生物力学模型来评估新设计
来源:薄膜压力传感器压力分布 | 发布时间:2023/7/11 11:01:09 | 浏览次数：30

有了商业背包的尺寸和人体测量数据(包括重量、尺寸和躯干角度)，我们可以很容易地推导出作用在肩膀上的物理力。然而，对于L4/L5和L5/S1腰椎间盘，压缩力和剪切力的测量只能通过考虑基于上述静态模型的肩部外力和人体测量数据来估计。这些数据包括身高和体重。在这种情况下，使用静强度模拟软件3D SSPP来预测L4/L5和L5/S1椎间盘水平的压缩力和剪切力。由密歇根大学人体工程学中心开发的3D SSPP旨在调查和分析人类搬运材料的任务。它利用生物力学的原理和模型来推导诸如举起、推动和携带重物等任务所施加的静态强度。图4为3D SSPP软件的截图。

图4所示。3D SSPP的截图。

2.4数据收集
人体测量数据来自疾病控制与预防中心，更具体地说，是美国16岁女性和男性身高和体重的第10、第50(平均值)和第90百分位值(图5)。(Fryer, Ogden & Flegal, 2016)。学生背包的尺寸是从网上零售收集的。利用式(1)-式(4)，模拟背包重量为男性平均体重的5%、10%和15%，采用背包重量为7 kg、10.5 kg和14 kg三个层次，分别计算肩位和下背部的外力。

图5正态分布百分位数示意图

2.5新的设计原型
在分析背包承载载荷对人体姿态和主要影响区域的基础上，提出了一种新型背包设计的概念模型，该模型设计了一种机制，在负重背包时提供最佳的背部支撑并强制正确的姿势(草图等)。新设计包括三个因素:皮带设计、腰部支撑垫和手动操作的腰部枢轴一级杠杆支撑，以重新分配和减轻部分车厢重量。使用新的姿势和重量来利用平衡条件推导肩部和下背部的力，如图6所示。

图6原型设计示意图

因此，拟议的设计最终将导致作用在L4/L5和L5- s1腰椎间盘上的压缩和剪切力大幅减少。使用3DSSPP程序对所提出的背包设计进行了模拟，以比较没有强制执行正确姿势的学生使用典型的传统背包与所提出的设计之间的力。对女性和男性的人体测量数据分别在第10、第50和第90百分位值以及7kg、10.5kg和14kg背包重量重复上述比较。然后开发了一个物理原型。PVC管被切割/粘成一个杠杆的形状，支点(支点)附着在腰带的两侧，并以45度角延伸，以支撑背包的底部，背包将用木板填充。从功能上讲，这创造了一个一流的杠杆，其理想的机械优势大于手动推动时将抬起负载(背包的体积)。然后测量脊柱的弯曲度，以便在背包的背部构建一个合适形状的垫子，当连接时，与学生的身体对齐，并鼓励姿势纠正/维护。新的背包原型如图7所示。

图7所示。实体背包原型

2.6阶段2:概念验证原型分析
对新型背包原型与传统同类背包进行了对比分析。本研究招募了12名高中生(根据生理性别男女各占50%)参与研究。在参与者的肩膀上放置一个32 × 32的网格压力垫，以测量背包引起的后肩压力。参与者的人体测量数据(包括身高和体重)也被收集。3DSSPP通过人体测量数据和肩压数据来估计施加在L4/L5和L5/S1腰椎间盘上的直接压缩和剪切力。采用受试者内2x2设计，采用两个自变量，背包类型(传统vs原型)和负重(15磅vs 30磅)。为了消除任何可能的顺序效应，采用拉丁方实验方法来平衡顺序。本研究由IRB委员会审查并批准，每位参与者在实验开始前签署知情同意书。图8所示。显示了触觉™压力图。因变量是肩部的外力和L5/S1椎间盘的压缩和剪切力。采用方差分析检验自变量的影响，显著性水平设为5%。

图8所示。触觉™压力图。

3的结果
3.1数据
人体测量数据和背包数据。下表1显示了CDC的人体测量值。

背包数据确定如下
长度= 18英寸(1)
宽度= 11英寸
深度= 8英寸(2)
肩膀到背包的距离= 3英寸( 3)

