预防性骶骨敷料的多层结构设计模拟【Simpleware应用】

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概述

骶骨是仰卧时发生压力性损伤(PIs)包括深部组织损伤的最敏感部位。预防性敷料通常设计用于减少摩擦、减轻内部组织剪切载荷、管理“微气候”,整体缓冲骶骨下软组织持续变形。

在本案例中,研究人员使用 Synopsys 公司的 Simpleware 软件基于 MRI 图像数据创建了臀部的三维有限元模型,用于研究仰卧或 45° 半坐卧在标准的医院泡沫床垫上时预防性骶骨敷料设计的生物力学性能。


亮点

  • 通过模拟可以更好地了解医院的泡沫床垫对压力相关患者的损伤。
  • Simpleware 软件快速准确的3D图像处理工作流程有助于缩短时间,增强对结果的信心,且可广泛应用于不同场景。
  • 持续性的研究可为选择和设计敷料以减少损伤的风险提供重要信息。

工作流

  1. 获取一名 28 岁女性受试者负重臀部的 76 张 T1 加权轴向 MRI 切片
  2. 在Simpleware ScanIP 中进行图像数据分割和模型变形
  3. 在Simpleware FE 中生成 3D 有限元模型,导出至 FEBio 的 PARDISO 求解器分析
  4. 多层结构和持久的各向异性特性是对预防性敷料有利的重要特征

从 MRI 到三维图像处理

首先获取一名 28 岁健康女性受试者负重臀部的 76 张 T1 加权轴向 MRI 切片,使用 Simpleware ScanIP 分割出骨盆骨骼、股骨、骨骼肌和软组织。本研究应用相关的感兴趣区域(VOI)体积模型为 6.7×2×5.1 cm3 的立方体,包含骶骨和周围软组织。接下来,引入需要测试的3层预防性敷料,即聚氨酯泡沫层、无纺布纤维层和空气铺垫层,作为建模中的物理层。运用 Simpleware ScanIP 的三维编辑工具将模型化的敷料修整为典型的心形几何结构。

图:MRI切片和Simpleware ScanIP创建的心形多层预防性敷料

生成模拟用FE网格模型

结合 Simpleware 软件的 ScanIP 和 FE 模块为有限元分析生成 3D 网格模型。该模型中包含解剖结构中不同组织的 50000 个 4 节点线性四面体,扁平泡沫垫的 10400 个 8 节点线性六面体,以及 ACB 垫的 245235 个 4节点线性四面体。垫子的密集网格需要能够收敛。在 PreView (v1.8)中设置模拟,使用 FEBio 的PARDISO 线性求解器分析,然后在 PostView (v1.4)中进行后处理。64 位 Windows 7 工作站(Intel Core i7 920 2.57 GHz CPU和12 GB of RAM)运行每个变形模型耗时约 7 至 9 个小时。

图:在Simpleware FE中生成包含软组织、骶骨和多层敷料的FE网格模型

模拟和结果分析

为组织和敷料材质赋予属性,设置模拟仰卧和 45° 半坐卧的边界条件。与单层设计进行比较,探究分层结构敷料的性能。对比健康与糖尿病的组织特性,还考虑了干燥/湿润状态与各向同性/各向异性特性。有限元分析比较软组织的有效和最大剪切应力,以及软组织暴露提升的有效应力值。

图:在敷料干燥(左)和湿度为0.075 mL/cm2(右)的条件下,骶骨分别与假想敷料(上方)和各向异性多层敷料(下方)剖面上臀部软组织的有效应力图示

结果表明,相较于单层设计,多层结构在对压疮的软组织保护方面具有明显优势。研究发现敷料的刚度各向异性有利于最小化软组织负荷,特别是当施加外部剪切应力时(45° 半坐卧位)。此外,敷料在潮湿条件下保持其各向异性特性的能力在软组织保护的实际应用场景中至关重要。

参考

  • 致谢与更多信息请参考英文原文:https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/prophylactic-sacral-dressings.html
  • 格芬教授关于创新生物工程技术的演讲视频 https://youtu.be/okROSnQScrM?t=1460
  • Schwartz D, Levy A, Gefen A. A computer modeling study to assess the durability of prophylactic dressings subjected to moisture in biomechanical pressure injury prevention. Ostomy Wound Manage 2018;64(7):18–26.
  • Levy A, Schwartz D, Gefen A. The contribution of a directional preference of stiffness to the efficacy of prophylactic sacral dressings in protecting healthy and diabetic tissues from pressure injury: computational modelling studies. Int Wound J 2017;14(6):1370-1377.

 
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