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坐姿時(shí)臀肌和包裹脂肪的應變和應力分布：開(kāi)放式MRI與特定對象有限元分析 Eran Linder Ganz（1），Noga Shabshin（2），Yacov Itzchak（2），Amit Gefen（1） 以色列特拉維夫大學(xué)工程學(xué)院生物醫學(xué)工程系 *通訊作者。電話(huà)：+886-4-8511888x2118；傳真：+886-4-8511215。 以色列哈舍姆查姆謝巴醫療中心診斷成像科 介紹 深壓瘡（DPS）是一種常見(jiàn)但嚴重的疾病，折磨著(zhù)坐輪椅和臥床不起的病人。壓瘡通常發(fā)展為兩個(gè)不同的品種，淺和深。DPS是一種更為嚴重的醫療并發(fā)癥，這是本研究的動(dòng)機[1]。許多研究人員一致認為，DPS的原因是機械負荷延長(cháng)，干擾了血液流動(dòng)和血管化軟組織代謝副產(chǎn)物的清除。這類(lèi)研究的一個(gè)基本的第一步是描述坐姿等支撐姿勢下肌肉和脂肪組織的機械狀態(tài)。為此，不僅坐位患者深部軟組織的變形、應變和應力數據在文獻中缺失，而且坐位期間肌肉和脂肪組織的標準力學(xué)條件也缺乏相關(guān)信息。我們的目標是在開(kāi)放式磁共振成像中測定坐骨結節（IT）下人體深層肌肉和脂肪的應變和應力分布。有限元（FE）解算器離線(xiàn)處理MR圖像，以便使用“逆向工程”方法獲得肌肉和脂肪中的二維（2D）局部應變和應力張量，詳見(jiàn)下文。 29歲健康女性坐前（左）和坐中（右）臀部的冠狀位MRI圖像 方法 本研究招募了兩名男性和兩名女性健康受試者（年齡：27-29歲，體重：55-85公斤）。在開(kāi)放式MR系統中進(jìn)行成像。開(kāi)放式磁共振成像系統的獨特結構使得在非負重和負重坐姿時(shí)成像成功。每個(gè)受試者都被要求舒適地坐在磁共振場(chǎng)內：首先，放在系統坐姿表面（非負重坐姿）的橡膠輪胎上，然后直接坐在坐姿表面（負重坐姿）。在負重坐姿過(guò)程中，還使用壓力墊（“Tactilus”，Sensor Products Co.）測量了界面壓力。對于每個(gè)MRI采集階段，掃描IT及其周?chē)�和底層軟組織，并生成2D冠狀圖像（圖1）。其次，根據每個(gè)受試者的非負重磁共振成像，建立了非負重臀部幾何結構的二維有限元平面應力模型。每個(gè)受試者特定的模型包括肌肉、皮質(zhì)骨、小梁骨、脂肪和皮膚。通過(guò)對比兩幅相對應的磁共振圖像，對每一位受試者以負重姿勢向坐姿表面垂直下垂進(jìn)行了數字測量。我們使用骨下垂測量作為特定對象有限元模型的位移邊界條件。此外，與坐姿表面接觸的外部節點(diǎn)被限制在垂直方向上運動(dòng)。在求解了這些邊界條件的有限元模型后，我們分別對每個(gè)受試者的變形臀肌和包裹脂肪的輪廓與使用最小二乘法在負重MR圖像中看到的相應輪廓進(jìn)行了比較（圖2）。通過(guò)調整脂肪彈性模量在±10%的范圍內，我們能夠提高鐵溶液對MR圖像的擬合度。在獲得最佳擬合（R2>0.9，p<0.05）后，FE溶液為每個(gè)受試者提供了臀肌和底層脂肪的局部應變和應力張量。 