通過輔助長期臥床人員定時翻身，調整壓力分布避免單一部位長時間受壓是預防壓瘡的最有效措施。但被動輔助翻身與人體主動翻身相比，身體各部位受力存在明顯差異，可能影響翻身舒適性，甚至對外傷及危重患者造成二次傷害。因此，探究被動翻身舒適性影響因素，確定最優翻身策略具有較大的實用價值。首先，本文研究被動翻身人體各關節承載特征，提出了一種楔形氣囊構型，并將床墊楔形氣囊對偶布局等效為彈簧-阻尼模型，并基于實驗方法進行模型關鍵參數辨識。然后，通過調整施力位置、順序，設計了不同輔助翻身策略，建立了基于剛性人體結構與柔性等效彈簧的人-墊力耦合仿真模型，獲得了人體主要承壓部位受力情況。最后，對15名受試者開展輔助翻身試驗，通過分析仿真結果、實驗數據及問卷評分，驗證了輔助翻身與壓力調整效果，闡明了被動翻身過程人體舒適性的力學影響因素，為后續床墊構型設計與輔助翻身策略優化提供了理論基礎。
引用本文： 肖云軒, 劉騰, 孟垂舟, 焦子昂, 孟凡超, 郭士杰. 陣列式氣囊床墊防壓瘡輔助翻身建模與舒適性分析. 生物醫學工程學雜志, 2024, 41(1): 160-167. doi: 10.7507/1001-5515.202305016 復制
0 引言
壓瘡又稱壓力性潰瘍，其直接病因是臥床患者長時間保持相同姿態，骨骼隆凸處皮膚組織遭受持續性垂直壓力及摩擦力[1-3]，引發局部組織缺血、缺氧，最終導致皮膚潰爛壞死[4-5]。臨床研究數據顯示，危重病患及失能人群壓瘡發病率高達25.9%[6-7]，此外，壓瘡極易引發骨感染、敗血癥等高危并發癥，這些并發癥甚至成為特定患者的直接死因[8-10]。由于傳統壓瘡預防護具存在適配性差、預防效果不明顯等問題，人工定時輔助翻身是目前最為有效的壓瘡預防手段，但工作強度大、感染風險高，致使壓瘡預防仍然是一個全球性難題[11-13]。因此，開發一種智能護理設備代替人工輔助患者翻身已成為國內外研究人員的共識[14-17]。
針對壓瘡問題，Minju等[18]將床體縱向分為17個可獨立驅動模塊，利用體壓信息進行反饋控制，避免出現壓力集中，然而結構過于復雜，適用場景單一。針對護理床結構復雜、舒適性差等問題，韓國醫療器械研究中心和慶北大學研制了一種基于內壓信息，自動調節氣筒充氣量以減輕局部壓力的氣筒床墊系統，并通過壓力監測實驗發現產生壓瘡的臨界值為32 mm Hg[19]。Malindu等[20]設計了一種微型氣囊拼接制成的薄墊，通過控制微型氣囊充放氣，實現使用者體壓交替變化，避免壓力集中。與手動操控的護理床墊不同，美國Body Perfect床墊可監測使用者生理信息，并感知其位置、體形和行動意圖，從而主動調整睡姿[21-22]。以色列Wellsense公司設計了MAP（Monitor Alert Protect）壓瘡預防系統，能實時顯示人體與床墊接觸界面壓力云圖[23]。東京大學和Molten公司共同開發的Leios氣囊床墊通過內部跟蹤器可以從用戶日常睡眠活動記錄中分析他們是否保持舒適睡姿，并調整床墊溫度和使用者姿態[24]。然而，目前采用輔助翻身方式實現壓瘡防治的護理床墊產品及相關人體翻身生物力學機制、氣囊動力學特性的研究仍較為少見，且未從理論上探討助力大小、施力位置、翻身角度等變量對被動翻身效果及舒適性的影響。
為保障被動翻身的安全性與舒適性，本文基于前期建立的氣囊動力學模型及相關結論[25]進行了氣囊構型與床墊整體設計優化；通過建立彈簧-阻尼等效模型表征氣囊陣列力學特性，進而構建人-墊耦合力學模型，分析人體被動翻身生物力學機制。最后，本文利用該模型分析不同運動軌跡下壓瘡易發部位翻身前后的受力變化，并開展輔助翻身實驗，從仿真與實驗角度入手研究被動翻身舒適性的影響因素。
1 材料和方法
1.1 陣列式楔形氣囊床墊設計與翻身策略規劃
多氣囊陣列布局不僅可以實現每個氣囊的獨立控制，還可以通過監測各氣囊實時內壓，映射并識別人體壓力分布，實現對壓力集中部位的預警和自適應充放氣控制。然而，經過實驗驗證，常見的方形氣囊在翻身過程中容易在骨骼和關節處產生扭轉力矩，導致患者二次損傷，且翻身時人體單側突然懸空，舒適性較差。因此，本文根據人體肌群和關節位置，設計了楔形氣囊對偶結構，并對楔角、耦合邊長度等設計參數進行優化，實現整個翻身過程的柔性過度，具體結構如圖1所示。
圖1
氣囊陣列與人體承壓位置對應圖
Figure1.
