TỔNG QUAN
Vấn đề khó chịu của vị trí ngồi
1.1.1 Nhận thức về sự không thoải mái đối với vị trí ngồi
Cảm giác thoải mái hay khó chịu khi ngồi là một trải nghiệm cá nhân và chủ quan, thường xuất phát từ cảm giác đau nhói, nhức mỏi ở các mô cơ do bị đè nén hoặc biến dạng quá mức Điều này liên quan đến sự tương thích giữa vị trí cơ thể và hoạt động đang thực hiện, ảnh hưởng đến cảm nhận về sự thoải mái.
Hệ thống thần kinh trung ương chịu trách nhiệm cảm nhận các cảm giác, nhưng khi hệ thống thần kinh ngoại vi hoặc trung ương bị tổn thương, nhận thức về cảm giác khó chịu có thể bị rối loạn Những bệnh nhân bị tổn thương tủy sống, tai biến, hoặc những người phải nằm liệt giường hoặc ngồi xe lăn lâu dài thường mất đi sự nhạy cảm sâu hoặc một phần, dẫn đến nguy cơ hình thành bệnh lý loét áp lực.
Việc phòng ngừa và dự đoán nguy cơ loét áp lực gặp nhiều thách thức cả về khoa học lẫn kinh tế-y tế Đánh giá mức độ khó chịu khi ngồi là một nhiệm vụ phức tạp do tính khách quan bị ảnh hưởng bởi sự khác biệt giữa từng cá nhân và mức độ tổn thương.
1.1.2 Hỗ trợ kỹ thuật cho vị trí ngồi
Các kỹ thuật tiên tiến gần đây đã cho phép phát triển nhiều phương pháp nhằm nâng cao sự thoải mái khi ngồi và giảm thiểu khó chịu cho người sử dụng xe lăn Nhiều loại đệm y tế và xe lăn hiện nay được thiết kế đặc biệt để cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.
Tư thế ngồi tốt và hỗ trợ tư thế đúng liên quan đến các hoạt động của
Cải thiện sự thoải mái và ngăn ngừa loét áp lực là điều cần thiết cho người sử dụng xe lăn Theo Dumas (2007), vị trí xấu của trục cơ thể, độ dốc và đường dốc của khung chậu có thể dẫn đến phân bố áp lực không tốt tại giao diện cơ mông và vị trí dưới xương đùi Do đó, các thiết lập ghế ngồi cần được điều chỉnh hợp lý để giảm thiểu sự không thoải mái.
Ví dụ, phần tựa lưng giúp vị trí thuận tiện hơn, bằng cách tăng cường sự ổn định của thân cây do phần thắt lưng hỗ trợ (Hình 1.1)
Hình 1.1- Vị trí ngồi thoải mái
Sự phát triển và phòng ngừa loét áp lực
1.2.1 Bệnh lý loét áp lực
Theo Ủy ban tư vấn loét áp lực Châu Âu (EPUAP), loét do áp lực là tổn thương do thiếu máu cục bộ ở da và mô dưới da, thường xuất hiện trên các vùng xương lồi Loét này thường phát triển ở gót chân, mắt cá chân và hông, với 90% trường hợp xảy ra dưới thắt lưng Đặc biệt, những người sử dụng xe lăn và giữ nguyên tư thế trong thời gian dài có nguy cơ cao mắc phải tình trạng này.