坐位時(shí)臀部MR圖像中臀肌組織的分割 應用特定對象有限元模型預測臀肌變形 FE預測的臀肌輪廓與MRI測量的肌肉輪廓的最佳擬合-調整脂肪硬度以微調FE模型變形后的肌肉輪廓 結果 坐位時(shí)左右側垂直下垂無(wú)明顯差異，為17±2 mm。界面壓力峰值左右差異不顯著(zhù)，為19±3kpa。由特定于受試者的有限元模型計算出的峰值界面壓力與實(shí)驗數據重疊（18±4kpa），且每個(gè)受試者在統計學(xué)上相似，這一點(diǎn)從分別對左側和右側進(jìn)行的配對t檢驗中可以明顯看出。使用“逆向工程”方法，我們能夠計算坐著(zhù)（桌子）時(shí)，肌肉和脂肪中的應變和應力分布。圖3顯示了受試者D（一名健康女性，年齡：29歲，體重：55公斤）的肌肉和脂肪應變和壓力的分布。臀肌沿Mm路徑的主要壓縮應變和應力在其下方達到峰值，并在內側和外側降低。肌肉應變和應力沿路徑Nm在距骨-肌肉界面約5毫米處達到峰值，并從該點(diǎn)的近端和遠端下降。同樣，沿著(zhù)Mf路徑的脂肪層中的主要壓縮應變和應力在其下方達到峰值，并在內側和外側降低。脂肪組織中沿Nf路徑的應變和應力比相應路徑Nm處的肌肉應變/應力分布更均勻，從最近點(diǎn)到最遠點(diǎn)的應變和應力減少約10-15%。一般來(lái)說(shuō)，肌肉的張力和應力比脂肪高而不均勻。受試者的應變和應力分布模式大體相似，即臀肌的應變和應力峰值都出現在IT下方，不是直接出現在骨骼肌界面，而是出現在3-5mm的遠端。肌肉中的峰值應變在壓縮時(shí)約為脂肪的1.6倍，在拉伸時(shí)約為脂肪的2.2倍（受試者之間的平均值），并且肌肉中的峰值壓縮應力比脂肪中的壓縮應力大1.5倍，均勻分布的程度小于脂肪中的壓縮應力。有趣的是，肌肉組織承受著(zhù)相當大的張力（受試者的峰值平均值約為10千帕），但脂肪組織在這種張力下表現出可忽略的張力。 29歲健康女性坐骨結節下深層組織（脂肪和肌肉）的主要壓縮應變 29歲健康女性坐骨結節下深層組織（脂肪和肌肉）的主壓應力 討論 我們的結論是，最大的組織應變和應力發(fā)生在臀肌，而不是脂肪或接近體-座椅界面的皮膚。本研究結果具有實(shí)際的臨床相關(guān)性。壓瘡預防行業(yè)使用身體支持界面壓力測量來(lái)確定組織中的應力降低。界面壓力圖可用于評價(jià)皮膚的力學(xué)條件，但不能反映深層軟組織的力學(xué)條件[2]。因此，特殊的支撐面不一定能減少深層軟組織的內部應變和應力[3]，這些產(chǎn)品的減壓對于預防DPS的發(fā)生可能是無(wú)效的。這將非常有助于擴展目前的研究，并測試特殊床墊和墊子對深層肌肉和脂肪組織應變和應力分布的影響。 參考文獻 Bliss，M.R.，1992年，“急性壓力區護理：詹姆斯·佩吉特爵士的遺產(chǎn)”，《柳葉刀》，339，第221-223頁(yè)。 Gefen，A.，Gefen，N.，Linder Ganz，E.，和Margulies，S.S.，2005，“骨壓縮下的體內肌肉硬化促進(jìn)深部壓瘡”，生物技術(shù)工程雜志，127，第512-524頁(yè)。 Linder Ganz，E.和Gefen，A.，2004年，“機械壓縮引起的大鼠后肢壓力性潰瘍：肌肉硬度、組織學(xué)和計算模型”，《應用生理學(xué)雜志》96期，第2034-2049頁(yè)。