매트리스 접촉압력 예측 번역(한국어 원본)본 논문에서는, 누워있는 자세에서 human body와 foam mattress간의 contact pressure을 예측하기 위해서 human full body에 해당되는 finite element model을 생성하였다. 대상자는 20세의 남성으로 3D scanning을 통해 finite element human model 을 생성하였으며, 이 model은 skin와 muscle tissue로 구성되어 있다. Skin은 a linear elastic isotropic material model 이 사용되었으며 muscle tissue의 material model은 muscle 의 nonlinear behavior을 효과적으로 표현할 수 있는 Mooney-Rivlin model이 사용되었다. Numerical simulation을 통해 Human model과 mattress 사이의 contact pressure를 예측하였으며 동일한 대상자를 두 가지 타입으로 제작된 mattress 위에 눕힌 자세를 취해 얻은 body pressure distribution과 비교함으로써 human model의 타당성을 검증하였다. 그 결과 mattress 하단부의 경사각에 의해 뒤꿈치 부분의 contact pressure이 감소하였고, scapula 에서 bone structure의 영향이 가장 크게 나타났다. scapula 역할의 단순 구조물을 삽입한 후 모든 신체 부위에서, 생성한 finite element human model을 사용하여 예측된 contact pressure 가 실험을 통해 얻은 body pressure distribution와 잘 일치하는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해, 본 논문에서 제안하는 모델링 기법이 pressure ulcers 관련 제품을 연구하는 연구자 및 설계자에 의해 유용하게 사용될 것이라고 판단된다.
Relevance to industry: mattress 시제품을 일일이 제작한 후 실험을 통해 최적의 조건을 찾는 과정은 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 비용이 많이 소요되기 때문에 비효율적이다. 최근에는 제품 생산 초기 단계에서부터 CAE를 활용한 효율적인 접근이 시도되고 있다. senior-friendly products을 생산하는 과정에서 사용자의 신체적 특성에 맞춘 제품을 고려하기 위해 간단한 3D 카메라 장비만을 통하여 FE human model을 구현한다면 낮은 기회비용으로 제품 설계 기술을 획득하는 것이 가능하다고 판단된다.
전 세계적으로 평균수명이 크게 연장되어 고령화 인구의 비율이 증가함에 따라(Lutz et al., 2008), 필연적으로 거동이 불편하거나 휠체어 및 침상의 장기간 이용자가 증가하고 있다. 이러한 이유로 노인성 질환 중 pressure ulcers 발생이 두드러지게 증가하는 추세이다(Stausberg et al., 2010). Pressure ulcers이란 주로 뼈 돌출부에 가해지는 지속적이고 반복적인 압력에 의하여 혈액 순환이 어려워짐에 따라 피부 및 하부 조직이 국부적으로 괴사한 상태이다.(EPUAP and NPUAP, 2009). 이렇듯 pressure은 pressure ulcers 발생에 영향을 끼치는 가장 주요한 인자이기 때문에 anti-pressure ulcer mattress을 설계하기 위해서는 접촉면적을 늘리거나(e.g. foam mattress) 접촉면적을 교대로 부양하는 방법(e.g. alternating pressure air cell mattress)을 통해 압력의 재분배를 고려해야 한다(McInnes et al., 2011; Vanderwee et al., 2008). 그러나 압력을 재분배함에 있어 다양한 설계 인자에 대해서 전부 실험을 하여 body pressure distribution을 측정하는 것은 시간이 많이 걸릴 뿐만 아니라 비용도 많이 들기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위하여 FE Model을 이용한 가상 시뮬레이션 기법이 사용되고 있다(Dai et al., 2011; Grujicic et al., 2009; Siefert et al., 2008; Makhsous et al., 2007; Verver et al., 2004).
선행연구에서는 two-dimensional or three-dimensional finite element model을 이용하여 인체와 쿠션 간의 접촉압력 예측을 시도하였다. 다만 이러한 models은 너무 단순하게 표현된 geometry를 가지고 있거나 (Kuroda et al., 2005; Oomens et al., 2003; Brosh et al., 2000; Todd et al., 1994), 앉거나 또는 누운 자세에서 3D-reconstruction에 필요한 데이터를 획득했기 때문에 buttock와 같이 pressure ulcers이 주로 발생하는 부위의 muscle이 이미 눌려진 상태에서 model이 생성될 가능성이 있다. (Oomens et al., 2013; Slamet et al., 2012; Wagnac et al., 2008; Makhsous et al., 2007). 또한, pressure ulcers 환자는 거동이 불편하여 자세를 스스로 변경하지 못하고 장시간 같은 자세로 누워있는 경우가 많기 때문에 누운 자세에서 전신에 해당하는 contact pressure을 예측하는 것이 필요하나 학계에서는 앉은 자세를 취한 buttock에 관심을 가지고 많은 연구가 진행되었다(Bucki et al., 2013; Oomens et al., 2013; Slamet et al., 2012; Chen et al., 2010; Siefert et al., 2008; Linder-Ganz et al., 2007; Makhsous et al., 2007; Verver et al., 2004). 마지막으로, anti-pressure ulcer mattress를 포함한 senior-friendly products의 경우 사용자의 신체적 특성에 맞춘 제품을 필요로 하는 경우가 많기 때문에 연구를 수행함에 있어서 수치 모델의 대상자와 실험의 피실험자 간의 일대일 대응이 필요하나, 몇몇의 연구에서는 이를 동일한 대상으로 셋팅하지 않은 채로 연구가 수행되었다(Grujicic et al., 2009; Verver et al., 2004).
