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坐姿时臀肌和包裹脂肪的应变和应力分布
来源:TEKSCAN_压力发电膜_piezoelectricity_压力发电_压力发电膜鞋_压力发电机_薄膜压力发电 | 发布时间:2020-2-21 | 浏览次数:
坐姿时臀肌和包裹脂肪的应变和应力分布:开放式MRI与特定对象有限元分析 Eran Linder Ganz(1),Noga Shabshin(2),Yacov Itzchak(2),Amit Gefen(1) 以色列特拉维夫大学工程学院生物医学工程系 *通讯作者。电话:+886-4-8511888x2118;传真:+886-4-8511215。 以色列哈舍姆查姆谢巴医疗中心诊断成像科 介绍 深压疮(DPS)是一种常见但严重的疾病,折磨着坐轮椅和卧床不起的病人。压疮通常发展为两个不同的品种,浅和深。DPS是一种更为严重的医疗并发症,这是本研究的动机[1]。许多研究人员一致认为,DPS的原因是机械负荷延长,干扰了血液流动和血管化软组织代谢副产物的清除。这类研究的一个基本的第一步是描述坐姿等支撑姿势下肌肉和脂肪组织的机械状态。为此,不仅坐位患者深部软组织的变形、应变和应力数据在文献中缺失,而且坐位期间肌肉和脂肪组织的标准力学条件也缺乏相关信息。我们的目标是在开放式磁共振成像中测定坐骨结节(IT)下人体深层肌肉和脂肪的应变和应力分布。有限元(FE)解算器离线处理MR图像,以便使用“逆向工程”方法获得肌肉和脂肪中的二维(2D)局部应变和应力张量,详见下文。 29岁健康女性坐前(左)和坐中(右)臀部的冠状位MRI图像 方法 本研究招募了两名男性和两名女性健康受试者(年龄:27-29岁,体重:55-85公斤)。在开放式MR系统中进行成像。开放式磁共振成像系统的独特结构使得在非负重和负重坐姿时成像成功。每个受试者都被要求舒适地坐在磁共振场内:首先,放在系统坐姿表面(非负重坐姿)的橡胶轮胎上,然后直接坐在坐姿表面(负重坐姿)。在负重坐姿过程中,还使用压力垫(“Tactilus”,Sensor Products Co.)测量了界面压力。对于每个MRI采集阶段,扫描IT及其周围和底层软组织,并生成2D冠状图像(图1)。其次,根据每个受试者的非负重磁共振成像,建立了非负重臀部几何结构的二维有限元平面应力模型。每个受试者特定的模型包括肌肉、皮质骨、小梁骨、脂肪和皮肤。通过对比两幅相对应的磁共振图像,对每一位受试者以负重姿势向坐姿表面垂直下垂进行了数字测量。我们使用骨下垂测量作为特定对象有限元模型的位移边界条件。此外,与坐姿表面接触的外部节点被限制在垂直方向上运动。在求解了这些边界条件的有限元模型后,我们分别对每个受试者的变形臀肌和包裹脂肪的轮廓与使用最小二乘法在负重MR图像中看到的相应轮廓进行了比较(图2)。通过调整脂肪弹性模量在±10%的范围内,我们能够提高铁溶液对MR图像的拟合度。在获得最佳拟合(R2>0.9,p<0.05)后,FE溶液为每个受试者提供了臀肌和底层脂肪的局部应变和应力张量。 坐位时臀部MR图像中臀肌组织的分割 应用特定对象有限元模型预测臀肌变形 FE预测的臀肌轮廓与MRI测量的肌肉轮廓的最佳拟合-调整脂肪硬度以微调FE模型变形后的肌肉轮廓 结果 坐位时左右侧垂直下垂无明显差异,为17±2 mm。界面压力峰值左右差异不显著,为19±3kpa。由特定于受试者的有限元模型计算出的峰值界面压力与实验数据重叠(18±4kpa),且每个受试者在统计学上相似,这一点从分别对左侧和右侧进行的配对t检验中可以明显看出。使用“逆向工程”方法,我们能够计算坐着(桌子)时,肌肉和脂肪中的应变和应力分布。图3显示了受试者D(一名健康女性,年龄:29岁,体重:55公斤)的肌肉和脂肪应变和压力的分布。臀肌沿Mm路径的主要压缩应变和应力在其下方达到峰值,并在内侧和外侧降低。肌肉应变和应力沿路径Nm在距骨-肌肉界面约5毫米处达到峰值,并从该点的近端和远端下降。同样,沿着Mf路径的脂肪层中的主要压缩应变和应力在其下方达到峰值,并在内侧和外侧降低。脂肪组织中沿Nf路径的应变和应力比相应路径Nm处的肌肉应变/应力分布更均匀,从最近点到最远点的应变和应力减少约10-15%。一般来说,肌肉的张力和应力比脂肪高而不均匀。受试者的应变和应力分布模式大体相似,即臀肌的应变和应力峰值都出现在IT下方,不是直接出现在骨骼肌界面,而是出现在3-5mm的远端。肌肉中的峰值应变在压缩时约为脂肪的1.6倍,在拉伸时约为脂肪的2.2倍(受试者之间的平均值),并且肌肉中的峰值压缩应力比脂肪中的压缩应力大1.5倍,均匀分布的程度小于脂肪中的压缩应力。有趣的是,肌肉组织承受着相当大的张力(受试者的峰值平均值约为10千帕),但脂肪组织在这种张力下表现出可忽略的张力。 29岁健康女性坐骨结节下深层组织(脂肪和肌肉)的主要压缩应变 29岁健康女性坐骨结节下深层组织(脂肪和肌肉)的主压应力 讨论 我们的结论是,最大的组织应变和应力发生在臀肌,而不是脂肪或接近体-座椅界面的皮肤。本研究结果具有实际的临床相关性。压疮预防行业使用身体支持界面压力测量来确定组织中的应力降低。界面压力图可用于评价皮肤的力学条件,但不能反映深层软组织的力学条件[2]。因此,特殊的支撑面不一定能减少深层软组织的内部应变和应力[3],这些产品的减压对于预防DPS的发生可能是无效的。这将非常有助于扩展目前的研究,并测试特殊床垫和垫子对深层肌肉和脂肪组织应变和应力分布的影响。 参考文献 Bliss,M.R.,1992年,“急性压力区护理:詹姆斯·佩吉特爵士的遗产”,《柳叶刀》,339,第221-223页。 Gefen,A.,Gefen,N.,Linder Ganz,E.,和Margulies,S.S.,2005,“骨压缩下的体内肌肉硬化促进深部压疮”,生物技术工程杂志,127,第512-524页。 Linder Ganz,E.和Gefen,A.,2004年,“机械压缩引起的大鼠后肢压力性溃疡:肌肉硬度、组织学和计算模型”,《应用生理学杂志》96期,第2034-2049页。
 
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