Volume 43 Number 1

Fact-finding survey of pressure and shear force at the heel using a three-axis tactile sensor

Yoko Murooka and Hidemi Nemoto Ishii

Keywords heel pressure injury, decompression, shear force, elevating the head of the bed

For referencing Murooka Y and Ishii HN. Fact-finding survey of pressure and shear force at the heel using a three-axis tactile sensor. WCET® Journal 2023;43(1):20-27

DOI https://doi.org/10.33235/wcet.43.1.20-27
Submitted 28 March 2022 Accepted 31 August 2022

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Abstract

Aims We investigated changes in pressure and shear force at the heel caused by elevating the head of the bed and after offloading pressure from the heel.

Methods Data on heel pressure and shear force were collected from 26 healthy individuals aged >30 years using a three-axis tactile sensor at each angle formed as the participants’ upper bodies were raised from a supine position. Data after pressure release of either the left or right foot were collected and compared.

Results The participants’ mean age was 45.1 (±11.1) years. Pressure and anteroposterior shear force on the heel increased with elevation. These increases were especially prominent when the angle of elevation was 30˚. In the subsequent 45˚ and 60˚ tilts, body pressure and shear force increased slightly but not significantly. Pressure and shear force were released by elevating the lower extremity each time the head of the bed was elevated. However, further elevations resulted in increased pressure and shear force, particularly lateral shear force. Pressure and shear force did not change significantly when the lower limbs were elevated.

Conclusion The recommended elevation of the bed head to no more than 30˚ yielded major changes. Elevating the leg relieved the heel of continuous pressure and shear force while increasing pressure and lateral shear force. Although leg elevation is an aspect of daily nursing care, it is important to investigate such nursing interventions using objective data.

Introduction

In addition to the relationship between pressure intensity and time, it is clear that frictional and shear forces occur as external forces to the living body. Shear forces obstruct blood flow in the tissue, resulting in tissue ischemia1. In Japan, pressure injuries tend to develop frequently in bedridden older adults with bony prominences. They are especially susceptible to friction and shear forces due to dryness and reduced elasticity of the skin2,3. Therefore, regular repositioning is recommended for reducing pressure and shear force on the skin4.

Preventing pressure injuries requires not only systemic reduction of body pressure but also local depressurisation and reduction of shear force. When the head of a patient’s bed is elevated, the sacrum and coccyx are subjected to severe pressure and shear force, with particular changes in pressure and shear force reported in the sacral region5. In clinical practice, these problems are addressed via depressurisation, which includes pressure redistribution devices and providing daily nursing care. Two such forms of nursing care for depressurisation when a patient’s bed is elevated or lowered are senuki (literally ‘back omission’) and ashinuki (literally ‘leg omission’). Senuki involves the caregiver lifting the patient’s upper body and inserting their hand between the bed and the patient’s back to separate the body from the bed when it is elevated, thereby eliminating the friction and shear force between the patient’s skin and their bedclothes. Ashinuki involves the caregiver elevating the patient’s legs to eliminate the shear force that would otherwise occur from the hip to the posterior surface of the thigh and heel when the bed is elevated or lowered6.

When a bed is elevated, factors such as the concentration of pressure in the buttocks and the sliding down of the body create shear force. Therefore, when elevating a patient’s bed, nurses provide various forms of care such as elevating the legs first, positioning the patient in multiple methods, such as inserting a cushion under their knees to prevent slippage, and elevating the patient’s upper body7–9. However, these nursing interventions were reported in studies that examined the sacrum; few studies have examined changes in pressure or shear force on the heel10,11.

In the supine position, the heel is subjected to continuous pressure, making it vulnerable to tissue injury and pressure injuries. Pressure injuries in the heel are reported to account for one-fourth of all pressure injuries in American hospitals and nursing homes12–15. The effects of bed elevation and other factors make the heel susceptible to friction16. To reduce this friction, preventive dressings are applied17.

The present study examined the pressure and shear force on the heel using a three-axis tactile sensor. Additionally, the aim was to confirm changes in the pressure and shear force on the heel after elevating the heads of patients’ beds, followed by elevating the patients’ lower limbs.

Research Methods

Study design

A quasi-experimental study.

Selection of the participants and period of study

Healthy volunteers aged >30 years were recruited from the researchers’ universities and hospitals. The participants’ number of clinical experiences did not matter in this study design. Posters for research cooperation were displayed on a bulletin board at the facilities to call for participation. The primary author made verbal and e-mail announcements for the same, and used documents to explain the research specifications to individuals who wished to participate. Individuals signed a consent form to confirm participation.

