基於 CT 影像進行預防性骶骨敷料建模與多層結構設計模擬
概述
骶骨是仰臥期間最容易發生壓力損傷 (PIs) (包括深部組織損傷)的解剖部位，預防性敷料通常用於減少摩擦、減輕內部組織剪切負荷、控制微氣候以及整體緩衝骶骨下軟組織預防持續變形。
在這項研究中，作者使用 Synopsys Simpleware 軟體開發了一組基於 MRI 的臀部 3D 有限元模型，以便研究在仰臥或標準的醫院泡棉床墊 45° 半坐臥位置使用時，預防性骶骨敷料設計的生物力學性能。
亮點
- 模擬可以更好地了解醫院泡沫床墊與壓力相關的患者損傷
- Simpleware 軟體快速準確的 3D 影像處理工作流程，縮短時間、提高結果可信度，並輕鬆適應不同的應用
- 持續性的研究可為敷料的選擇和設計提供資訊，以降低損傷風險
工作流程：
- 獲取 28 歲女性受試者承重臀部的 76 張 T1 加權軸向 MRI 切片
- Synopsys Simpleware ScanIP 中的資料分段和模型變體生成
- 在 Simpleware FE 中產生 3D FE 模型，導出至 FEBio (v2.5) 的 PARDISO 求解器中進行分析
- 多層結構和持久的各向異性特性是良好的預防性敷料的重要特徵。
從 MRI 到 3D 影像處理
對一名 28 歲健康女性受試者的承重臀部採集了 76 個 T1 加權軸向 MRI 切片，使用 Synopsys Simpleware ScanIP 分割出骨盆骨、股骨、骨骼肌和軟組織。 本研究應用相關的感興趣區域（VOI）體積模型為 6.7×2×5.1 cm3 的立方體，包含骶骨和周圍軟組織。接下來引入三層測試的預防性敷料，即聚氨酯泡棉層、不織布纖維層和氣流成網層，作為建模中的物理層。 使用 Simpleware ScanIP 的 3D 編輯工具將模型化的敷料修整為典型的心形幾何結構。
圖：MRI 切片和 Simpleware ScanIP 模型創建的心形多層預防性敷料。
產生用於模擬的 FE 模型
結合 Simpleware 軟體的 ScanIP 和 FE 模組為有限元分析生成 3D 網格模型，該模型包括分配給不同組織的 50,000 個 4 節點線性四面體，以及與扁平泡棉墊相關的 10,400 個 8 節點線性六面體，以及分配給 ACB 墊的 245,235 個 4 節點線性四面體，坐墊需要密集的網格以實現收斂。使用 PreView (v1.8) 設定模擬並使用 FEBio (v1.5.1) 的 PARDISO 線性解算器進行分析，然後使用 PostView (v1.4) 進行後處理。 使用 64 位元 Windows 7 工作站（Intel Core i7 920 2.57 GHz CPU 和 12 GB RAM），每個模型變體的運行時間需要 7 到 9 小時。
圖：FE 網格由 Simpleware FE 中產生的軟組織、胸骨和多層敷料組成。
模擬與結果分析
指定組織和敷料的材料屬性，包括模擬仰臥和 45° 半坐臥位置負重的邊界條件。 與單層設計相比，檢查了敷料分層結構的性能，比較了健康組織與糖尿病的組織特性，並考慮了敷料材料的乾/濕和各向同性/各向異性特性，有限元分析比較軟組織的有效和最大剪切應力，以及軟組織暴露於提升的有效應力值。
圖：臀部軟組織中有效應力的圖示，在骶骨的橫截面中，使用假設敷料（頂部）和使用各向異性多層敷料（底部），在乾燥（左）與壓縮和剪切載荷的組合下濕度為0.075 (mL/cm2) 的濕敷料條件（右）。
結果表明，與單層設計相比，多層結構在軟組織保護方面具有明顯的優勢，此外發現敷料的各向異性剛度特性有利於最大限度地減少軟組織負荷，特別是在施加外部剪切力時（在 45° Fowler 位置）。 此外，敷料在潮濕條件下保持其各向異性特性的能力對於軟組織保護的現實場景至關重要。
格芬教授關於創新生物工程技術的演講影片
參考資料
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