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生物力學模型來評估新設計
來源:薄膜壓力傳感器壓力分布 | 發布時間:2023/7/11 11:01:09 | 瀏覽次數：30
有了商業背包的尺寸和人體測量數據(包括重量、尺寸和軀干角度)，我們可以很容易地推導出作用在肩膀上的物理力。然而，對于L4/L5和L5/S1腰椎間盤，壓縮力和剪切力的測量只能通過考慮基于上述靜態模型的肩部外力和人體測量數據來估計。這些數據包括身高和體重。在這種情況下，使用靜強度模擬軟件3D SSPP來預測L4/L5和L5/S1椎間盤水平的壓縮力和剪切力。由密歇根大學人體工程學中心開發的3D SSPP旨在調查和分析人類搬運材料的任務。它利用生物力學的原理和模型來推導諸如舉起、推動和攜帶重物等任務所施加的靜態強度。圖4為3D SSPP軟件的截圖。
圖4所示。3D SSPP的截圖。
2.4數據收集
人體測量數據來自疾病控制與預防中心，更具體地說，是美國16歲女性和男性身高和體重的第10、第50(平均值)和第90百分位值(圖5)。(Fryer, Ogden & Flegal, 2016)。學生背包的尺寸是從網上零售收集的。利用式(1)-式(4)，模擬背包重量為男性平均體重的5%、10%和15%，采用背包重量為7 kg、10.5 kg和14 kg三個層次，分別計算肩位和下背部的外力。
圖5正態分布百分位數示意圖
2.5新的設計原型
在分析背包承載載荷對人體姿態和主要影響區域的基礎上，提出了一種新型背包設計的概念模型，該模型設計了一種機制，在負重背包時提供最佳的背部支撐并強制正確的姿勢(草圖等)。新設計包括三個因素:皮帶設計、腰部支撐墊和手動操作的腰部樞軸一級杠桿支撐，以重新分配和減輕部分車廂重量。使用新的姿勢和重量來利用平衡條件推導肩部和下背部的力，如圖6所示。
圖6原型設計示意圖
因此，擬議的設計最終將導致作用在L4/L5和L5- s1腰椎間盤上的壓縮和剪切力大幅減少。使用3DSSPP程序對所提出的背包設計進行了模擬，以比較沒有強制執行正確姿勢的學生使用典型的傳統背包與所提出的設計之間的力。對女性和男性的人體測量數據分別在第10、第50和第90百分位值以及7kg、10.5kg和14kg背包重量重復上述比較。然后開發了一個物理原型。PVC管被切割/粘成一個杠桿的形狀，支點(支點)附著在腰帶的兩側，并以45度角延伸，以支撐背包的底部，背包將用木板填充。從功能上講，這創造了一個一流的杠桿，其理想的機械優勢大于手動推動時將抬起負載(背包的體積)。然后測量脊柱的彎曲度，以便在背包的背部構建一個合適形狀的墊子，當連接時，與學生的身體對齊，并鼓勵姿勢糾正/維護。新的背包原型如圖7所示。
圖7所示。實體背包原型
2.6階段2:概念驗證原型分析
對新型背包原型與傳統同類背包進行了對比分析。本研究招募了12名高中生(根據生理性別男女各占50%)參與研究。在參與者的肩膀上放置一個32 × 32的網格壓力墊，以測量背包引起的后肩壓力。參與者的人體測量數據(包括身高和體重)也被收集。3DSSPP通過人體測量數據和肩壓數據來估計施加在L4/L5和L5/S1腰椎間盤上的直接壓縮和剪切力。采用受試者內2x2設計，采用兩個自變量，背包類型(傳統vs原型)和負重(15磅vs 30磅)。為了消除任何可能的順序效應，采用拉丁方實驗方法來平衡順序。本研究由IRB委員會審查并批準，每位參與者在實驗開始前簽署知情同意書。圖8所示。顯示了觸覺™壓力圖。因變量是肩部的外力和L5/S1椎間盤的壓縮和剪切力。采用方差分析檢驗自變量的影響，顯著性水平設為5%。
圖8所示。觸覺™壓力圖。
3的結果
3.1數據
人體測量數據和背包數據。下表1顯示了CDC的人體測量值。
背包數據確定如下
長度= 18英寸(1)
寬度= 11英寸
深度= 8英寸(2)
肩膀到背包的距離= 3英寸( 3)