Inclusion criteria required that participants had no wounds on their heels. Temporary redness was considered reactive hyperaemia and such participants were included.

Sample size

When G*Power18 was used to analyse the sample size with an effect size of 0.8, α of 0.05, and a statistical power of 0.8, the sample size was calculated to be n=15. Due to the possibility of an insufficient measurement effect in some participants, we set the sample size as 20. The target number of 20 participants was set to 15 to account for dropouts during data collection. However, no participant met the exclusion criteria and all were included.

Data collection

Data were collected between October 2018 and March 2019.

Measurement environment

Commonly used bedding was selected for the measurements. However, for the convenience of reproducibility, no pillows were used. Other equipment included:

  • Electric bed: Paramount bed KA-5000 (4-split type) (Paramount Bed Corporation, Tokyo, Japan).
  • Base mattress: Everfit KE-521Q (Paramount Bed Corporation, Tokyo, Japan); 10cm thick static mattress.
  • Bed sheet: plain woven cotton sheet. The sheets were tucked in when the beds were made.
  • Measuring device: Three-axis tactile sensor (ShokacChip™T08, Touchence Inc., Tokyo, Japan) 9mm × 9mm × 5mm. The x-, y- and z-axes of the three-axis sensor were set according to pressure, anteroposterior shear force, and lateral shear force, respectively (Figures 1a & b).

 

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Figure 1. A tri-axial tactile sensor was attached to the skin contact area between the heel and the bed and was covered with a dressing. Three directions were measured – anteroposterior shear force (x-axis), lateral shear force (y-axis), and pressure (z-axis)

 

Measurement procedure

Two experiments were conducted. Experiment 1 measured the pressure and shear force on the heel. Experiment 2 measured the changes in heel pressure and shear force with and without lower limb elevation.

Experiment 1: Changes in heel pressure and shear force upon elevating the head of the bed

The participants slightly opened their lower limbs in a relaxed state and lay in a supine position with their anterior superior iliac spine aligned to the bending point of the bed. The three-axis sensor was applied to the central point of where the left or right heel touched the bed; the film dressing was applied from above (Figures 1a & b). The left or right heel was selected randomly, and the following series of data were collected:

1. After confirming that the participant’s body was still, data for the heel were collected over a 20-second period with the bed in a supine position.

2. After 20 seconds, the participant’s upper body was elevated from the bending point of the bed to a 30˚ angle measured with a goniometer (Figure 2).

3. After the participant’s upper body was elevated, data for the heel were collected while the patient lay still for 20 seconds.

4. The participant’s upper body was then elevated to 45˚ and data were collected in the same manner.

5. After the data collection for the 60˚ elevation, the bed was lowered to a supine position and data were measured for 20 seconds, concluding the experiment.

Experiment 2: Changes in heel pressure and shear force with and without lower limb elevation

As in Experiment 1, the left or right lower limb was selected randomly, and the data collection steps 1−3 in Experiment 1 were repeated. In Experiment 2, the following interventions were carried out from that state.

4. After 20 seconds, either the participant’s left or right knee and ankle were held, lifted up from the hip, and kept still in that position for 5 seconds (Figure 3).

5. After the lower limb was lowered, it was immediately elevated to a 45˚ angle and data were collected for the heel while the participant remained still for 20 seconds.

6. Similar to Step 5 in Experiment 1, after the lower limb was lowered and the head of the bed was elevated to 60˚, the same measurement was performed.

7. Finally, the head of the bed was lowered to a supine position, data were collected for 20 seconds, and the experiment was concluded.

The researcher, a certified expert nurse in wound, ostomy, and continence, conducted Experiments 1 and 2 in this study.

 

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Figure 2. Lying in bed (at the time of elevating the head of the bed)

 

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Figure 3. Lifting the lower limbs

 

Data analysis

Data were analysed by estimating the average of the observation points at 18 seconds without considering the seconds before and after; the influence of the anteroposterior movement data of the 20 seconds measured for each angle of elevation was also taken into account. Calculations were made by averaging the observation points without the seconds before and after. At the start of the measurement, the initial data value was calibrated to zero and measured twice. The data obtained from the sensors were analysed along the x-axis (anteroposterior shear force), y-axis (lateral shear force), and z-axis (pressure). The pressure and shear force, with and without offloading pressure from the heel at each angle, were analysed using dedicated data software and two-way ANOVA was performed. All statistical analyses were performed using SPSS 23.0 for Windows (IBM Corp. Armonk, N.Y., USA), and the significance level was set at 5%.