따라서 본 논문에서는 사용자의 신체적 특성에 맞춘 anti-pressure ulcer mattress를 고려하기 위한 process의 일환으로 피실험자의 전체 body를 대상으로 한 finite element model을 생성하였다. 이를 위해 3D 스캐닝을 통하여 피실험자의 실루엣 정보를 받아들인 후 skin와 muscle tissue으로 구성된 human model을 3D-reconstruction하였다. 이 모델의 타당성을 검증하기 위해 상용 유한요소 프로그램을 통해 contact simulation을 수행하였고 동일한 피실험자에 대하여 body pressure distribution을 실험을 통해 측정하여 그 결과를 비교 분석하였다. 이러한 과정에서 mattress의 기하학적 형상이 contact pressure에 미치는 영향을 알아보기 위하여 두 가지 형태의 매트리스를 제작하여 실험에 사용하였다. |
매트리스 접촉압력 예측 번역(영어 번역본)In this paper, we generated a finite element model for the human full body in order to predict the contact pressure between the human body and the foam mattress in a supine position. A 20-year-old male was used for 3D scanning to produce the finite element human model, which was composed of skin and muscle tissues. A linear elastic isotropic material model was used for the skin, and the Mooney-Rivlin model was used as the material for the muscle tissue, as it can effectively represent the nonlinear behavior of the muscle. The contact pressure between the human model and the mattress was predicted by numerical simulation. The human model was validated by comparing with the body pressure distribution obtained from the same human subject when he was lying on two types of mattress. The experimental result showed that the sloping of the lower part of the mattress caused a decrease in the contact pressure with the heels, and the effect of bone structure was most pronounced in the scapula. After inserting a simple structure to function as the scapula, the contact pressure predicted from the finite element human model agreed with the experimental body pressure distribution in all body parts. These results suggest that the model proposed in this paper will be useful to researchers and designers of products related to pressure ulcers.
Relevance to the industry: In the design of mattress, finding optimal condition by manufacturing each prototype is both time consuming and costly. Recently, more efficient approach using CAE from the early product production stage has been attempted. If it is possible to implement a finite element (FE) human model using only 3D camera, it would enable the design of senior-friendly products in the early stage of production with low opportunity cost.
With increase in the life span and subsequent aging of society around the world (Lutz et al., 2008), more people are having mobility impairment or are using wheelchairs and beds for extended periods of time. From these reasons, pressure ulcer occurrence is rapidly increasing (Stausberg et al., 2010). Pressure ulcer is defined as the localized necrosis of the skin and underlying tissue from decreased blood flow that is caused by continuous and repeated pressure applied to the bone (EPUAP and NPUAP, 2009). Since pressure is the most important factor responsible for occurrence of pressure ulcer, in the design of anti-pressure ulcer mattress, it is important to redistribute the pressure by increasing the contact area (e.g., foam mattress) or to alternatingly support the contact area (e.g. alternating pressure air cell mattress) (McInnes et al., 2011; Vanderwee et al., 2008). However, experimentally measuring body pressure distribution for various design factors is time consuming and costly. To address these problems, simulation using FE model has been used (Dai et al., 2011; Grujicic et al., 2009; Siefert et al., 2008; Makhsous et al., 2007; Verver et al., 2004).
Previous studies used two-dimensional or three-dimensional finite element model to predict the contact pressure between the human body and the mattress cushion. However, these models are limited in that they have too simple geometry (Kuroda et al., 2005; Oomens et al., 2003; Brosh et al., 2000; Todd et al., 1994) or have been acquired from 3D reconstruction of sitting or supine position such that the muscles susceptible to pressure ulcer such as buttock would be already compressed in the acquired model (Oomens et al., 2013; Slamet et al., 2012; Wagnac et al., 2008; Makhsous et al., 2007). Also, pressure ulcer patients often cannot change the posture themselves and spend most of their time lying down; as such, it is necessary to predict the contact pressure for the whole body, but most studies have focused on the buttock while sitting (Bucki et al., 2013; Oomens et al., 2013; Slamet et al., 2012; Chen et al., 2010; Siefert et al., 2008; Linder-Ganz et al., 2007; Makhsous et al., 2007; Verver et al., 2004). Finally, senior-friendly products such as anti-pressure ulcer mattress often requires products customized for the user and their research requires the numerical model subject and the experiment subject to be the same. However, some studies used different individuals for their studies (Grujicic et al., 2009; Verver et al., 2004).
In this research, we created a finite element model of a subject’s whole body to study anti-pressure ulcer mattress customized to a user’s physical characteristics. Toward this goal, 3D scanning was used to obtain the silhouette data of the subject, which was used for the reconstruction of a human model composed of skin and muscle tissues. The model was validated by first performing contact simulation using a commercial finite element program, and then by comparing the simulation results with body pressure distribution experimentally measured from the same subject. For this experiment, two types of mattress were used for the study in order to examine the effect of geometrical shape of the mattress on the contact pressure. |