Correspondence diagram of airbag array and human body pressure position
基于生物力學理論，為提高輔助翻身過程的安全性與舒適性，設計翻身助力策略時，須分析主動翻身各肌群發力順序與各關節運動情況。人體翻身時，背闊肌等上背肌群首先發力，單側背部抬起；隨后，核心和臀部肌群帶動人體重心向翻身側偏移；最后通過慣性作用，下肢完成翻身動作。
本文設計了五種助力順序，其中一種翻身策略仿照了上述主動翻身過程，從肩膀向小腿依次助力（方案1），此外還有自小腿向肩膀（方案2）、從臀部開始助力（方案3）、肩膀和小腿同時助力（方案4）以及全身同時助力（方案5）等翻身策略，如圖2所示。通過控制氣囊同時充氣數量、氣囊氣量等參數，調整助力大小、翻身角度和翻身時間，研究上述因素對翻身效果和舒適性的影響規律。
圖2
氣囊充氣順序示意圖
Figure2.
The airbag inflation sequence diagram
1.2 輔助翻身過程人機耦合動力學建模
由于輔助翻身過程比較緩慢可以視為準靜態過程，因此對氣囊耦合模型進行必要簡化。將氣囊充放氣過程簡化為變剛度彈簧壓縮/回彈過程，將楔形氣囊耦合陣列簡化為彈簧剛度-阻尼模型。基于彈簧等效模型，調整彈簧剛度改變彈簧力與壓縮量及映射關系，建立不同翻身策略下的人-機耦合動力學模型。
實際工作中氣囊僅能起到支撐人體的作用，而彈簧在伸長狀態下可提供拉力。因此，設置彈簧末端與人體無連接，保證彈簧不被拉伸。模型使用彈簧剛度來表征氣囊剛度，彈簧原始長度表征氣囊初始高度，將氣囊間的耦合與摩擦簡化為相互阻礙作用，通過彈簧阻尼來表示。圖3為楔形氣囊陣列剛度阻尼等效模型。其中k1、k2表示左右側彈簧的剛度，c為阻尼系數，彈簧剛度和阻尼系數均采用實驗方法辨識[26-28]。
圖3
楔形氣囊陣列剛度阻尼等效模型
Figure3.
Equivalent model for stiffness damping of wedge-shaped airbag arrays
整個彈簧形變過程可以看作是一個靜變形過程。在初始位置，兩側氣囊內的氣體質量相同，此時彈簧處于壓縮狀態。在結束位置，助力支撐側氣囊充滿氣體，彈簧剛度阻尼模型處于最大變形狀態，具體可以用式(1)表示。
 |
其中x表示位移，λ1、λ2分別表示左側和右側彈簧平衡位置的彈簧壓縮量，k1、k2表示左右側彈簧的剛度，c代表阻尼系數，彈簧剛度-阻尼系統處于靜平衡位置，重力與彈簧力平衡，因此可以得到式(2)。
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1.3 楔形氣囊等效模型參數辨識
為研究人體各關節主要受力情況和角度變化，將人體簡化為多剛體系統，并保留頸部、手臂、臀部、腿部的關節自由度，以確保仿真過程中各主要承載部位的運動和受力情況與實際翻身過程相符。基于翻身策略中充氣助力側氣囊同時充氣數量與充氣順序，設計了同側彼此獨立的等效彈簧。根據氣囊楔形面力耦合、氣囊間作用力及氣囊-人體相互作用力，建立了力耦合模型。并且由于實際翻身過程中人體與氣囊接觸為面接觸，因此在氣囊與人體之間設計了一個與氣囊薄膜質量相等的平面，以消除彈簧與人體剛體模型直接連接帶來的誤差。利用彈簧剛度阻尼模型，在Adams仿真軟件中將同時充氣氣囊等效為一根彈簧，建立各種輔助翻身方案的動力學模型，如圖4所示。
圖4
人-墊耦合力學模型
Figure4.
Coupled human-pad mechanics model
前期研究工作中已經建立了受載狀態下楔形單氣囊有限元仿真模型，從中得到了受載氣囊內壓與氣囊剛度之間的映射關系[29]。理論上在氣囊形狀及加載面積近似不變的條件下，單個氣囊剛度不發生變化，因此可以得出多氣囊耦合的陣列整體剛度等同于同數量氣囊的并聯剛度。然而，本文通過多組加載實驗驗證，發現實測結果與理論推導不一致。這表明氣囊間摩擦力，即所謂的氣囊楔形面力牽引效應對氣囊陣列整體剛度會產生影響。因此，針對本文設計的氣囊充氣策略，對氣囊不同耦合情況進行試驗，辨識相關參數。考慮到普通人躺下時單個氣囊的受力范圍為20～35 N[30]，并且當氣囊內氣體質量過小時，氣囊剛度過低支撐性較差，因此本文通過氣體流量計讀取氣囊充入氣體質量，并在氣囊受力范圍內設計載荷，保證在護理床墊真實工況范圍內開展實驗。圖5為組合氣囊內部氣體質量與剛度之間的關系。
圖5
組合氣囊內部氣體質量-剛度關系
Figure5.