DaiHocDaNang các vết loét do áp lực chủ yếu tập trung ở vùng xương cùng, xương mông (dưới xương chậu) và phần lớn hơn của xương đùi
Hình 1.2- Loét áp lực (áp lực) tùy theo mức độ nghiêm trọng, từ cấp 1 đến cấp 4
Một số nghiên cứu đã ước tính chi phí điều trị loét áp lực theo mức độ nghiêm trọng của chúng:
• Tại Vương quốc Anh tùy thuộc vào mức độ loét áp lực, chi phí điều trị thay đổi từ 1200 € (cấp độ 1) đến 12500 € (cấp độ 4) (Hình 1.2)
Chi phí điều trị hàng năm tại Hoa Kỳ ước tính khoảng 1,3 tỷ đô la, gây khó khăn trong việc xác định rõ ràng chi phí thuốc chữa bệnh Điều này làm cho việc xây dựng chính sách chăm sóc dự phòng cho một lượng lớn dân số trở nên phức tạp hơn Tuy nhiên, những người sử dụng xe lăn có đệm hỗ trợ ít gặp khó khăn hơn, vì đệm hỗ trợ giúp ngăn ngừa và giảm tỷ lệ loét áp lực.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc duy trì tải trọng chính do khối lượng của cơ thể người trong một thời gian dài là yếu tố quan trọng
DaiHocDaNang chỉ ra rằng áp lực không phải là yếu tố duy nhất gây ra vết loét do áp lực, mà còn có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến sự hình thành của chúng Theo EPUAP, lực cắt và ma sát đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của loét áp lực Nghiên cứu cũng cho thấy sự hiện diện của ứng suất cắt có thể làm giảm lưu lượng máu, từ đó góp phần vào việc hình thành loét.
Do đó, lực cắt là yếu tố trực tiếp gây ra sự hình thành vết loét do áp lực sâu
Sự hình thành và phát triển của vết loét do áp lực không chỉ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài da như áp lực, lực cắt, ma sát và vi khí hậu, mà còn bởi dinh dưỡng, tuổi tác, tư thế, mức độ di chuyển, tình trạng không kiểm soát, cùng với nhiệt độ và độ ẩm trên bề mặt giao diện đệm và mông của người sử dụng xe lăn.
Vai trò của đệm ngồi
Đệm ngồi đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa vết loét do áp lực và cải thiện chức năng cho người sử dụng xe lăn Tuy nhiên, không có loại đệm nào phù hợp với tất cả nhu cầu và đặc điểm của từng người dùng, dẫn đến sự cần thiết của các mẫu đệm có thể cá nhân hóa Theo Ferguson-Pell, đệm ngồi cho xe lăn cần đạt được các mục tiêu như cải thiện sự thoải mái, ổn định, phân phối ứng suất lên các mô mềm, thích nghi với tính chất ma sát, và quản lý độ ẩm cũng như nhiệt độ hiệu quả.
Một số nghiên cứu, chỉ ra rằng những đệm được gọi là đệm
Đệm "giải phẫu" được thiết kế để tích hợp hình dạng của mông và đùi, giúp cải thiện sự cân bằng và chuyển động chức năng Nhờ vào cấu trúc này, đệm không chỉ mang lại sự thoải mái mà còn hỗ trợ liên kết tư thế và giảm áp lực lên cơ thể Cụ thể, đệm có khả năng giảm áp lực bên trong và bề mặt khoảng 18% đến 33%, mang lại trải nghiệm ngồi tốt hơn cho người sử dụng.
Mô hình hóa mô hình cơ y sinh đệm xe lăn và mông-đùi
Nhiều mô hình thực nghiệm và nghiên cứu mô phỏng số đã được thực hiện để khảo sát sự tương tác giữa đệm ngồi và mông-đùi, nhằm hiểu rõ cơ chế hình thành và phát triển vết loét áp lực Các mô hình này không chỉ giúp xác định các yếu tố nguy cơ hình thành loét áp lực mà còn cho phép thử nghiệm các giải pháp phòng ngừa và điều trị hiệu quả.
