Chez les usagers de fauteuil roulant, les problèmes reliés à la position assise font partie de la vie quotidienne. En effet, pendant de longues périodes de temps, ces personnes s'en remettent à leur assise, souvent sans résultats satisfaisants, pour leur fournir un support adéquat leur permettant d'accomplir l'ensemble de leurs tâches journalières. Lorsque le coussin, généralement associé à l'assise, ne réussit pas à distribuer convenabIement le poids de l'usager, des concentrations de pression peuvent se former au niveau des protubérances osseuses (ischions, grands trochanters, coccyx et sacrum). Cette pression, à long terme, altère les tissus mous et risque de conduire a la formation d'escarres. Le présent projet de maîtrise visait donc le développement d'une méthode efficace pour l'étude et l'analyse de designs de coussin d'assise de fauteuil roulant.

Le premier objectif de ce projet visait le développement d'un modèle biomécanique informatisé capable de simuler l'interaction d'un coussin de fauteuil roulant avec un fessier en position assise. Ce modèle est réalisé par la méthode des éléments finis à l'aide du logiciel ANSYS (Mechanical Dynamics Inc.) et a pour but l'étude de la distribution de pression à l'interface coussin-fessier. II comprend un coussin et un fessier liés par des éléments de contact contrôlant l'interaction de ceux-ci lors de la mise en charge. Afin de simplifier le modèle, la symétrie sagittale a été considérée. Le modèle de coussin est composé d'éléments de maillage solides auxquels ont été assignées des propriétés de mousses hyperélastiques. Sa géométrie est variable pour s'adapter au besoins de l'étude. La géométrie du modèle fessier est basée sur une forme moyenne de fessiers déformés de personnes âgées en position assise. Le modèle est constitué d'éléments de maillage surfacique dont les noeuds ont été couplés afin d'éviter toute déformation supplémentaire. Les simulations de chargement ont consisté à imposer une force verticale de 206 N au modèle de fessier. jouant ainsi le rôle d'applicateur de charge sur le modèle de coussin. Des études expérimentales réalisées a i'aide d'un modèle fessier physique et de deux coussins d'assise ont permis de valider ce modèle biomécanique. Les résultats de validation ont montré une précision de 5% pour une charge correspondant au poids d'une personne âgée en position assise.

Le second objectif consistait a élaborer puis à évaluer de nouveaux designs de coussin d'assise de fauteuil roulant capables de fournir un support adéquat. principalement en relation avec la distribution de la pression (pressions maximales, uniformité, gradient de pression, etc.) mais aussi en lien avec d'autres facteurs touchant l'usager (stabilité et fonctionnalité) ainsi que certains aspects pratiques de développement (fabrication et coût). En collaboration avec des experts du domaine des aides techniques à la posture, des critères de design et un barème d'évaluation ont été établis pour fixer les bases de l'étude. De nouveaux concepts de coussins ont été proposés a la suite d'un (( brainstorming >> puis évalués sommairement dans le but de rejeter ceux qui ne répondaient pas aux caractéristiques recherchées. Pour chacune des solutions retenues, soient sept différents concepts de coussin, des designs ont été modélisées et intégrées au modèle biomécanique, puis testées par des simulations de chargement. Dans un premier temps, tous ces modèles ont été évalués sur une base comparative en lien avec la distribution de la pression. Le coussin servant de base de comparaison était un coussin plat de Neocor HR50 de 76.2 mm d'épaisseur, choisi en raison de sa simplicité et de ses propriétés connues. Huit modèles ont été retenus sur lesquels une évaluation plus approfondie a été effectuée. Les résultats ont montré qu'en général les solutions avec une géométrie à relief présentent un plus grand potentiel que les coussins de type plat pour fournir un support d'assise adéquat aux usagers de fauteuil roulant en terme de distribution de pression et de stabilité. L'évaluation complète des solutions a déterminé que la version modifiée de l'Iscus (relief plus accentué) est le meilleur design de coussin avec une note globale de 91% (compilation de l'évaluation de tous les critères de design). Ce design a présenté des valeurs de pression maximale et de gradient de pression maximal inférieures à celles du coussin plat de base de plus de 30% et 50% respectivement, et a égaiement été préféré aux autres designs par les experts d'aides techniques à la posture en ce qui a trait à la stabilité. L'Iscus standard (Orthofab Inc.) s'est classé deuxième avec une note de 85% suivi de deux autres coussins préformés (82% et 80%).