Ethical considerations

The study was approved by the Ethical Review Committee of the Jikei University School of Medicine, Tokyo (9212). The participants were informed of the study orally and in writing, including instructions for the study. The participants’ health status was always observed during the data measurement. They were informed that the procedure would be stopped if they experienced distress. After data collection, we looked for any adverse conditions, such as skin indentation caused by the sensor being applied to the subject’s heel or epidermal peeling caused by the application of the dressing material.

Results

Subject attributes

The study was conducted with 26 participants (11 men and 15 women) with a mean age of 45.1 (±11.1) years and mean BMI of 22.2 (±3.2). No participant met the exclusion criteria, and no adverse events occurred.

Experiment 1: Changes in heel pressure and shear force upon elevating the head of the bed

The change in pressure at the heel tended to increase and maintain its value as the head of the bed was raised (Figure 4a). In particular, the pressure increased significantly when the head of the bed was raised from the supine position to 30˚. Subsequently, the pressure values were maintained for the elevation angles of 45˚ and 60˚; no significant increase was observed. However, a significant difference was observed when the angle was changed from 60˚ to the supine position. The pressure initially dropped, but did not return to the starting pressure, which further decreased.

The shear force in the front–back direction tended to increase with the elevation angle. Similar to the pressure values found, the value increased significantly at the 30˚ angle of elevation, and a significant difference was observed. After 45˚, the anteroposterior shear force was maintained but did not increase significantly when the angle was raised from the supine position to 60˚. However, when the angle was changed from 60˚ to the supine position, shear force in the opposite direction was added and a significant difference was observed (Figure 4b).

Although the lateral shear force increased as the head of the bed was elevated, it did not change as greatly as the anteroposterior shear force. A significant difference was observed when the bed was lowered from a 60˚ angle to a supine position. However, the large changes that occurred in the anteroposterior shear force did not occur in the case of lateral shear force (Figure 4c).

 

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Figure 4. Changes in heel pressure and shear force while elevating the head of the bed

 

Experiment 2: Changes in heel pressure and shear force with and without lower limb elevation

Examinations of the changes in pressure with and without elevation of the lower limbs showed no significant differences in pressure, anteroposterior shear force, or lateral shear force (Figure 5). However, as with the measurements taken with simple elevation of the head of the bed, even when pressure and shear force were offloaded, elevating the head of the bed led to the reapplication of external force. Moreover, while the anteroposterior shear force was large when only the head of the bed was elevated, the lateral shear force increased upon lower limb elevation. An example of elevating the head of the bed is presented here to explain these changes.

 

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Figure 5. Changes in heel pressure and shear force with and without lower limb elevation

 

When the head of the bed was elevated to 30˚, elevation of the lower limbs temporarily offloaded the pressure on the heel. While further bed elevation once again increased pressure on the heel, lower limb elevation tended to inhibit subsequent increases in pressure (Figure 6a).

When the lower limbs were not elevated, the anteroposterior shear force increased slightly when the bed head was elevated to 30˚. On the other hand, when the lower limbs were elevated, no significant change occurred (Figure 6b).

Similarly, the lateral shear force increased without elevation of the lower limb when the head of the bed was elevated to 30˚. On further elevation of the head of the bed, the lateral shear force increased in the absence of lower limb elevation. The greatest change occurred when the bed returned to the supine position. When the lower limb was elevated, the lateral shear force was temporarily offloaded. However, elevating the head of the bed again created lateral shear force. Although the difference in lateral shear force when the bed returned to the supine position was smaller than the difference observed without elevation of the lower limb, the results demonstrated the occurrence of lateral shear force associated with temporary offloading of force (Figure 6c).

 

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Figure 6a. Changes in heel pressure with and without elevation of the lower extremity (example)

 

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Figure 6b. Changes in anteroposterior shear force at the heel with and without elevation of the lower limb (example)

 

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Figure 6c. Changes in lateral shear force at the heel with and without elevation of the lower limb (example)

 

Discussion

The experimental results revealed that the pressure and shear force at the heel increased with elevating the head of the bed. In particular, the rate of change in the values was large at the 30˚ angle of elevation. As previously reported, this is attributed to the effect of the centre of gravity shifting and upper body sliding down due to head elevation17–19. From the viewpoint of preventing pressure injury in the buttocks, it is desirable that the angle of elevating the head of the bed be 30˚ or less20. Although the 30˚ rule”(30˚ lateral supine, elevating the head of the bed by 30˚) has been widely used in positioning to prevent pressure injury, it has also been reported to delay healing in patients with pressure injury in the buttocks21. Therefore, the 4th edition of the Guidelines for the Prevention and Management of Pressure Ulcers states that positioning other than the 30˚ side-lying and 30˚ supine positions may be performed22.