1.4.1 Mô hình thực nghiệm Được tạo ra bởi Tổ chức đo lường Quốc tế (ISO) từ năm 2007, một tiêu chuẩn (ISO 16840-2: 2007 (phần 2) được dùng để thử nghiệm và đánh giá đệm xe lăn chỉ định các thiết bị, nhằm duy trì toàn vẹn mô và ngăn ngừa chấn thương mô
Hollington et al (Hình 1.3b) đã thực hiện các thử nghiệm tương tự trên 37 đệm ghế của xe lăn
Hình 1.3– Mô hình mông-đùi cơ thể người bằng gỗ (a) Jaworski và (b)
Mô hình số đầu tiên về cơ mông/đệm được đề xuất bởi Chow và Odell vào năm 1978 nhằm nghiên cứu biến dạng và ứng suất ở mông Nghiên cứu này tập trung vào việc hiểu hoạt động cơ học của đệm ngồi xe lăn để thiết kế các tính năng ngăn ngừa loét áp lực Họ áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với mô hình đối xứng, phân tích các thông số như phân bố áp suất, ma sát bề mặt, ứng suất von Mises và áp suất thủy tĩnh.
Hình 1.4- Mô hình số đầu tiên được đề xuất vào năm 1978 bởi Chow và Odell
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu kỹ thuật số đã được thực hiện để cải thiện sự thoải mái và thiết kế ghế ô tô, như nghiên cứu của Amann et al và Grujicic et al Những nghiên cứu này đã đánh giá các tác động tĩnh và động đến sự thoải mái của ghế ô tô với mô hình người lái xe Kết quả cho thấy sự phân bố áp lực tiếp xúc giữa mông người và ghế xe hơi, cũng như xác định ứng suất trong mô cơ của mông người lái xe.
Hình 1.5-Mô hình số được phát triển bởi Amann et al., và Grujicic et al
Tang và cộng sự (2010) đã đề xuất một mô hình cơ sinh học 2D FEM để nghiên cứu ảnh hưởng của tần số dao động thẳng đứng lên ba loại đệm với các vật liệu khác nhau, tập trung vào vùng mông-đùi của cơ thể người khi tiếp xúc với đệm ngồi.
Hình 1.6- Mô hình số được phát triển bởi Tang et al
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về sự không thoải mái khi ngồi, đặc biệt là trên đệm xe lăn, cùng với các kỹ thuật hỗ trợ tư thế ngồi Nó cũng đề cập đến vấn đề loét áp lực, bao gồm bệnh lý và các yếu tố hình thành, từ đó nhấn mạnh vai trò của đệm hỗ trợ trong việc phòng ngừa loét áp lực, bao gồm các loại đệm và vật liệu chế tạo Cuối cùng, chương này giới thiệu các mô hình thực nghiệm và mô hình số cơ y sinh liên quan đến đệm xe lăn và vùng mông – đùi, được phát triển gần đây để đánh giá các yếu tố gây ra sự không thoải mái trong ô tô, hàng không và lĩnh vực y tế.
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN CƠ HỌC GIỮA ĐỆM XE LĂN VÀ MÔNG-ĐÙI
Từ tiêu chuẩn ISO dùng để đánh giá đệm xe lăn đến lựa chọn mô hình mông-đùi cho mô phỏng số
mô hình mông-đùi cho mô phỏng số
Tiêu chuẩn ISO 16840-2:2007, do Tổ chức Tiêu chuẩn Đo lường Quốc tế (ISO) ban hành, quy định phương pháp thử nghiệm và đánh giá đệm xe lăn nhằm duy trì toàn vẹn mô và ngăn ngừa chấn thương mô.
Chúng tôi sử dụng phần mềm SolidWorks® để thiết kế mô hình 3D đồng nhất hóa cho nghiên cứu, như thể hiện trong hình 2.1 Với sự phức tạp của cấu trúc hình học và mối liên kết giữa các thành phần như da, mỡ, mô cơ, xương đùi và xương chậu, cũng như tính chất vật liệu của mông-đùi cơ thể người, chúng tôi đã áp dụng mô hình mô cơ có thể biến dạng với tổng khối lượng 75 kg để thực hiện mô phỏng số.
Hình 2.1 trình bày các lựa chọn mô hình 3D mông-đùi của cơ thể người, bao gồm: a) mô hình cơ thể người hoàn chỉnh; b) mô hình cơ thể người ngồi trên đệm; c) mô hình một nửa mông-đùi với hệ xương đùi và xương chậu; d) mô hình một nửa mông-đùi đồng nhất hóa, được sử dụng trong các mô phỏng số.