Gas mass-stiffness relationship of combined airbag
由于本文設計的翻身策略涉及從單氣囊充氣到8氣囊同時充氣，因此進行了單氣囊到9氣囊耦合的加載實驗，保證實驗得到的等效模型辨識參數符合8氣囊同時充氣助力的實際工況。圖5顯示，氣囊陣列的整體剛度隨氣囊耦合數量變化而變化，奇數氣囊的耦合剛度明顯低于偶數氣囊的耦合剛度。此外，隨著氣囊數量增加，整體剛度增大倍數也隨之增加，證明剛度增大倍數可以表征氣囊力耦合作用對整體陣列剛度的影響。通過分析耦合區域的受力關系，發現氣囊間耦合摩擦對助力側氣囊產生了阻礙作用，對翻身側氣囊產生了支撐作用，因此，在仿真模型中使用阻尼表征氣囊楔形耦合面力牽引作用，剛度增大系數實際上代表了翻身動力學模型中的阻尼參數。上述結果明確指出，氣囊間耦合摩擦對于氣囊陣列整體剛度變化產生了重要作用。通過引入剛度增大系數，揭示了氣囊楔形面力牽引效應的實質。
1.4 輔助翻身效果及舒適性測試
基于前文設計的翻身運動軌跡，利用陣列式氣囊護理床墊搭建輔助翻身防壓瘡測試試驗平臺，開展各翻身策略輔助翻身實驗，并使用調查問卷對志愿者舒適程度進行評估。本文招募了15名不同性別、體征參數的志愿者，遵循以下準則入組：① 肢體健全無不良隱患；② 身高（170 ± 20）cm；③ 體重（70 ± 20）kg。實驗前對所有受試者進行了必要的實驗說明，受試者均簽署了知情同意書，本實驗通過了倫理審查。
2 結果
本文根據設計的被動翻身策略，進行了人-機耦合仿真建模分析和輔助翻身實驗。通過將仿真結果與實驗結果進行對比分析，驗證仿真模型的準確性，并基于人機耦合模型與翻身實驗結果探究翻身舒適性的影響機制，從而確定最優輔助翻身策略。
2.1 仿真結果
對輔助翻身動力學模型各部分關節力進行分析，研究輔助翻身策略和助力大小對翻身舒適性的影響規律。不同輔助翻身策略的各部位關節力對比曲線如圖6所示；基于翻身方案1，改變氣囊同時充氣數量，得到不同助力條件下各個關節力對比曲線，如圖7所示。
圖6
不同運動軌跡主要關節力對比圖
Figure6.
Comparison of the main joint forces for different motion trajectories
圖7
不同助力大小主要關節力對比圖
Figure7.
Comparison of the main joint forces of different power sizes
根據圖6、7可知，由于氣囊充氣主要產生向上（Z向）與側向（Y向）助力，各關節在X向受力較小且變化趨勢基本一致，因此可以確定關節Z向與Y向受力及波動情況是翻身安全性與舒適性的主要影響因素。對比圖6中髖關節和腰部關節的受力情況，發現單側氣囊同時助力翻身（方案5）的各方向關節受力都相對較小，并且力的波動情況也優于其他方案。而膝關節各方向受力情況各方案基本相似，并且受力明顯小于其他關節，對翻身舒適性影響較小。由圖7可知，對于各關節Z向受力而言，兩個氣囊同時充氣時，關節受力和波動幅頻明顯大于其他方案，可能造成翻身過程不舒適甚至受傷；而翻身方案5關節受力最小，且關節力的波動幅頻也相對較小。因此，就各關節Y向受力情況而言，同樣是方案5優于其他方案。
2.2 實驗結果
由于各輔助翻身實驗結果趨勢相對一致，鑒于篇幅所限，隨機選取一名志愿者的實驗數據進行分析。表1為翻身角度與氣囊內壓數據，圖8是不同輔助翻身策略在各翻身運動階段的壓力云圖。
表1
支撐側氣囊內壓-翻身角度
Table1.
Airbag internal pressure-turning angle on the support side
圖8
輔助翻身過程壓力云圖
Figure8.
Pressure cloud diagram of assisted turning process
通過圖8發現，氣囊自初始狀態到完全充滿的過程中體壓分布有明顯差異。初始狀態下，頭部、背部、臀部、腿部隆突處存在壓力集中，頸部、手臂與膝部壓力較小，接近于0。由表1可知，在助力支撐側氣囊充氣中期，試驗者處于向右翻身狀態，兩側氣囊高度差為80 mm，翻身角度為13.63°，試驗者胸腹部、臀部和大腿內側所受壓力明顯減小，與此同時右臂和肘部壓力顯著增大，其他部位壓力變化不大。在充滿狀態下，兩側氣囊高度差為100 mm，試驗者達到最大翻身角度16.86°，試驗者胸腹部壓力減少更加明顯，右臂和肘部壓力增大，其他部位的壓力變化相對于前兩個狀態不明顯。由于仿真模型的輸入參數與實際測試者的數據不同，因此在具體數值上實驗結果與仿真結果一定存在一些差異，但翻身前后的最大壓力分布以及變化趨勢基本一致，上述實驗結果可以判定所建仿真模型可靠性較好。
表2為翻身角度主觀舒適性調查問卷統計表。調查結果顯示，在翻身前半程，被試者整體感覺良好；在中間狀態下，一些被試者出現肩部不適現象；而在氣囊充滿后，一些被試者感覺肩部和臀部出現不適，翻身過程整體感覺一般。綜合問卷調查結果表明，隨著翻身角度的增大，減壓區域面積也隨之增大，同時身體不同部位表現出一定的不適。表3列出了各輔助翻身策略的舒適性問卷評分情況，包括所有方案中被認為不適的部位以及整體翻身舒適性的平均分數。
表2
翻身角度主觀舒適性調查問卷情況表
Table2.