3.2仿真結果
根據背包重量7kg、10.5kg和14kg，女性和男性的下背部模擬結果總結如表2和表3所示。
為了進一步總結結果，表4和表5說明了女性和男性之間，當前設計和擬議設計之間的主要差異。
結果表明，通過新設計(腰部/手杠桿支撐減輕負荷)和改善身體姿勢(彎曲腰椎支撐和新帶設計)，L4/L5和L5/S1椎間盤的受力均明顯降低，如表3所示。這意味著新設計將有助于緩解不同人體特征的青少年下背部的壓力，從而防止下背部因背負沉重的背包而受傷。
3.3原型分析結果
為了進一步證實上述概念生物力學模型的結果，構建了一個物理原型，并招募了12名參與者來測試新原型與現有傳統背包的對比。圖9顯示了其中一個參與者的屏幕截圖。表5顯示了這兩個因素的描述性統計數據。
三因素方差分析發現，新原型對后肩施加的力顯著低于傳統背部，p值< 0.01;負重的重量也有顯著差異，p值<。變量背包類型與體重之間的交互作用(p值< 0.01)。
例如，為了證明原型背包和傳統背包對L5/S1椎間盤的差異，個體因素(背包類型和攜帶載荷)對L5/S1壓縮力和L5/S1剪切力的影響都很顯著。然而，在兩種情況下，相互作用效應并不顯著。具體結果見表6(壓縮力)和表7(剪切力)。脊柱水平的剪切力和壓縮力使用模型1-4來計算，模型1-4配置了來自人類參與者的后肩數據，作為3DSSPP生物力學模擬模型的參數。
總的來說，結果表明，當對12名人類參與者進行評估時，該原型顯著減少了作用在L5/S1椎間盤上的力(磅)，L5/S1椎間盤上的壓縮力減少了11.66%，剪切力減少了10.84%。
4討論與結論
學生攜帶的沉重背包超過建議的載重量限制;長期承受重負荷導致下背部不適，特別是腰4/L5和L5/S1椎間盤疼痛和損傷。這種腰痛很大程度上是由于背包在軀干上的負荷和不平衡的重量分布造成的不自然的姿勢。根據人體生物力學原理，提出了一種新的學生學校背包設計，更具體地說，使用適當的綁帶和腰部支撐設計來加強更自然的站立姿勢和緩解，包括在腰部水平使用樞軸杠桿來分配肩部和下背部的外力。基于3DSSPP項目中第10、50和90百分位高中16歲學生的人體測量數據，建立了理論生物力學模型并進行了仿真研究。將新設計的背包與現有背包模型在不同重量下的壓縮力和剪切力進行比較，結果表明，隨著自然姿勢的增強，L4/L5和L5/S1上的力明顯減少(壓縮力約為44%-67%，剪切力約為25%-38%)，從而有助于防止不適和背部疼痛，即使在非常重的運輸水平。該設計能夠滿足最初建立的目標和標準，因為它能夠顯著減少腰椎和椎間盤的壓力，最終有助于預防背包相關的傷害。
該研究利用理論生物力學模型來評估新設計的有效性。為了簡化模型，假設背包的重心在背包的中心，盡管這可能會隨著背包尺寸和負載分布的不同而改變;此外，沒有考慮背包的摩擦和材料，這可能會影響背包的舒適度。
這種創新的設計包括旨在提供背部支持的外部結構，以減少脊柱和肌肉的壓力。12名志愿者在佩戴過程中接受了測試，同時在肩膀上佩戴了一個觸覺感應系統來測量肩膀上的PSI。試驗結果表明，試驗模型與控制模型存在顯著差異，壓縮力和剪切力的平均降幅分別為11.66%和10.84%。在對照和原型之間的數據中觀察到的一個重要趨勢是，在30磅重量的測試中，原型取代更多重量的能力差異更大;這與重載時的設計原則是一致的。肩關節和椎間盤受力差異有統計學意義，p值<。05在因變量中，重申設計的意圖。因此，可以得出結論，原型背包設計和提出的機制和結構有效地促進了高中生背包相關慢性傷害的預防措施，即使在非常高的運輸負荷下。結果表明，
用戶手動重新分配重量作為一種自服務模型，能夠在潛在危害健康的運載載荷的某些閾值下有效地轉化為持續的脊柱支撐，而不會損失效率，也不會損壞模型，從而支持關鍵的工程目標。
此外，原型
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