Mô hình đệm xe lăn sử dụng trong mô phỏng: Từ thực tế đến thiết kế dưới sự trợ giúp của máy tính (CAD)
2.2.1 Đệm tổ ong TPU Đệm ngăn ngừa loét áp lực tổ ong được gọi là "Đệm tổ ong" được làm từ vật liệu nhựa nhiệt dẻo Thermoplastic polyurethane (TPU) của SUPRACOR TPU được phát hiện vào cuối những năm 1930 là
Đệm DaiHocDaNang an toàn cho con người và môi trường, không chứa chất độc hại Sản phẩm này có khả năng chịu nhiệt độ biến đổi, chống nén, đâm thủng, xé rách và mài mòn hiệu quả Đệm tổ ong được cấu tạo từ hàng ngàn tế bào linh hoạt, được liên kết với nhau bằng phương pháp hàn nhiệt.
Đệm tổ ong Stimulite® là một loại đệm phẳng cổ điển được sử dụng trong nghiên cứu này, có cấu trúc đặc biệt và kích thước 46 cm chiều dài, 41 cm chiều rộng và chiều cao tương ứng.
Đệm phẳng Stimulite® cổ điển dạng tổ ong được thiết kế với ba lớp tổ ong TPU, mỗi lớp có lỗ nhỏ hình tròn đường kính 1,3 mm và hình dạng lục giác với khoảng cách giữa hai cạnh đối diện là 7 mm Các lớp tổ ong này không đồng tâm và được ngăn cách bởi các lớp da TPU đục lỗ ngang, mang lại hiệu quả tối ưu trong việc phân tán áp lực và hỗ trợ người sử dụng.
Mô hình CAD 3D đệm tổ ong TPU
Khi tính đến các phương pháp tạo hình được sử dụng, mô hình phải tính đến từng lỗ tổ ong: (i) kích thước, (ii) độ dày của các mặt (iii)
DaiHocDaNang đường kích lỗ, (v) và lớp da Đầu tiên, một lỗ tổ ong được thiết kế nhằm tái tạo tốt nhất một lỗ tổ ong của đệm thực (Hình 2.4a)
Hình 2.4-Hình học của một lỗ tổ ong (a); 3D CAD của mô hình nửa đệm tổ ong
Cuối cùng một nữa đệm tổ ong được liên kết gồm 3 lớp theo phương pháp dính kết (hàn nhiệt) như hình 2.4b
Loại đệm thứ 2 được nghiên cứu là đệm bọt Polyurethane (PUR), tương tự như đệm tổ ong TPU, với kích thước 46 cm x 41 cm x 7 cm Đệm có khối lượng nhất định và được cố định mặt đáy trên bề mặt xe lăn, tạo ra sự tiếp xúc và ma sát với mông-đùi của cơ thể người.
Hình 2.5-Đệm bọt PUR từ mô hình thực tế đến mô hình 3D CAD a) b)
2.3 Mô phỏng phần tử hữu hạn sự tương tác cơ học giữa đệm xe lăn và mông-đùi
2.3.1 Các mô hình tương tác
Hình 2.6 dưới đây minh họa mô hình cơ thể người ngồi trên đệm cố định của xe lăn trong trạng thái tỉnh tại, khi xe lăn không di chuyển.
Hình 2.6-Mô hình 3D cơ thể người ngồi trên đệm được gắn cố định trên xe lăn
Để giảm thời gian tính toán trong việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn, chúng tôi giả thuyết rằng mô hình nghiên cứu có tính đối xứng tuyệt đối, bao gồm vị trí ngồi và tải trọng phân bố của cơ thể người trên đệm xe lăn Hơn nữa, xe lăn được coi là cứng vững tuyệt đối, tương đương với một bề mặt cứng dưới đệm Dựa trên những giả thuyết này, chúng tôi đã lựa chọn một mô hình tương tác giữa mông-đùi và đệm xe lăn để nghiên cứu.