Subjective questionnaire of turning angle
表3
輔助翻身方案體位舒適性主觀調查問卷情況表
Table3.
Subjective questionnaire on position comfort of the auxiliary turning scheme
根據翻身過程壓力云圖和受試者主觀舒適性評價問卷，可以得出以下結論：所有助力方案都能有效輔助使用者完成翻身動作，并且調整壓力分布從而減輕特定部位的接觸壓力，但是不同助力方案在整體舒適性方面略有差異。其中，全身同時助力輔助使用者完成被動翻身動作的舒適性最高，整個翻身過程的受力變化波動相對較小。這一結論與仿真所得結論基本一致，說明關節力變化情況可以反映被動翻身的舒適性。
3 討論
研究結果表明，長期保持相同姿態會導致局部組織持續受壓，表皮汗液和熱量排放受到阻礙，極易引發壓瘡[1]。為了應對這一壓瘡誘因，定時調整患者姿態顯得尤為重要。通過改變主要承壓部位，特別是身體隆凸處的壓力分布，同時促進表皮組織的通風和散熱可有效預防壓瘡發生。然而，目前臨床典型應用場景暴露了被動翻身的舒適性存在明顯問題。首先，由于常規形狀（矩形等）氣囊彼此獨立，因此在翻身過程中相鄰氣囊之間的過渡突兀，極易引起關節、組織二次損傷；其次，現有氣囊床墊大多基于經驗設計，缺乏適用于柔性氣囊陣列的人-機耦合力學模型。床墊本體結構的柔軟特性與人體結構在力學特性上的動態匹配機制尚不明確，因此翻身過程的安全性與舒適性均難以保證。基于上述問題，本文從氣囊剛度特性與楔形面耦合機制入手，建立了氣囊陣列的剛度阻尼等效模型，并通過實驗驗證了模型的準確性。
仿真和實驗結果表明，相比與主動翻身相似的翻身助力策略，采用全身同時助力最大壓力更小，翻身過程更為平穩，更接近目前臨床多人協作輔助患者翻身的壓瘡護理方法。此外，根據壓力云圖及舒適性問卷結果，可以觀察到隨著翻身角度的增加，壓力分布的變化更加明顯，但某些部位與氣囊接觸面積逐漸變小，反而可能導致局部壓力集中現象，當翻身角度接近最大值16.86°時，由于破壞了平躺時的身體平衡，并受到邊緣氣囊擠壓，志愿者普遍反映出現不適現象，這些結論與目前臨床研究結果基本一致。然而實驗與問卷結果表明，翻身角度越大，壓瘡防治效果越好，這同樣與日常護理人員認知相符合。通過分析上述現象可以得出結論：相較于均化壓力，通過調整患者姿態，促進局部組織血液流動和通風散熱是實現壓瘡預防的關鍵，這也是陣列式氣囊床墊相較于氣筒氣囊床墊的優勢所在。
本文實驗部分招募的志愿者均為健康人群，年齡集中在25～35周歲之間，盡管實驗結果有很大價值，但納入樣本不涉及老年群體或失能患者，可能導致結果有所偏差。因此，團隊下一步的研究計劃是與醫院或養老機構合作開展針對老年群體或失能患者的臨床試驗。通過模擬真實臨床場景，更好地評估實際使用中氣囊陣列輔助翻身的舒適性。這將有助于進一步驗證研究結果，并為陣列氣囊床墊設計和臨床應用提供更可靠的理論依據。
4 結論
為解決傳統陣列氣囊床墊翻身過程支撐性不足及安全性、舒適性差的問題，本文提出了陣列式楔形氣囊護理床墊構型，并從人體主動翻身過程入手分析，設計了多種輔助翻身助力策略。隨后基于Adams建立了人-墊耦合翻身運動力學模型，并通過人體被動翻身實驗驗證了模型可靠性。本文從理論建模、實驗研究兩方面證實了利用陣列式楔形氣囊護理床墊可輔助使用者完成防壓瘡輔助翻身運動，并起到調節人體壓力分布的效果。主要結論如下：
（1）從人體主動翻身過程生物力學特征入手，設計了多種人體被動翻身策略；利用氣囊動力學特性，建立了上述翻身策略的人-墊耦合力學模型，該建模過程可為人-機耦合、剛性-柔性超彈性體耦合建模提供參考。
（2）本文基于所建立人-墊耦合力學模型及實驗結果，分析主要受載部位的關節力大小及波動幅頻，結合受試者主觀調查問卷結果，闡明了不同翻身策略及助力大小對翻身舒適性的影響規律。在此基礎上，得出了最優人體被動輔助翻身策略并為后續氣囊構型及陣列布局優化提供了理論依據。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：肖云軒完成了整個研究，并撰寫了論文初稿。劉騰設計了整體思路，并對肖云軒的人機耦合建模方法給予了重要指導。孟垂舟對本研究的技術路線提出了重要的改進意見。孟凡超參與了實驗準備、樣機搭建等工作。焦子昂參與了數據收集工作。郭士杰對數據分析和解釋做出了貢獻，并協助審閱了稿件。