The heel is a common site of pressure injuries. Even if a visual assessment identifies no problems, tissue injury occurs, leading to deep tissue injury (DTI) due to changes inside the tissue. When pressure injuries are detected by a physician, the skin is often discoloured and injured, with DTI having already occurred16. As the heel is known to have a lower concentration of melanocytes, tissue response to stress and tissue injury are difficult to detect based on changes in skin colour23. In addition, while the epidermis may be thick in the lateral aspect of the sole of the heel, the skin of the posterior heel is relatively thin. In older adults and patients with fragile skin, capillary density is low and mass is reduced throughout the soft tissue in the posterior heel, adversely affecting the linkage between the epidermis and skin junctions24, conceivably increasing the risk of pressure injuries. Similar results were observed among the present study’s participants, despite having a mean BMI of 22.2 (±3.2) and standard body type. The participants’ BMI led to changes in mass throughout the soft tissue in the posterior heel. Conceivably, BMI and heel bone geometry also affected the linkage between the epidermis and skin junctions, suggesting an effect on pressure and shear force as well.

The present experiments demonstrated that powerful pressure and shear force occur when the head of a hospital bed is elevated to the recommended angle of 30˚. In the initial measurement, the head of the bed was elevated with the participant’s superior anterior iliac spine aligned with the bending point of the bed to prevent the body from sliding down. However, because the knees are not elevated and the heels are not supported, continuous strain on soft tissue leads to tissue injury25 and multiple thrombosis26, often causing DTI. In fact, this strain was shown to act as the anteroposterior and lateral shear forces due to elevation of the head of the hospital bed, elevation of the lower limbs, and other acts of nursing care. Although the lower limbs are elevated as a form of preventive care, we learned that this elevation does not entirely eliminate external force. This finding suggests the need for further preventive measures based on objective data.

The application of polyurethane foam/soft silicon foam to the heel has been reported to reduce friction and shear force on the heel, resulting in prevention of pressure injuries27,28. The skin of elder adults is dry, resulting in friction even when they sleep on bedsheets. The application of moisturiser, particularly the use of ceramide-containing formulations, to moisturise dry skin daily is reported to be an effective nursing intervention29; therefore, this intervention is also important to incorporate. European Pressure Ulcer Advisory Panel guidelines also recommend the use of sheets made of silk or other similar material instead of cotton or cotton blends to reduce friction and shear force30.

Considering the advancements in body pressure redistribution devices, repositioning at conventional 2-hour intervals is reported to not differ from repositioning at 3- or 4-hour intervals31. When a patient’s body is repositioned (or their posture is maintained), it is supported with cushions and pillows. Although this study used four-section hospital beds, data in the present experiments were collected for the heel with only participants’ upper bodies being elevated and without elevation of the lower limb. However, with a bed that permits elevation of the lower limbs, conventional positioning requires elevation of the lower extremity side of the bed to prevent posture collapse and reduce pressure on the buttocks associated with the sliding down of the upper body; elimination of external force through means such as lower limb elevation may thus be required. Patients’ bodies are repositioned to regularly change their recumbent position and shift the external force that would otherwise continue to act on the same site.

However, while voluntary movement is also important, it is sometimes difficult for patients who have trouble moving on their own. In Japan, studies are being conducted on ‘small changes’, a body pressure dispersal method involving the use of a small pillow. ‘Small changes’ refers to a method in which a small pillow is moved at regular intervals to the shoulder, hip or lower extremity on one side of the body to change the site on which pressure acts and thus redistribute pressure. This method has been reported to reduce the incidence of pressure injuries32,33. Furthermore, an air mattress equipped with such a small change system has been developed, with a study having reported on its efficacy in preventing pressure injuries34.

Along with the measures described above to prevent pressure injuries in the heel, ultrasonography is also being used to detect pressure injuries at an early stage without relying on visual assessment35. Acquiring more basic data, such as that obtained in the present experiment, may be necessary.

More comments are needed on what is currently known about nursing interventions such as repositioning, frequency of repositioning to reduce pressure, shear force and friction, and the use of a knee-break or knee elevation capability of beds or simple devices such as pillows, etc to alleviate heel pressure shear and friction.

Limitations of the study and future challenges

In this study, the target age group was relatively young. Their skin structure in the heel region differs from that of older adults, who are more prone to pressure injury, and there are limitations when comparing with patients who are more prone to pressure injury. The mattress used was a urethane mattress, which is used to prevent pressure injury; hence, the effects of using other materials, such as an air mattress, need to be examined in the future.

Based on these results, we intend to consider more clinically-relevant positioning and pressure redistribution methods in the future. Additionally, we would like to check the changes occurring in not only the heel region but also the sacral region and other bone protrusion sites and collect data to provide evidence for nursing practice.