3.2仿真结果
根据背包重量7kg、10.5kg和14kg，女性和男性的下背部模拟结果总结如表2和表3所示。

为了进一步总结结果，表4和表5说明了女性和男性之间，当前设计和拟议设计之间的主要差异。

结果表明，通过新设计(腰部/手杠杆支撑减轻负荷)和改善身体姿势(弯曲腰椎支撑和新带设计)，L4/L5和L5/S1椎间盘的受力均明显降低，如表3所示。这意味着新设计将有助于缓解不同人体特征的青少年下背部的压力，从而防止下背部因背负沉重的背包而受伤。

3.3原型分析结果
为了进一步证实上述概念生物力学模型的结果，构建了一个物理原型，并招募了12名参与者来测试新原型与现有传统背包的对比。图9显示了其中一个参与者的屏幕截图。表5显示了这两个因素的描述性统计数据。

三因素方差分析发现，新原型对后肩施加的力显著低于传统背部，p值< 0.01;负重的重量也有显著差异，p值<。变量背包类型与体重之间的交互作用(p值< 0.01)。

例如，为了证明原型背包和传统背包对L5/S1椎间盘的差异，个体因素(背包类型和携带载荷)对L5/S1压缩力和L5/S1剪切力的影响都很显著。然而，在两种情况下，相互作用效应并不显著。具体结果见表6(压缩力)和表7(剪切力)。脊柱水平的剪切力和压缩力使用模型1-4来计算，模型1-4配置了来自人类参与者的后肩数据，作为3DSSPP生物力学模拟模型的参数。

总的来说，结果表明，当对12名人类参与者进行评估时，该原型显着减少了作用在L5/S1椎间盘上的力(磅)，L5/S1椎间盘上的压缩力减少了11.66%，剪切力减少了10.84%。

4讨论与结论
学生携带的沉重背包超过建议的载重量限制;长期承受重负荷导致下背部不适，特别是腰4/L5和L5/S1椎间盘疼痛和损伤。这种腰痛很大程度上是由于背包在躯干上的负荷和不平衡的重量分布造成的不自然的姿势。根据人体生物力学原理，提出了一种新的学生学校背包设计，更具体地说，使用适当的绑带和腰部支撑设计来加强更自然的站立姿势和缓解，包括在腰部水平使用枢轴杠杆来分配肩部和下背部的外力。基于3DSSPP项目中第10、50和90百分位高中16岁学生的人体测量数据，建立了理论生物力学模型并进行了仿真研究。将新设计的背包与现有背包模型在不同重量下的压缩力和剪切力进行比较，结果表明，随着自然姿势的增强，L4/L5和L5/S1上的力明显减少(压缩力约为44%-67%，剪切力约为25%-38%)，从而有助于防止不适和背部疼痛，即使在非常重的运输水平。该设计能够满足最初建立的目标和标准，因为它能够显著减少腰椎和椎间盘的压力，最终有助于预防背包相关的伤害。

该研究利用理论生物力学模型来评估新设计的有效性。为了简化模型，假设背包的重心在背包的中心，尽管这可能会随着背包尺寸和负载分布的不同而改变;此外，没有考虑背包的摩擦和材料，这可能会影响背包的舒适度。

这种创新的设计包括旨在提供背部支持的外部结构，以减少脊柱和肌肉的压力。12名志愿者在佩戴过程中接受了测试，同时在肩膀上佩戴了一个触觉感应系统来测量肩膀上的PSI。试验结果表明，试验模型与控制模型存在显著差异，压缩力和剪切力的平均降幅分别为11.66%和10.84%。在对照和原型之间的数据中观察到的一个重要趋势是，在30磅重量的测试中，原型取代更多重量的能力差异更大;这与重载时的设计原则是一致的。肩关节和椎间盘受力差异有统计学意义，p值<。05在因变量中，重申设计的意图。因此，可以得出结论，原型背包设计和提出的机制和结构有效地促进了高中生背包相关慢性伤害的预防措施，即使在非常高的运输负荷下。结果表明，

用户手动重新分配重量作为一种自服务模型，能够在潜在危害健康的运载载荷的某些阈值下有效地转化为持续的脊柱支撑，而不会损失效率，也不会损坏模型，从而支持关键的工程目标。
此外，原型