倫理聲明：本研究通過了河北工業大學倫理委員會的審批（批文編號：HEBUThMEC2023019）。
0 引言
壓瘡又稱壓力性潰瘍，其直接病因是臥床患者長時間保持相同姿態，骨骼隆凸處皮膚組織遭受持續性垂直壓力及摩擦力[1-3]，引發局部組織缺血、缺氧，最終導致皮膚潰爛壞死[4-5]。臨床研究數據顯示，危重病患及失能人群壓瘡發病率高達25.9%[6-7]，此外，壓瘡極易引發骨感染、敗血癥等高危并發癥，這些并發癥甚至成為特定患者的直接死因[8-10]。由于傳統壓瘡預防護具存在適配性差、預防效果不明顯等問題，人工定時輔助翻身是目前最為有效的壓瘡預防手段，但工作強度大、感染風險高，致使壓瘡預防仍然是一個全球性難題[11-13]。因此，開發一種智能護理設備代替人工輔助患者翻身已成為國內外研究人員的共識[14-17]。
針對壓瘡問題，Minju等[18]將床體縱向分為17個可獨立驅動模塊，利用體壓信息進行反饋控制，避免出現壓力集中，然而結構過于復雜，適用場景單一。針對護理床結構復雜、舒適性差等問題，韓國醫療器械研究中心和慶北大學研制了一種基于內壓信息，自動調節氣筒充氣量以減輕局部壓力的氣筒床墊系統，并通過壓力監測實驗發現產生壓瘡的臨界值為32 mm Hg[19]。Malindu等[20]設計了一種微型氣囊拼接制成的薄墊，通過控制微型氣囊充放氣，實現使用者體壓交替變化，避免壓力集中。與手動操控的護理床墊不同，美國Body Perfect床墊可監測使用者生理信息，并感知其位置、體形和行動意圖，從而主動調整睡姿[21-22]。以色列Wellsense公司設計了MAP（Monitor Alert Protect）壓瘡預防系統，能實時顯示人體與床墊接觸界面壓力云圖[23]。東京大學和Molten公司共同開發的Leios氣囊床墊通過內部跟蹤器可以從用戶日常睡眠活動記錄中分析他們是否保持舒適睡姿，并調整床墊溫度和使用者姿態[24]。然而，目前采用輔助翻身方式實現壓瘡防治的護理床墊產品及相關人體翻身生物力學機制、氣囊動力學特性的研究仍較為少見，且未從理論上探討助力大小、施力位置、翻身角度等變量對被動翻身效果及舒適性的影響。
為保障被動翻身的安全性與舒適性，本文基于前期建立的氣囊動力學模型及相關結論[25]進行了氣囊構型與床墊整體設計優化；通過建立彈簧-阻尼等效模型表征氣囊陣列力學特性，進而構建人-墊耦合力學模型，分析人體被動翻身生物力學機制。最后，本文利用該模型分析不同運動軌跡下壓瘡易發部位翻身前后的受力變化，并開展輔助翻身實驗，從仿真與實驗角度入手研究被動翻身舒適性的影響因素。
1 材料和方法
1.1 陣列式楔形氣囊床墊設計與翻身策略規劃
多氣囊陣列布局不僅可以實現每個氣囊的獨立控制，還可以通過監測各氣囊實時內壓，映射并識別人體壓力分布，實現對壓力集中部位的預警和自適應充放氣控制。然而，經過實驗驗證，常見的方形氣囊在翻身過程中容易在骨骼和關節處產生扭轉力矩，導致患者二次損傷，且翻身時人體單側突然懸空，舒適性較差。因此，本文根據人體肌群和關節位置，設計了楔形氣囊對偶結構，并對楔角、耦合邊長度等設計參數進行優化，實現整個翻身過程的柔性過度，具體結構如圖1所示。
圖1
氣囊陣列與人體承壓位置對應圖
Figure1.
Correspondence diagram of airbag array and human body pressure position
基于生物力學理論，為提高輔助翻身過程的安全性與舒適性，設計翻身助力策略時，須分析主動翻身各肌群發力順序與各關節運動情況。人體翻身時，背闊肌等上背肌群首先發力，單側背部抬起；隨后，核心和臀部肌群帶動人體重心向翻身側偏移；最后通過慣性作用，下肢完成翻身動作。
本文設計了五種助力順序，其中一種翻身策略仿照了上述主動翻身過程，從肩膀向小腿依次助力（方案1），此外還有自小腿向肩膀（方案2）、從臀部開始助力（方案3）、肩膀和小腿同時助力（方案4）以及全身同時助力（方案5）等翻身策略，如圖2所示。通過控制氣囊同時充氣數量、氣囊氣量等參數，調整助力大小、翻身角度和翻身時間，研究上述因素對翻身效果和舒適性的影響規律。
圖2
氣囊充氣順序示意圖
Figure2.