Les résultats ont aussi montré l'utilité du modèle biomécanique ainsi que de l'ensemble de la méthode d'évaluation pour le design et l'assistance à la sélection de coussins d'assise de fauteuil roulant. Cette nouveile méthode d'évaluation est une alternative aux études cliniques traditionnelles impliquant des coûts de ressources humaines et matérielles importantes. Cependant, il serait tout de même recommandé d'effectuer une validation clinique des designs de coussin ayant montré le plus de potentiel lors de l'étude de design.

Seating problems are of daily concem for wheelchair users especially when the seat surface does not provide adequate pressure distribution and stability. Soft tissue trauma refated to long term loading by external forces is one the most fiequent problerns. The most affected buttock regions by exhaustive tissue loading are usually the ones beneath bony prominences such as the ischial tuberosities, the great trochanters. the sacrum and the coccyx. Accordingly. those regions are at higher risk of developing pressure sores. The aim of this master project was to develop an effective method to study and analyze wheelchair seat cushion designs.

The first objective consisted to develop a biomechanical computer model by the finite element method able to simulate the interaction between a seat cushion and the buttocks in seating conditions. The model uses the ANSYS sohare (Mechanical Dynamics Inc.) to study the pressure distribution at the cushion-buttock interface. It is composed of a seat cushion model and a buttock mode1 linked by contact elements that control their interaction during loading. For model simplification purposes, lateral syrnrnetry wvas considered. The cushion model is composed of solid meshing elements with associated hyperelastic foam properties. Its geometry cm be adapt to different cushion designs. The bunock model geometry is based on the mean shape of the deformed buttocks of elderly persons in a seated position. It is built with surface meshing elements whose nodes are coupled to prevent additional deformation. Loading simulations consisted to impose a vertical force of 206 N to the buttock model which acted as a load applicator on the cushion model. Expenmental tests were conducted using a buttock prototype and two seat cushions in order to validate the biomechmical model. Results have shown accuracy within 5% for load corresponding to the weight of a seated elderly person.

The second objective of the project consisted to elaborate and evaluate new wheelchair seat cushion designs in order to find a cushion able to provide an adequate support, maidy in relation to pressure distribution (peak pressure, uniformity and pressure gradient) but also according to other aspects such as stability, fuctionality, manufacturing and cost. Design criteria were established in collaboration with seating experts and new concepts of cushions were proposed following a brainstorming session. To reject non-valid solutions, a preliminary selection wvas done. Seven different concepts were retained frorn which 26 seating cushions were modeled and included in the biomecanical model to be tested under load. First, a comparative evaluation was performed on every cushion mode1 on the bais of pressure distribution. The comparative basis was a 76.2 mm flat Neocor HR50 cushion chosen because of its simplicity and its well known properties. The six most interesting cushion designs as well as two cornmercially available designs were retained to be put through a more extensive evaluation. Results showed that cushions with shapes provide a better seating surface than the flat type cushions regarding pressure distribution and stability . Resulting scores fiom the complete evaluation of the solutions determined a modified version of the contoured Iscus cushion (Modified Iscus) as the best design of seat cushion with a final score of 91% (compilation of al, design criteria). This design presented peak pressure and maximal pressure gradients lower than the flat cushion by 30% and 50% respectively, and also received the higher evaluation by seating experts for the stability criterion. The regular Iscus (Orthofab Inc.) was ranked second with a score of 85% followed by two other contoured cushions (82% and 80%).

The finite element mode1 developed in this master project cornbined to the whole evaluation method showed its capacity to provide valid information for the design and the selection of wheelchair seat cushions. This new evaiuation method is an alternative to clinical studies involving extensive resources. However, it is recommended to complete the validation of the cushion designs which show the best potential with a clinical evaluation study.