욕창방지용 매트리스 설계를 위한 인체 유한요소 모델 개발 및 검증

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 누워 있는 인체와 폼 매트리스와의 접촉압력을 예측하기 위하여 인체 전신에 해당하는 유한요소 모델을 생성하였다. 피실험자는 20대 후반의 남성으로 3차원 스캐닝을 통해 유한요소 인체 모델을 생성하였으며, 이 모델은 뼈 구조물을 제외한 피부와 근육 조직으로 구성되어 있다. 피부에는 선형탄성 등방성 재료 모델을 사용하였으며 근육 조직의 재료 모델은 고무와 같은 비선형거동을 효과적으로 표현할 수 있는 Mooney-Rivlin 재료 모델을 사용하였다. 모델링 후 인체 모델과 매트리스 모델 사이의 접촉을 인지시키기 위한 접촉 시뮬레이션을 통해 접촉압력을 예측하였으며 이 값과, 동일한 피실험자를 두 가지 형태로 제작된 매트리스 위에 눕힌 자세를 취해 얻은 체압 분포를 비교하여 생성한 인체 모델의 타당성을 검증하였다. 그 결과 매트리스 하단부의 경사각에 의해 뒤꿈치 부분의 접촉압력이 감소하는 것을 확인하였고, 견갑골 부위에서 뼈 구조물의 영향이 가장 크게 작용하는 것을 확인하였다. 이를 통해 이번 연구에서 제안하는 모델링 기법으로 저비용으로 쉽게 생성한 인체 모델을 이용한 시뮬레이션의 접촉압력과 실험을 통해 얻은 체압 분포의 일치가 비교적 잘 되는 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, finite element human model was modeled to predict contact pressure between human and foam mattress based on the full body. The subject was choose late 20’s healthy male and finite element human model composed of skin and muscle tissue was constructed using 3D scanning. Skin was applied linear elastic isotropic material model and Mooney-Rivlin material model was used to effectively show nonlinear behavior of muscle tissue. Using this finite element human model, contact pressure was predicted between human model and mattress model using ANSYS program. Then, human model was validated through a comparison to experimental body pressure measuring about two kinds of shape for mattresses in the supine position. As a result, we were checked that contact pressure of heel was decreased according to an increase in the angle of the bottom mattress and scapula is one of the most affected sites of the bone. Through these studies, we confirmed the contact pressure of the human model which was modeled using modeling techniques proposed in this work and body pressure distribution obtained through experiments have well-matched.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구 동향 및 연구 필요성 1
• 1.2 연구 내용 7
• 1.3 선행 연구 8
• 2. 인체 모델링 17
• 2.1 모델링 개요 17
• 2.2 인체 모델링 절차 18
• 3. 인체-매트리스 접촉 시뮬레이션 22
• 3.1 이론적 배경 22
• 3.1.1 접촉 알고리즘 22
• 3.1.2 접촉면 및 타겟면 지정 26
• 3.2 접촉 시뮬레이션 절차 27
• 3.2.1 수치 모델링 및 경계조건 27
• 3.2.2 해석 옵션 31
• 3.2.3 재료 물성치 32
• 3.3 시뮬레이션 결과 36
• 4. 인체-매트리스 체압 분포 측정 40
• 4.1 측정 장비 및 절차 40
• 4.2 측정 결과 42
• 5. 검증 및 고찰 46
• 6. 결론 57
• 참고 문헌 59
• 국문 초록 64
• Abstract 66
• 감사의 글 67