The airbag inflation sequence diagram
1.2 輔助翻身過程人機耦合動力學建模
由于輔助翻身過程比較緩慢可以視為準靜態過程，因此對氣囊耦合模型進行必要簡化。將氣囊充放氣過程簡化為變剛度彈簧壓縮/回彈過程，將楔形氣囊耦合陣列簡化為彈簧剛度-阻尼模型。基于彈簧等效模型，調整彈簧剛度改變彈簧力與壓縮量及映射關系，建立不同翻身策略下的人-機耦合動力學模型。
實際工作中氣囊僅能起到支撐人體的作用，而彈簧在伸長狀態下可提供拉力。因此，設置彈簧末端與人體無連接，保證彈簧不被拉伸。模型使用彈簧剛度來表征氣囊剛度，彈簧原始長度表征氣囊初始高度，將氣囊間的耦合與摩擦簡化為相互阻礙作用，通過彈簧阻尼來表示。圖3為楔形氣囊陣列剛度阻尼等效模型。其中k1、k2表示左右側彈簧的剛度，c為阻尼系數，彈簧剛度和阻尼系數均采用實驗方法辨識[26-28]。
圖3
楔形氣囊陣列剛度阻尼等效模型
Figure3.
Equivalent model for stiffness damping of wedge-shaped airbag arrays
整個彈簧形變過程可以看作是一個靜變形過程。在初始位置，兩側氣囊內的氣體質量相同，此時彈簧處于壓縮狀態。在結束位置，助力支撐側氣囊充滿氣體，彈簧剛度阻尼模型處于最大變形狀態，具體可以用式(1)表示。
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其中x表示位移，λ1、λ2分別表示左側和右側彈簧平衡位置的彈簧壓縮量，k1、k2表示左右側彈簧的剛度，c代表阻尼系數，彈簧剛度-阻尼系統處于靜平衡位置，重力與彈簧力平衡，因此可以得到式(2)。
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1.3 楔形氣囊等效模型參數辨識
為研究人體各關節主要受力情況和角度變化，將人體簡化為多剛體系統，并保留頸部、手臂、臀部、腿部的關節自由度，以確保仿真過程中各主要承載部位的運動和受力情況與實際翻身過程相符。基于翻身策略中充氣助力側氣囊同時充氣數量與充氣順序，設計了同側彼此獨立的等效彈簧。根據氣囊楔形面力耦合、氣囊間作用力及氣囊-人體相互作用力，建立了力耦合模型。并且由于實際翻身過程中人體與氣囊接觸為面接觸，因此在氣囊與人體之間設計了一個與氣囊薄膜質量相等的平面，以消除彈簧與人體剛體模型直接連接帶來的誤差。利用彈簧剛度阻尼模型，在Adams仿真軟件中將同時充氣氣囊等效為一根彈簧，建立各種輔助翻身方案的動力學模型，如圖4所示。
圖4
人-墊耦合力學模型
Figure4.
Coupled human-pad mechanics model
前期研究工作中已經建立了受載狀態下楔形單氣囊有限元仿真模型，從中得到了受載氣囊內壓與氣囊剛度之間的映射關系[29]。理論上在氣囊形狀及加載面積近似不變的條件下，單個氣囊剛度不發生變化，因此可以得出多氣囊耦合的陣列整體剛度等同于同數量氣囊的并聯剛度。然而，本文通過多組加載實驗驗證，發現實測結果與理論推導不一致。這表明氣囊間摩擦力，即所謂的氣囊楔形面力牽引效應對氣囊陣列整體剛度會產生影響。因此，針對本文設計的氣囊充氣策略，對氣囊不同耦合情況進行試驗，辨識相關參數。考慮到普通人躺下時單個氣囊的受力范圍為20～35 N[30]，并且當氣囊內氣體質量過小時，氣囊剛度過低支撐性較差，因此本文通過氣體流量計讀取氣囊充入氣體質量，并在氣囊受力范圍內設計載荷，保證在護理床墊真實工況范圍內開展實驗。圖5為組合氣囊內部氣體質量與剛度之間的關系。
圖5
組合氣囊內部氣體質量-剛度關系
Figure5.