Hình 2.7-Mô hình tương tác giữa 2 loại đệm tổ ong TPU và đệm bọt PUR với mông – đùi a) với đệm bọt PUR; b) với đệm tổ ong TPU
2.3.2 Đặc tính vật liệu của đệm và mông-đùi
2.3.2.1 Đệm bọt ‘‘Polyurethane’’ (PUR) Đệm bọt PUR được sử trong nghiên cứu này được thiết kế bởi phầm mềm ABAQUS® như trên hình 2.5, và được làm từ vật liệu PUR có thuộc tính cơ học là: siêu đàn hồi (hyperelastic) và đàn hồi nhớt (viscoelastic) Vật liệu này được giới thiệu bằng một mô hình không tuyến tính, đẳng hướng, nén được Đặc tính đàn hồi nhớt của vật liệu đệm PUR, được xác định dựa vào chuỗi Prony theo thời gian cho mô đun cắt được sử dụng
Mô hình đồng nhất hóa mô mềm mông-đùi được phân tích với các thuộc tính vật liệu không tuyến tính, đẳng hướng, đồng nhất và gần như không nén Mô hình này có tính siêu đàn hồi và áp dụng phương trình biến dạng lớn cho mô mông-đùi Để mô tả hành vi cơ học của mô cơ mông-đùi, mô hình siêu đàn hồi Mooney – Rivlin được sử dụng.
Bảng 2.1-Thông số siêu đàn hồi Mooney–Rivlin và đàn hồi nhớt của mô mông- đùi
2.3.2.3 Đệm tổ ong ‘‘Thermal Polyurethane’’ (TPU) Đệm tổ ong TPU được sử trong nghiên cứu này được thiết kế bởi phầm mềm ABAQUS® như trên hình 2.4b, và được làm từ vật liệu TPU có thuộc tính cơ học là: siêu đàn hồi (hyperelastic) theo mô hình biến thiên năng lượng biến dạng ở phương trình 2.3 (giống mông-đùi) và đàn hồi nhớt (viscoelastic) như phương trình 2.2 đã nêu ở trên Vật liệu này được giới thiệu bằng một mô hình không tuyến tính, đẳng hướng, nén được Với các thông số thuộc tính vật liệu siêu đàn hồi và đàn hồi nhớt như được cho ở bảng 2.2
Bảng 2.2-Thông số siêu đàn hồi và đàn hồi nhớt đệm tổ ong TPU
2.3.3 Tải trọng áp dụng và điều kiện biên
Trong nghiên cứu này, tải trọng được áp dụng trong các mô phỏng phần tử hữu hạn là tương đương với một cơ thể người ngồi trên các đệm xe lăn có khối lượng 75 kg Để thực hiện mô phỏng, một nửa mô hình mông-đùi với khối lượng 37.5 kg được sử dụng Hình 2.8 minh họa các điều biên ràng buộc và điều kiện tải trọng áp dụng cho mô hình mông-đùi và các đệm xe lăn.
Bề mặt đáy của đệm xe lăn được gắn cố định trên xe lăn, tạo thành một mặt phẳng cứng Khi người ngồi trên xe lăn, mô mông và đùi của cơ thể sẽ tiếp xúc và có ma sát với đệm, với hệ số ma sát là 0.5, đồng thời di chuyển theo trục thẳng đứng Y Gia tốc trọng trường g = 9.81 m/s² được áp dụng trong các mô phỏng số của nghiên cứu.