Conclusions

When elevation was performed, the pressure and shear force on the heel increased significantly at 30˚. The elevation of the lower limbs led to an offloading of continuous pressure and shear force on the heel, although the differences were not significant. However, we noted the pressure and shear force that occurred while elevating the head of the bed and determined that elevation of the lower limbs, a typical act of nursing care, does not prevent the application of shear force. Further examination with more objective data will be conducted to examine preventive nursing interventions.

Acknowledgements

We would like to thank all the study participants for their cooperation. We would also like to thank Editage (www.editage.com) for English language editing.

Conflict of interest

There are no conflicts of interest to declare.

Ethics statement

The study was approved by the Ethical Review Committee of the Jikei University School of Medicine, Tokyo (9212).

Funding

This study received a research grant from the School of Nursing, the Jikei University School of Medicine. However, they were not involved in any aspect of the study content, including study design, data collection, analysis, or interpretation of data; they only provided funding.


Enquête exploratoire sur la pression et la force de cisaillement au niveau du talon à l'aide d'un capteur tactile à trois axes

Yoko Murooka and Hidemi Nemoto Ishii

DOI: https://doi.org/10.33235/wcet.43.1.20-27

Author(s)

References

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Résumé

Objectifs Nous avons étudié les changements de pression et de force de cisaillement au niveau du talon provoqués par la surélévation de la tête de lit et après avoir déchargé la pression du talon.

Méthodes Des données sur la pression du talon et la force de cisaillement ont été recueillies auprès de 26 personnes en bonne santé âgées de plus de 30 ans à l'aide d'un capteur tactile à trois axes positionné à chaque angle formé lorsque le haut du corps des participants était relevé à partir d'une position couchée. Les données après relâchement de la pression du pied gauche ou du pied droit ont été recueillies et comparées.

Résultats L'âge moyen des participants était de 45,1 (±11,1) ans. La pression et la force de cisaillement antéropostérieure sur le talon augmentent avec l'élévation. Ces augmentations étaient particulièrement marquées lorsque l'angle d'élévation était de 30˚. Avec des inclinaisons ultérieures de 45˚ et 60˚, la pression corporelle et la force de cisaillement ont légèrement augmenté, mais pas de manière significative. La pression et la force de cisaillement ont été relâchées en soulevant le membre inférieur chaque fois que la tête de lit était relevée. Cependant, des surélévations plus importantes ont entraîné une augmentation de la pression et de la force de cisaillement, en particulier de la force de cisaillement latérale. La pression et la force de cisaillement n'ont pas changé de manière significative lorsque les membres inférieurs étaient soulevés.

Conclusion L'élévation recommandée de la tête de lit à 30˚ maximum a entraîné des changements majeurs. La surélévation de la jambe a soulagé le talon d'une pression et d'une force de cisaillement continues tout en augmentant la pression et la force de cisaillement latérale. Bien que soulever des jambes fasse partie des soins infirmiers quotidiens, il est important d'étudier ces interventions infirmières à l'aide de données objectives.

Introduction

Outre la relation entre l'intensité de la pression et le temps, il est clair que les forces de frottement et de cisaillement sont des forces externes à l’organisme vivant. Les forces de cisaillement entravent la circulation sanguine dans les tissus, ce qui entraîne une ischémie tissulaire1. Au Japon, les lésions de pression tendent à se développer fréquemment chez les personnes âgées alitées présentant des proéminences osseuses. Elles sont particulièrement sensibles aux forces de frottement et de cisaillement en raison de la sécheresse et de l'élasticité réduite de la peau2,3. Un repositionnement régulier est donc recommandé pour réduire la pression et la force de cisaillement sur la peau4.

La prévention des lésions de pression nécessite non seulement une réduction systémique de la pression corporelle, mais aussi une dépressurisation locale et une réduction de la force de cisaillement. Lorsque la tête du lit d'un patient est relevée, le sacrum et le coccyx sont soumis à une pression et à une force de cisaillement importantes, avec des changements particuliers de la pression et de la force de cisaillement signalés dans la région sacrale5. Dans la pratique clinique, ces problèmes sont résolus par la dépressurisation, qui comprend des dispositifs de redistribution de la pression et des soins infirmiers quotidiens. Deux formes de soins infirmiers pour la dépressurisation lorsque le lit d'un patient est relevé ou abaissé sont le senuki (littéralement "omission du dos") et l' ashinuki (littéralement "omission des jambes"). Le senuki implique que le soignant soulève le haut du corps du patient et insère sa main entre le lit et le dos du patient pour séparer le corps du lit lorsqu'il est relevé, éliminant ainsi la friction et la force de cisaillement entre la peau du patient et les draps. L'Ashinuki consiste pour le soignant à soulever les jambes du patient afin d'éliminer la force de cisaillement qui se produirait sinon de la hanche à la surface postérieure de la cuisse et du talon lorsque le lit est relevé ou abaissé6.

