repositioning in Bedridden Patients

　　本研究针对卧床患者压力性损伤（PUs）预防中自动辅助翻身策略缺乏有效模型指导的难题，通过构建臀部-床垫集成计算模型，结合逆向建模、节点等效技术与响应面法优化软组织参数，利用有限元分析揭示了不同翻身角度（0°–30°）下深部组织的力学响应。结果表明，30°翻身角度可显著降低软组织总应变22.27%（床垫-皮肤界面）和20.43%（肌肉-脂肪界面），为自动护理床优化及翻身策略制定提供了理论依据。

　　

对于长期卧床的患者来说，压力性损伤（Pressure Ulcers, PUs）是一个常见的严重并发症。这些损伤通常发生在骨骼突出部位，比如臀部，由于持续的压力和剪切力导致局部组织缺血、缺氧，最终引发组织损伤。尽管护理人员会定期为患者翻身以缓解压力，但人工翻身不仅劳动强度大，而且难以保证频率和角度的精确性。近年来，自动倾斜护理床的出现为这一问题提供了新的解决方案，它能够通过调整床的角度来实现自动辅助翻身。然而，如何确定最佳的翻身角度，既能有效减轻压力，又不会增加患者的风险（如跌落），仍然是一个悬而未决的问题。更重要的是，目前缺乏能够准确模拟辅助翻身过程中深部组织（如肌肉和脂肪）力学响应的模型，这限制了对翻身策略的优化和个性化设计。

为了填补这一空白，来自重庆大学、遵义医科大学附属医院、重庆医科大学第一附属医院和北京航空航天大学的研究团队在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表了一项研究，他们开发了一种新颖的计算模型，将臀部与支撑床垫集成在一起，模拟自动辅助翻身过程，从而分析深部组织的生物力学响应并优化翻身角度。

研究人员主要采用了几个关键技术方法：首先，利用逆向建模技术，基于磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）和计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）数据重建了臀部的三维几何形状。其次，采用节点等效技术（Nodal Equivalence Technique）简化了不同组织（如骨骼、肌肉、脂肪、皮肤）界面处的网格，避免了传统绑定接触可能出现的穿透问题，显著提高了计算效率。第三，使用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）优化了软组织的材料参数（采用一阶Ogden本构模型来描述其超弹性行为），使得模型能够更准确地模拟真实组织的力学行为。有限元分析（Finite Element, FE）则被用来评估不同翻身角度（0°, 10°, 20°, 30°）下的生物力学响应，包括应变、等效应力（Von-Mises Stress）和剪切应力。研究的样本数据来源于一名健康女性志愿者。

模型构建、参数获取和实验设计

通过获取志愿者在仰卧非承重状态下的MRI和CT影像数据，研究人员重建了包含骨盆、骶骨、尾骨、股骨以及臀部肌肉、脂肪和皮肤的详细三维几何模型。他们采用节点等效技术优化了组织接触界面，并利用响应面法优化了软组织的Ogden模型参数（μ和α），使得模型预测的组织变形与MRI测量值之间的误差在可接受范围内（肌肉变形误差为6.93±7.41 mm）。

结果

网格优化结果

节点等效技术使模型单元数量减少了33.16%，计算时间缩短了77.24%，收敛所需迭代次数减少了51.16%，显著提升了计算效率。

参数优化结果

经过1012次优化迭代，最终确定了皮肤/脂肪组织和肌肉的一阶Ogden模型参数（μ_{皮肤/脂肪}=2967.5 Pa, α_{皮肤/脂肪}=15.228；μ_肌肉=1018.5 Pa, α_肌肉=8.1018）。

模型验证结果

模型验证包括软组织变形分析和接触压力验证。变形误差处于可接受范围，而有限元模拟与Tactilus压力垫测量的接触压力分布趋势相似，尽管峰值压力存在约22.4%的差异，但这被认为是由于测量分辨率不同所致，总体分布模式的一致性支持了模型的有效性。

不同角度下的应变、应力和剪切应力结果

等效应变结果

随着翻身角度从0°增加到30°，骶尾骨区域和左侧坐骨结节（Ischial Tuberosity, IT）下方的软组织应变显著降低。从0°到20°，总应变减少了18%，从20°到30°又减少了2%，总计减少20%。右侧IT区域的应变变化相对较小。

等效应力（Von-Mises）结果

左侧皮肤-床垫（S-M）界面和肌肉-脂肪（M-A）界面的峰值等效应力随着角度增加而逐渐下降。总体而言，S-M界面峰值应力降低了22.27%，M-A界面峰值应力降低了20.43%。右侧的应力变化较小。

剪切应力结果

在右侧臀部，随着角度增加，沿X轴正负方向的剪切应力均有所增加；而在左侧臀部，剪切应力则显著降低。整体峰值剪切应力从0°时的2.14 kPa（+X轴）和-2.15 kPa（-X轴）分别下降至30°时的1.77 kPa和-1.64 kPa。

讨论与结论

本研究通过集成多目标遗传算法（Multi-Objective Genetic Algorithm, MOGA）、节点等效技术和有限元分析，建立了个性化的臀部生物力学模型，有效优化了软组织参数并提升了计算效率。模型验证表明其能够可靠地模拟组织变形和压力分布。对不同翻身角度的分析揭示，增加到30°的翻身角度能有效降低骨骼突出区域的应变、等效应力和整体剪切应力，从而减轻压力集中。值得注意的是，研究观察到在20°到30°之间，应力应变的降低速度减缓，甚至在“承重侧”出现轻微反弹，这可能暗示存在一个阈值效应，超过该角度后减压效益可能不再显著增加甚至可能减弱，这一现象值得进一步研究。

该研究的结论为自动辅助翻身护理床的设计和翻身协议的优化提供了重要的理论依据，表明30°的翻身角度有利于缓解压力集中，补充了先前关于该角度能提高舒适度和对生命体征影响小的临床观察。尽管模型未能模拟微循环效应且分析限于30°以内，但其为压力性损伤的机械性预防策略开发提供了有力工具，并可将此生物力学分析框架推广至足部、肩部等其他高风险区域。