Hình 2.8-Điều kiện biên trong mô hình mông-đùi và đệm xe lăn a) Mông- đùi và đệm bọt PUR; b) Mông – đùi và đệm tổ ong TPU
2.3.4 Chia lưới phần tử hữu hạn
- loại phần tử dạng tứ diện C3D4 cho mô hình mông-đùi cơ thể người với số lượng: 132786 phần tử và 25606 nút;
- loại phần tử dạng khối 8 nút C3D8R cho mô hình đệm bọt PUR với số lượng: 54096 phần tử và 59985 nút
- loại phần tử tam giác 3 nút S3R cho mô hình đệm tổ ong TPU (bao gồm 3 lớp đệm tổ ong và các tấm phẳng ngăn chia) với số lượng:
Hình 2.9- Mô hình lưới phần tử hữu hạn mông – đùi/đệm xe lăn a) Mông – đùi và đệm bọt PUR; b) Mông – đùi và đệm tổ ong TPU
2.3.5 Kết quả mô phỏng số phần tử hữu hạn tương tác cơ học 2.3.5.1 Áp suất phân bố trên bề mặt mông-đùi
Áp suất phân bố lớn nhất trên bề mặt mông-đùi của đệm bọt PUR đạt 31,55 kPa, tập trung chủ yếu tại trung tâm vùng mông-đùi, nơi có trọng lượng cơ thể lớn nhất Đối với đệm tổ ong TPU, giá trị áp suất phân bố lớn nhất cũng được ghi nhận.
Giá trị áp suất phân bố tại Đại học Đà Nẵng là 62,24 kPa, trong điều kiện tải trọng và các điều kiện biên tương tự, cũng như kích thước lưới phần tử Điều này cho thấy đệm bọt PUR giảm áp suất phân bố khoảng 2 lần so với đệm tổ ong TPU Sự khác biệt này được giải thích bởi diện tích tiếp xúc giữa bề mặt mông-đùi và hai loại đệm khác nhau Đệm tổ ong TPU có cấu trúc lỗ tổ ong, dẫn đến tổng diện tích tiếp xúc với bề mặt mông nhỏ hơn nhiều lần so với đệm bọt PUR, trong điều kiện mô phỏng mà không có lớp vỏ bọc.
Hình 2.10-Áp suất phân bố tại bề mặt mông-đùi (kPa) a) với đệm bọt PUR; b) với đệm tổ ong TPU
2.3.5.2 Phân bố ứng suất cắt ma sát trên bề mặt mông đùi
Hình 2.11- Ứng suất cắt ma sát tại bề mặt tiếp xúc trên mông-đùi (kPa) a) với đệm bọt PUR; b) với đệm tổ ong TPU
Giá trị ứng suất cắt ma sát lớn nhất tại bề mặt của đệm bọt PUR đạt 4 kPa, trong khi đó, đệm tổ ong TPU có ứng suất cắt ma sát lên đến 20 kPa So sánh cho thấy ứng suất cắt ma sát trên bề mặt mông khi sử dụng đệm bọt PUR thấp hơn khoảng 5 lần so với đệm TPU Nguyên nhân là do cấu trúc đặc và phẳng của đệm bọt PUR, giúp giảm thiểu ứng suất cắt ma sát.
DaiHocDaNang được trị số độ lớn của ứng suất cắt do ma sát gây ra so với đệm tổ ong TPU
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN CƠ - NHIỆT GIỮA ĐỆM XE LĂN VÀ MÔNG-ĐÙI
Bối cảnh và phương pháp luận
Sự tiếp xúc có ma sát giữa hai vật thể gây tiêu hao năng lượng và tạo ra trao đổi nhiệt tại điểm tiếp xúc Tuy nhiên, hiện nay có rất ít nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số về sự khuếch tán nhiệt giữa cơ thể người, đặc biệt là vùng mông-đùi, và đệm xe lăn Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc thực hiện mô phỏng số để tìm hiểu vấn đề này.
Hình 3.1-Bản đồ trường nhiệt ở giao diện cơ thể người / mô sau 20 phút ngồi
Karimi et al và Chan et al đã tiến hành mô phỏng mô hình vật lý để xác định sự phân bố nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc giữa mông người lái xe và đệm ghế ô tô Kết quả cho thấy nhiệt độ tối đa đạt 35,4 °C trên bề mặt đệm và 36,1 °C trên tựa lưng sau 20 phút ngồi.