Lorsque le lit est relevé, des facteurs tels que la concentration de la pression dans les fesses et le glissement du corps vers le bas créent une force de cisaillement. Par conséquent, lorsqu'ils relèvent le lit d'un patient, les infirmières et infirmiers prodiguent diverses formes de soins, notamment en soulevant d'abord les jambes, en positionnant le patient de plusieurs façons, par exemple en insérant un coussin sous ses ge noux pour éviter qu'il ne glisse, et en soulevant le haut du corps dupatient7-9. Cependant, ces interventions infirmières ont été rapportées dans des études portant sur le sacrum ; peu d'études ont examiné les changements de pression ou de force de cisaillement sur le talon10,11.

En position couchée, le talon est soumis à une pression continue, ce qui le rend vulnérable aux lésions tissulaires et aux lésions de pression. Les lésions de pression au niveau du talon sont identifiées comme comptant pour un quart de toutes les lésions de pression dans les maisons de retraite et les hôpitaux américains12-15. Les effets de la surélévation du lit et d'autres facteurs rendent le talon sensible à la friction16. Pour réduire cette friction, des pansements préventifs sont appliqués17.

La présente étude a examiné la pression et la force de cisaillement sur le talon à l'aide d'un capteur tactile à trois axes. En outre, l'objectif était de confirmer les changements de pression et de force de cisaillement sur le talon après la surélévation de la tête de lit des patients, suivie de l'élévation des membres inférieurs des patients.

Méthodes de recherche

Modèle de l'étude

Une étude quasi-expérimentale.

Sélection des participants et période d'étude

Des volontaires en bonne santé âgés de plus de 30 ans ont été recrutés dans les universités et les hôpitaux des chercheurs. Le nombre d’expériences cliniques des participants n’avait pas d'importance dans ce modèle d'étude. Des affiches pour la coopération en matière de recherche ont été placées sur un tableau d'affichage dans les établissements afin d'encourager la participation. L'auteur principal a fait des annonces verbales et par courrier électronique, puis utilisé des documents pour expliquer les spécifications de la recherche aux personnes qui souhaitaient y participer. Ces personnes ont signé un formulaire de consentement pour confirmer leur participation.

Les critères d'inclusion exigeaient que les participants n'aient pas de lésions aux talons. Une rougeur temporaire a été considérée comme une hyperémie réactive et ces participants ont été inclus.

Taille de l'échantillon

Lorsque G*Power18 a été utilisé pour analyser la taille de l'échantillon avec une taille d'effet de 0,8, un α de 0,05 et une puissance statistique de 0,8, la taille de l'échantillon a été calculée comme étant n=15. En raison de la possibilité d'un effet de mesure insuffisant chez certains participants, nous avons fixé la taille de l'échantillon à 20. Le nombre cible de 20 participants a été ramené à 15 pour tenir compte des abandons au cours de la collecte des données. Cependant, aucun participant ne répondait aux critères d'exclusion et tous ont été inclus.

Collecte des données

Les données ont été collectées entre octobre 2018 et mars 2019.

Environnement de mesure

Une literie d'usage courant a été sélectionnée pour les mesures. Toutefois, pour des raisons de reproductibilité, aucun oreiller n'a été utilisé. Autres équipements inclus :

  • Lit électrique : Lit Paramount KA-5000 (type 4 sections) (Paramount Bed Corporation, Tokyo, Japon).
  • Matelas de base : Everfit KE-521Q (Paramount Bed Corporation, Tokyo, Japon) ; matelas statique de 10 cm d'épaisseur.
  • Drap de lit : drap 100% coton tissé. Les draps étaient bordés lorsque les lits étaient faits.
  • Dispositif de mesure : Capteur tactile à trois axes (ShokacChip™T08, Touchence Inc., Tokyo, Japon) 9 mm × 9 mm × 5 mm. Les axes x, y et z du capteur à trois axes ont été réglés en fonction de la pression, de la force de cisaillement antéro-postérieure et de la force de cisaillement latérale, respectivement (figures 1a et b).