Gas mass-stiffness relationship of combined airbag
由于本文設計的翻身策略涉及從單氣囊充氣到8氣囊同時充氣，因此進行了單氣囊到9氣囊耦合的加載實驗，保證實驗得到的等效模型辨識參數符合8氣囊同時充氣助力的實際工況。圖5顯示，氣囊陣列的整體剛度隨氣囊耦合數量變化而變化，奇數氣囊的耦合剛度明顯低于偶數氣囊的耦合剛度。此外，隨著氣囊數量增加，整體剛度增大倍數也隨之增加，證明剛度增大倍數可以表征氣囊力耦合作用對整體陣列剛度的影響。通過分析耦合區域的受力關系，發現氣囊間耦合摩擦對助力側氣囊產生了阻礙作用，對翻身側氣囊產生了支撐作用，因此，在仿真模型中使用阻尼表征氣囊楔形耦合面力牽引作用，剛度增大系數實際上代表了翻身動力學模型中的阻尼參數。上述結果明確指出，氣囊間耦合摩擦對于氣囊陣列整體剛度變化產生了重要作用。通過引入剛度增大系數，揭示了氣囊楔形面力牽引效應的實質。
1.4 輔助翻身效果及舒適性測試
基于前文設計的翻身運動軌跡，利用陣列式氣囊護理床墊搭建輔助翻身防壓瘡測試試驗平臺，開展各翻身策略輔助翻身實驗，并使用調查問卷對志愿者舒適程度進行評估。本文招募了15名不同性別、體征參數的志愿者，遵循以下準則入組：① 肢體健全無不良隱患；② 身高（170 ± 20）cm；③ 體重（70 ± 20）kg。實驗前對所有受試者進行了必要的實驗說明，受試者均簽署了知情同意書，本實驗通過了倫理審查。
2 結果
本文根據設計的被動翻身策略，進行了人-機耦合仿真建模分析和輔助翻身實驗。通過將仿真結果與實驗結果進行對比分析，驗證仿真模型的準確性，并基于人機耦合模型與翻身實驗結果探究翻身舒適性的影響機制，從而確定最優輔助翻身策略。
2.1 仿真結果
對輔助翻身動力學模型各部分關節力進行分析，研究輔助翻身策略和助力大小對翻身舒適性的影響規律。不同輔助翻身策略的各部位關節力對比曲線如圖6所示；基于翻身方案1，改變氣囊同時充氣數量，得到不同助力條件下各個關節力對比曲線，如圖7所示。
圖6
不同運動軌跡主要關節力對比圖
Figure6.
Comparison of the main joint forces for different motion trajectories
圖7
不同助力大小主要關節力對比圖
Figure7.
Comparison of the main joint forces of different power sizes
根據圖6、7可知，由于氣囊充氣主要產生向上（Z向）與側向（Y向）助力，各關節在X向受力較小且變化趨勢基本一致，因此可以確定關節Z向與Y向受力及波動情況是翻身安全性與舒適性的主要影響因素。對比圖6中髖關節和腰部關節的受力情況，發現單側氣囊同時助力翻身（方案5）的各方向關節受力都相對較小，并且力的波動情況也優于其他方案。而膝關節各方向受力情況各方案基本相似，并且受力明顯小于其他關節，對翻身舒適性影響較小。由圖7可知，對于各關節Z向受力而言，兩個氣囊同時充氣時，關節受力和波動幅頻明顯大于其他方案，可能造成翻身過程不舒適甚至受傷；而翻身方案5關節受力最小，且關節力的波動幅頻也相對較小。因此，就各關節Y向受力情況而言，同樣是方案5優于其他方案。
2.2 實驗結果
由于各輔助翻身實驗結果趨勢相對一致，鑒于篇幅所限，隨機選取一名志愿者的實驗數據進行分析。表1為翻身角度與氣囊內壓數據，圖8是不同輔助翻身策略在各翻身運動階段的壓力云圖。
表1
支撐側氣囊內壓-翻身角度
Table1.
Airbag internal pressure-turning angle on the support side
圖8
輔助翻身過程壓力云圖
Figure8.
Pressure cloud diagram of assisted turning process
通過圖8發現，氣囊自初始狀態到完全充滿的過程中體壓分布有明顯差異。初始狀態下，頭部、背部、臀部、腿部隆突處存在壓力集中，頸部、手臂與膝部壓力較小，接近于0。由表1可知，在助力支撐側氣囊充氣中期，試驗者處于向右翻身狀態，兩側氣囊高度差為80 mm，翻身角度為13.63°，試驗者胸腹部、臀部和大腿內側所受壓力明顯減小，與此同時右臂和肘部壓力顯著增大，其他部位壓力變化不大。在充滿狀態下，兩側氣囊高度差為100 mm，試驗者達到最大翻身角度16.86°，試驗者胸腹部壓力減少更加明顯，右臂和肘部壓力增大，其他部位的壓力變化相對于前兩個狀態不明顯。由于仿真模型的輸入參數與實際測試者的數據不同，因此在具體數值上實驗結果與仿真結果一定存在一些差異，但翻身前后的最大壓力分布以及變化趨勢基本一致，上述實驗結果可以判定所建仿真模型可靠性較好。
表2為翻身角度主觀舒適性調查問卷統計表。調查結果顯示，在翻身前半程，被試者整體感覺良好；在中間狀態下，一些被試者出現肩部不適現象；而在氣囊充滿后，一些被試者感覺肩部和臀部出現不適，翻身過程整體感覺一般。綜合問卷調查結果表明，隨著翻身角度的增大，減壓區域面積也隨之增大，同時身體不同部位表現出一定的不適。表3列出了各輔助翻身策略的舒適性問卷評分情況，包括所有方案中被認為不適的部位以及整體翻身舒適性的平均分數。
表2
翻身角度主觀舒適性調查問卷情況表
Table2.