Paulke và cộng sự đã nghiên cứu sự trao đổi nhiệt giữa ghế ô tô và cơ thể người nhằm nâng cao và tối ưu hóa sự thoải mái khi ngồi.
Hình 3.2-Mô hình FEM 3D để đánh giá sự thoải mái nhiệt của ghế ô tô
Mô phỏng phần tử hữu hạn tương tác nhiệt giữa đệm xe lăn và mông-đùi
3.2.1 Mô hình tương tác giữa mô mông-đùi và đệm xe lăn
Sự tương tác giữa mô mông-đùi và đệm xe lăn được phân tích trong ABAQUS®/Dynamic, Temp-disp, Explicit (Version 6.13) bằng cách sử dụng thuật toán cặp tiếp xúc Cặp tiếp xúc này được xác định bởi bề mặt của mô mông-đùi và bề mặt đệm xe lăn, với dạng tiếp xúc là “bề mặt với bề mặt” Hệ số ma sát 0,5 được áp dụng để xác định cặp tiếp xúc của mô hình trong nghiên cứu.
“mông-đùi” và “đệm xe lăn” Sự tương tác được thể hiện như hình 3.3 và tương tự đối với 2 loại đệm (bọt PUR và tổ ong TPU)
Hình 3.3-Mô tả sự tương tác cơ-nhiệt giữa mô mông-đùi và 2 loại đệm xe lăn với đệm bọt PUR; b) với đệm tổ ong TPU
Fiala đã phát triển công thức truyền nhiệt cơ y sinh, mô tả cơ chế truyền nhiệt trong mô sống của cơ thể người Phương trình vi phân này giải thích sự truyền nhiệt đồng nhất trong một thể tích mô không giới hạn.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết lập nhiệt độ của mông-đùi ở mức 34°C và nhiệt độ phòng là 20°C Thời gian tương tác giữa mông-đùi và đệm xe lăn được thực hiện trong 35 phút Để tối ưu hóa thời gian tính toán cho mô hình truyền nhiệt phần tử hữu hạn, chúng tôi đã áp dụng phương pháp tương tự như trong chương trước.
Mô hình đối xứng tuyệt đối và miền tính toán được xây dựng dựa trên một nửa mô hình mông-đùi của cơ thể người, kết hợp với đệm xe lăn, nhằm giải quyết vấn đề tương tác cơ học.
Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng để mô phỏng sự tương tác nhiệt giữa mông-đùi và đệm xe lăn, thể hiện sự thay đổi theo thời gian Phương trình tổng quát về truyền nhiệt có thể được diễn đạt dưới dạng cụ thể.
Nhiệt độ cục bộ của đệm xe lăn, ký hiệu là T [°C], thay đổi theo tọa độ, không gian và thời gian t (s) Các thuộc tính vật liệu trong phương trình bao gồm độ dẫn nhiệt k, mật độ ρ và nhiệt dung riêng Cv, được thể hiện bằng đơn vị [W.m-1.K-1].
Mật độ và nhiệt dung riêng của vật liệu được trình bày trong Bảng 3.1, bao gồm đệm bọt PUR, đệm tổ ong TPU và mô mông - đùi Thuật ngữ nguồn S đại diện cho nhiệt sinh ra trên một đơn vị thể tích cho các nút trong mô phỏng này.
Bảng 3.1- Tính chất nhiệt của mông-đùi và 2 loại đệm xe lăn ở nhiệt độ phòng
3.4.3 Kết quả nhiệt độ phân bố tại bề mặt tương tác
Hình 3.4 minh họa sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt của hai loại đệm xe lăn sau 35 phút sử dụng Đệm bọt PUR ghi nhận nhiệt độ cao nhất đạt 34,21°C, trong khi đệm tổ ong TPU có nhiệt độ cao nhất là 33,2°C, thấp hơn khoảng 1°C so với đệm bọt PUR, trong cùng điều kiện biên và tải trọng áp dụng.