 

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Figure 1. Un capteur tactile triaxial a été fixé sur la zone de contact cutané entre le talon et le lit et a été recouvert d'un pansement. Trois directions ont été mesurées : la force de cisaillement antéro-postérieure (axe x), la force de cisaillement latérale (axe y) et la pression (axe z)

 

Procédure de mesure

Deux expériences ont été menées. L'expérience 1 a mesuré la pression et la force de cisaillement sur le talon. L'expérience 2 a mesuré les changements de la pression du talon et de la force de cisaillement avec et sans surélévation du membre inférieur.

Expérience 1 : Changements dans la pression du talon et la force de cisaillement lors de la surélévation de la tête de lit

Les participants ont légèrement ouvert leurs membres inférieurs dans un état de relaxation et se sont allongés en position couchée, la colonne vertébrale iliaque antéro-supérieure alignée sur le point de flexion du lit. Le capteur à trois axes a été appliqué au point central où le talon gauche ou droit touchait le lit ; le film du pansement a été appliqué par le haut (figures 1a et b). Le talon gauche ou droit a été choisi au hasard et les séries de données suivantes ont été collectées :

1. Après avoir confirmé que le corps du participant était immobile, les données relatives au talon ont été recueillies sur une période de 20 secondes, le lit étant en position couchée.

2. Après 20 secondes, le haut du corps du participant a été relevé à partir du point de flexion du lit jusqu'à un angle de 30˚ mesuré à l'aide d'un goniomètre (figure 2).

3. Après avoir relevé le haut du corps du participant, les données relatives au talon ont été recueillies pendant que le patient restait immobile pendant 20 secondes.

4. Le haut du corps du participant a ensuite été relevé à 45˚ et les données ont été recueillies de la même manière.

5. Après la collecte des données pour la surélévation de 60˚, le lit a été abaissé en position couchée et les données ont été mesurées pendant 20 secondes, concluant ainsi l'expérience.

Expérience 2 : Changements de la pression du talon et de la force de cisaillement avec et sans surélévation du membre inférieur

Comme dans l'expérience 1, le membre inférieur gauche ou droit a été choisi au hasard, et les étapes 1 à 3 de la collecte de données de l'expérience 1 ont été répétées. Dans l'expérience 2, les interventions suivantes ont été effectuées à partir de cet état.

4. Après 20 secondes, le genou et la cheville gauche ou droite du participant ont été saisis, soulevés à partir de la hanche et maintenus dans cette position pendant 5 secondes (figure 3).

5. Une fois le membre inférieur abaissé, il a été immédiatement relevé à un angle de 45˚ et les données ont été recueillies pour le talon pendant que le participant restait immobile pendant 20 secondes.

6. Comme à l'étape 5 de l'expérience 1, la même mesure a été effectuée après que le membre inférieur a été abaissé et que la tête de lit a été relevée à 60˚.

7. Enfin, la tête du lit a été abaissée en position couchée, les données ont été recueillies pendant 20 secondes et l'expérience s'est achevée.

La chercheuse, une infirmière experte certifiée en plaies, stomies et continence, a mené les expériences 1 et 2 de cette étude.

 

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Figure 2. Couché sur le lit (au moment de surélever la tête de lit)

 

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Figure 3. Surélévation les membres inférieurs

 

Analyse des données

Les données ont été analysées en estimant la moyenne des points d'observation à 18 secondes sans tenir compte des secondes précédentes et suivantes ; l'influence des données du mouvement antéropostérieur des 20 secondes mesurées pour chaque angle d'élévation a également été prise en compte. Les calculs ont été effectués en faisant la moyenne des points d'observation sans les secondes précédentes et suivantes. Au début de la mesure, la valeur initiale des données a été calibrée à zéro et mesurée deux fois. Les données obtenues à partir des capteurs ont été analysées selon l'axe x (force de cisaillement antéropostérieure), l'axe y (force de cisaillement latérale) et l'axe z (pression). La pression et la force de cisaillement, avec et sans décharge de la pression du talon à chaque angle, ont été analysées à l'aide d'un logiciel de données dédié et une ANOVA à deux voies a été réalisée. Toutes les analyses statistiques ont été réalisées à l'aide de SPSS 23.0 pour Windows (IBM Corp. Armonk, N.Y., USA), et le seuil de signification a été fixé à 5 %.

Considérations éthiques

L'étude a été approuvée par le comité de révision éthique de la faculté de médecine de l'université Jikei, à Tokyo (9212). Les participants ont été informés de l'étude oralement et par écrit, y compris des instructions relatives à l'étude. L'état de santé des participants est toujours resté sous observation pendant la mesure des données. Ils ont été informés que la procédure serait interrompue s'ils ressentaient une détresse. Après la collecte des données, nous avons recherché d'éventuelles conditions défavorables, telles qu'une indentation de la peau causée par l'application du capteur sur le talon du sujet ou une desquamation de l'épiderme causée par l'application du matériau du pansement.