Subjective questionnaire of turning angle
表3
輔助翻身方案體位舒適性主觀調查問卷情況表
Table3.
Subjective questionnaire on position comfort of the auxiliary turning scheme
根據翻身過程壓力云圖和受試者主觀舒適性評價問卷，可以得出以下結論：所有助力方案都能有效輔助使用者完成翻身動作，并且調整壓力分布從而減輕特定部位的接觸壓力，但是不同助力方案在整體舒適性方面略有差異。其中，全身同時助力輔助使用者完成被動翻身動作的舒適性最高，整個翻身過程的受力變化波動相對較小。這一結論與仿真所得結論基本一致，說明關節力變化情況可以反映被動翻身的舒適性。
3 討論
研究結果表明，長期保持相同姿態會導致局部組織持續受壓，表皮汗液和熱量排放受到阻礙，極易引發壓瘡[1]。為了應對這一壓瘡誘因，定時調整患者姿態顯得尤為重要。通過改變主要承壓部位，特別是身體隆凸處的壓力分布，同時促進表皮組織的通風和散熱可有效預防壓瘡發生。然而，目前臨床典型應用場景暴露了被動翻身的舒適性存在明顯問題。首先，由于常規形狀（矩形等）氣囊彼此獨立，因此在翻身過程中相鄰氣囊之間的過渡突兀，極易引起關節、組織二次損傷；其次，現有氣囊床墊大多基于經驗設計，缺乏適用于柔性氣囊陣列的人-機耦合力學模型。床墊本體結構的柔軟特性與人體結構在力學特性上的動態匹配機制尚不明確，因此翻身過程的安全性與舒適性均難以保證。基于上述問題，本文從氣囊剛度特性與楔形面耦合機制入手，建立了氣囊陣列的剛度阻尼等效模型，并通過實驗驗證了模型的準確性。
仿真和實驗結果表明，相比與主動翻身相似的翻身助力策略，采用全身同時助力最大壓力更小，翻身過程更為平穩，更接近目前臨床多人協作輔助患者翻身的壓瘡護理方法。此外，根據壓力云圖及舒適性問卷結果，可以觀察到隨著翻身角度的增加，壓力分布的變化更加明顯，但某些部位與氣囊接觸面積逐漸變小，反而可能導致局部壓力集中現象，當翻身角度接近最大值16.86°時，由于破壞了平躺時的身體平衡，并受到邊緣氣囊擠壓，志愿者普遍反映出現不適現象，這些結論與目前臨床研究結果基本一致。然而實驗與問卷結果表明，翻身角度越大，壓瘡防治效果越好，這同樣與日常護理人員認知相符合。通過分析上述現象可以得出結論：相較于均化壓力，通過調整患者姿態，促進局部組織血液流動和通風散熱是實現壓瘡預防的關鍵，這也是陣列式氣囊床墊相較于氣筒氣囊床墊的優勢所在。
本文實驗部分招募的志愿者均為健康人群，年齡集中在25～35周歲之間，盡管實驗結果有很大價值，但納入樣本不涉及老年群體或失能患者，可能導致結果有所偏差。因此，團隊下一步的研究計劃是與醫院或養老機構合作開展針對老年群體或失能患者的臨床試驗。通過模擬真實臨床場景，更好地評估實際使用中氣囊陣列輔助翻身的舒適性。這將有助于進一步驗證研究結果，并為陣列氣囊床墊設計和臨床應用提供更可靠的理論依據。
4 結論
為解決傳統陣列氣囊床墊翻身過程支撐性不足及安全性、舒適性差的問題，本文提出了陣列式楔形氣囊護理床墊構型，并從人體主動翻身過程入手分析，設計了多種輔助翻身助力策略。隨后基于Adams建立了人-墊耦合翻身運動力學模型，并通過人體被動翻身實驗驗證了模型可靠性。本文從理論建模、實驗研究兩方面證實了利用陣列式楔形氣囊護理床墊可輔助使用者完成防壓瘡輔助翻身運動，并起到調節人體壓力分布的效果。主要結論如下：
（1）從人體主動翻身過程生物力學特征入手，設計了多種人體被動翻身策略；利用氣囊動力學特性，建立了上述翻身策略的人-墊耦合力學模型，該建模過程可為人-機耦合、剛性-柔性超彈性體耦合建模提供參考。
（2）本文基于所建立人-墊耦合力學模型及實驗結果，分析主要受載部位的關節力大小及波動幅頻，結合受試者主觀調查問卷結果，闡明了不同翻身策略及助力大小對翻身舒適性的影響規律。在此基礎上，得出了最優人體被動輔助翻身策略并為后續氣囊構型及陣列布局優化提供了理論依據。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：肖云軒完成了整個研究，并撰寫了論文初稿。劉騰設計了整體思路，并對肖云軒的人機耦合建模方法給予了重要指導。孟垂舟對本研究的技術路線提出了重要的改進意見。孟凡超參與了實驗準備、樣機搭建等工作。焦子昂參與了數據收集工作。郭士杰對數據分析和解釋做出了貢獻，并協助審閱了稿件。
倫理聲明：本研究通過了河北工業大學倫理委員會的審批（批文編號：HEBUThMEC2023019）。