Hầu hết các vị trí có nhiệt độ cao đều tập trung ở bề mặt tiếp xúc hoặc gần đó, trong khi những khu vực xa mô mông-đùi, không tiếp xúc trực tiếp với mô mông, lại có nhiệt độ thấp hơn.
Hình 3.4 cho thấy sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt của hai loại đệm sau 35 phút, cụ thể là đệm tổ ong TPU và đệm bọt PUR Để khảo sát nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc giữa mông-đùi và đệm, nghiên cứu đã thực hiện đo lường tại ba điểm cắt dọc mô hình mông-đùi và đệm Kết quả nhiệt độ tại ba điểm này được thể hiện trong hình 3.5 theo thứ tự.
DaiHocDaNang là nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc, xa bề mặt tiếp xúc trên đệm và trên mông-đùi tương ứng với thời gian tương tác là 35 phút
Hình 3.5 minh họa sự phân bố nhiệt độ bên trong mô hình tương tác của mông-đùi sau 35 phút, với hai loại đệm khác nhau: a) đệm tổ ong TPU và b) đệm bọt PUR.
Dựa vào đồ thị hình 3.6, nhiệt độ bề mặt của 2 loại đệm PUR và TPU tăng nhanh trong giai đoạn đầu của mô phỏng số, đặc biệt là trong khoảng 6 phút đầu tiên.
Hai loại đệm này tăng nhiệt độ nhanh chóng từ 20°C lên 31,8°C cho đệm PUR và 31°C cho đệm TPU, nhờ vào sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa mô mông-đùi và bề mặt đệm Sau đó, nhiệt độ tiếp tục tăng chậm trong khoảng thời gian từ 6 đến 22 phút, với đệm PUR đạt 33,02°C và đệm TPU đạt 32,1°C.
35 phút, nhiệt độ tăng lên đến giá trị cực đại và sau đó bão hòa ở 34,21°C đối với đệm bọt PUR và 33,2°C đối với đệm tổ ong TPU
Hình 3.6-Đồ thị biến thiên nhiệt độ tại các vùng trên mông-đùi và đệm a) với đệm tổ ong TPU; b) với đệm bọt PUR
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để thực hiện mô hình hóa và mô phỏng số tương tác giữa mông-đùi cơ thể người và
Có hai loại đệm xe lăn dành cho người khuyết tật, với mục tiêu đánh giá các yếu tố cơ học và nhiệt độ phân bố trong tương tác giữa mông-đùi và đệm xe lăn Nghiên cứu này nhằm xác định các yếu tố gây ra sự không thoải mái cho người sử dụng xe lăn, từ đó hạn chế sự xuất hiện của bệnh lý loét áp lực Đề tài nghiên cứu đã làm rõ các vấn đề liên quan đến sự tương tác này.
Mô hình hóa cơ thể người ngồi trên đệm xe lăn được thực hiện với hai loại đệm phổ biến trên thị trường: đệm bọt PUR và đệm tổ ong TPU mang tên "Stimulite® Honeycomb Cushion".
Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng các vấn đề tương tác cơ-nhiệt, nhằm xác định các thông số quan trọng như áp lực phân bố tại bề mặt, ứng suất cắt tại bề mặt mông-đùi và đệm, cũng như ứng suất Von Mises bên trong mông-đùi Bên cạnh đó, nghiên cứu còn phân tích các chuyển vị của mông-đùi và đệm, đặc biệt là xác định sự phân bố nhiệt độ tại bề mặt và bên trong mông-đùi/đệm Mục tiêu cuối cùng là đánh giá sự thoải mái về nhiệt cho cơ thể người.
Kiến nghị và hướng phát triển
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xác định các thông số cơ – nhiệt tương tác giữa mông – đùi cơ thể người và đệm xe lăn Mặc dù đã thực hiện so sánh và đánh giá thông qua mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế do sự phức tạp của thuộc tính vật liệu vùng mông-đùi Do đó, chúng tôi đã sử dụng mô hình mông – đùi đồng nhất hóa để đơn giản hóa quá trình phân tích.