包括拔罐在内的利用局部负压原理的治疗方法，会导致皮肤及皮下组织发生形变。为了更深入地理解拔罐过程中涉及的组织生物力学特性，马萨诸塞大学洛厄尔分校（UML）的 Edidiong Etim 及其团队利用 COMSOL Multiphysics® 仿真软件，分析了组织形变如何随负压大小、吸口尺寸以及脂肪厚度发生变化。
拔罐疗法探究
负压（即吸力）会根据压力的大小和接触面积的不同，对皮肤、脂肪和肌肉产生不同程度的提拉作用。除拔罐疗法（图 1）外，负压技术还广泛应用于多种医疗场景，例如用于冷冻溶脂的冷冻疗法、促进体液引流的淋巴疗法，以及激光治疗（如用于降低血管可见度的鲜红斑痣的激光治疗）。
Etim 及其团队正致力于深入研究负压大小和施压工具的尺寸是如何影响各组织层应力分布的。计算模拟技术可用于分析在吸力作用下，皮肤每一层的应力分布和具体反应。通过明确皮肤在抽吸压力下的形变机制，研究人员能更精准地预测器械作用效果，并评估极端载荷工况。此外，这些研究结论有助于医疗器械研发人员构建更可靠的模型，优化器械设计。
在深入探讨 Etim 及其团队如何使用仿真技术之前，我们先来了解一下皮肤的层次结构及其与医疗施压器械之间的关系。
皮肤层次与孔径大小
皮肤主要由以下三层结构组成：
- 表皮
- 真皮
- 皮下组织
表皮是起保护作用的皮肤外层，人体大部分区域的表皮由四层组成，而手掌和脚底的表皮则由五层组成。真皮内含有血管、神经、毛囊和汗腺。由于胶原纤维具有特定的排列方向，这一层在受力时会表现出各向异性的形变特征。呈海绵状的皮下组织不仅能为身体保温、缓冲脏器，还能储存皮下脂肪，其胶原基质包裹着充满脂质的脂肪细胞，使其能够发挥能量吸收层的功能。
吸力装置的孔径通常设计在 10 毫米以下，然而，在拔罐疗法、激光辅助去除鲜红斑痣以及某些冷冻溶脂设备的临床应用中，会使用 30–65 毫米的大孔径。这也凸显了评估更广泛范围的负载几何形状的必要性。较小的孔径主要作用于表皮和真皮层，在这些层次中，纤维排列的影响更为显著；而较大的孔径则会作用于皮下组织和下方的肌肉。
接下来，我们将深入了解如何利用仿真技术来分析组织力学行为。
构建仿真模型
Etim 及其团队采用了一种现象学方法估算不同受试者的皮肤、脂肪和肌肉特性，同时考虑了不同的孔径尺寸。他们在 COMSOL Multiphysics® 软件中首先建立了一个单相固体力学模型，其动量守恒控制方程为：
其中， ρ 为密度，u 为位移场，fv 代表体积力， F 为变形梯度，S 为第二皮奥拉–基尔霍夫应力张量。格林–拉格朗日应变张量定义为：
应力和应变通过应变能密度函数 W 相关联：
皮肤 (W_S) 采用多项式模型进行建模：
脂肪 (W_F) 采用 Mooney–Rivlin 公式建模：
肌肉则采用 Ogden 公式建模：
该团队在 COMSOL Multiphysics® 软件中构建了一个包含皮肤、脂肪与肌肉的多层轴对称有限元模型。皮肤厚度设定为 2 毫米，肌肉厚度设定为 10 毫米，脂肪厚度则根据一项研究中采集的受试者超声测量结果的具体数值来设定。模拟了孔径分别为 50、30 和 16 毫米的施压器在吸力负载下的情况。模型假定各组织层之间为无摩擦粘合。Etim 解释说，研究人员在各孔径对应的皮肤表面施加均匀吸力压力，并设置边界条件，使皮肤能够沿杯体边缘滑动。
Etim 和她的团队使用 COMSOL Multiphysics® 的附加产品—— 优化模块，在保持肌肉特性不变的前提下，估算皮肤和脂肪的各项属性。假定 C_{01F} 为零，C_{10S}, C_{11S} 和 C_{10F}
则通过最小化实验观测到的变形与模型计算变形之间的偏差进行优化求解。研究虽然采用了一个涵盖宽压力范围的瞬态模型，但本次优化中的材料属性参数，均以单一高压工况下的优化结果作为初始值。这种方法使得团队能够准确捕捉压力与位移之间的非线性变化规律。
仿真结果
仿真结果表明，组织变形程度随负压吸力的增大而增加，其变形幅度与分布情况受孔径大小和脂肪厚度的影响（图 2）。正如预期那样，仿真结果显示，负压越大、孔径越大，产生的形变也就越大；而较小的孔径则能增强对皮肤表层的牵拉作用。
由于这些结果是基于不同脂肪厚度的受试者的真实数据，因此研究还发现，受试者之间仅约 2 毫米的脂肪厚度差异，就会导致形变曲线出现明显的变化。
图 2. 脂肪厚度为 4 毫米的受试者在 27091.109 帕斯卡压力下，分别采用 50 毫米 (a)、30 毫米 (b) 和 16 毫米 (c) 孔径时皮肤与脂肪的位移情况。
团队还研究了不同材料属性组合的影响，结果发现，相较于 30 毫米和 16 毫米孔径，50 毫米孔径下受试者脂肪刚度的变化对形变的影响更为显著。这些结果突显了在进行研究时，不仅要考虑施压工具的几何形状，还要将受试者个体的组织构成纳入考量。
我们来详细观察一位脂肪厚度为 6.3 毫米的受试者的应力分析结果。当施加 27091.109 帕（即 203.2 毫米汞柱）的压力时，皮肤在吸杯中心附近表现出最高的应力，尤其是在周向和轴向上。相比之下，脂肪层虽然发生了较大形变，但其周向和轴向应力均较低。在各种测试条件下，剪切应力始终保持在极低水平。肌肉层承受的应力较小，但分布范围更广。其他脂肪较薄的受试者则表现出数值更高、分布更广的应力值。在肌肉层中，最大的应力分量是轴向应力（图 3）。这一应力分析结果让 Etim 及其团队认识到，脂肪厚度能够调节载荷传递，并充当保护层，在负压加载过程中为深层组织提供缓冲。
仿真带来的启示
本研究结果表明，孔径大小与脂肪厚度均会显著影响负压抽吸所引发的组织形变。50 毫米的较大口径可作用于更厚的脂肪层，深入组织内部，且结果一致性更高。30 毫米和 16 毫米的较小口径则主要作用于皮肤表层，且表现出更高的形变差异性。正如 Etim 所解释的那样，这些研究结果突显了在多种负载几何形状与压力条件下对组织进行表征的重要性。在设计及优化采用负压技术的医疗器械时，精准模拟皮肤与脂肪的组织特性至关重要。
拓展学习
如需了解这项研究工作的更多信息，可阅读 UML 团队的完整论文，该论文荣获 2025 年 COMSOL 用户年会波士顿站的最佳论文奖！论文阐述了该团队的仿真方法与研究成果。
评论 (0)