Résultats

Attributs du sujet

L'étude a été menée auprès de 26 participants (11 hommes et 15 femmes) d'un âge moyen de 45,1 (±11,1) ans et d'un IMC moyen de 22,2 (±3,2). Aucun participant ne répondait aux critères d'exclusion et aucun événement indésirable n'est survenu.

Expérience 1 : Changements dans la pression du talon et la force de cisaillement lors de la surélévation de la tête de lit

La variation de la pression au niveau du talon a eu tendance à augmenter et à maintenir sa valeur au fur et à mesure que la tête de lit était relevée (figure 4a). En particulier, la pression a augmenté de manière significative lorsque la tête de lit a été relevée de la position couchée à 30˚. Par la suite, les valeurs de pression se sont maintenues pour les angles de surélévation de 45˚ et 60˚ ; aucune augmentation significative n'a été observée. Cependant, une différence significative a été observée lorsque l'angle est passé de 60˚ à la position couchée. La pression a d'abord baissé, mais n'est pas revenue à la pression de départ, et a continué à diminuer.

La force de cisaillement dans la direction avant-arrière tend à augmenter avec l'angle de surélévation. Comme pour les valeurs de pression constatées, la valeur a augmenté de manière significative avec l'angle de surélévation de 30˚, et une différence significative a été observée. Après 45˚, la force de cisaillement antéropostérieure s’est maintenue mais n'a pas augmenté de manière significative lorsque l'angle a été augmenté de la position couchée à 60˚. Cependant, lorsque l'angle est passé de 60˚ à la position couchée, une force de cisaillement dans la direction opposée s’est ajoutée et une différence significative a été observée (figure 4b).

Bien que la force de cisaillement latérale ait augmenté avec la surélévation de la tête de lit, elle n'a pas changé aussi fortement que la force de cisaillement antéropostérieure. Une différence significative a été observée lorsque le lit a été abaissé d'un angle de 60˚ à la position couchée. Cependant, les changements importants qui se sont produits dans la force de cisaillement antéropostérieure ne se sont pas produits dans le cas de la force de cisaillement latérale (figure 4c).

 

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Figure 4. Changements dans la pression du talon et la force de cisaillement lors de la surélévation de la tête de lit

 

Expérience 2 : Changements de la pression du talon et de la force de cisaillement avec et sans surélévation du membre inférieur

L'examen des variations de pression avec et sans surélévation des membres inférieurs n'a pas montré de différences significatives de pression, de force de cisaillement antéropostérieure ou de force de cisaillement latérale (figure 5). Cependant, comme pour les mesures prises avec une simple surélévation de la tête de lit, même lorsque la pression et la force de cisaillement ont été déchargées, la surélévation de la tête du lit a conduit à la réapplication de la force externe. En outre, alors que la force de cisaillement antéropostérieure était importante lorsque seule la tête de lit était surélevée, la force de cisaillement latérale augmentait lors de la surélévation des membres inférieurs. Un exemple de surélévation de la tête de lit est présenté ici pour expliquer ces changements.

 

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Figure 5. Changements de la pression du talon et de la force de cisaillement avec et sans surélévation du membre inférieur

 

Lorsque la tête de lit a été relevée à 30˚, la surélévation des membres inférieurs a temporairement déchargé la pression sur le talon. Alors qu'une nouvelle surélévation du lit augmentait à nouveau la pression sur le talon, la surélévation des membres inférieurs tendait à inhiber les augmentations ultérieures de la pression (figure 6a).

Lorsque les membres inférieurs n'étaient pas soulevés, la force de cisaillement antéropostérieure augmentait légèrement lorsque la tête de lit était relevée à 30˚. En revanche, lorsque les membres inférieurs étaient soulevés, aucun changement significatif ne s’est produit (figure 6b).

De même, la force de cisaillement latérale a augmenté sans élévation du membre inférieur lorsque la tête de lit a été relevée à 30˚. Lors d'une nouvelle surélévation de la tête de lit, la force de cisaillement latérale a augmenté en l'absence de surélévation des membres inférieurs. Le changement le plus important s'est produit lorsque le lit est revenu en position couchée. Lorsque le membre inférieur était soulevé, la force de cisaillement latérale était temporairement déchargée. Cependant, la surélévation de la tête de lit a de nouveau créé une force de cisaillement latérale. Bien que la différence de force de cisaillement latérale lorsque le lit est revenu en position couchée soit plus faible que la différence observée sans surélévation du membre inférieur, les résultats ont démontré l'apparition d'une force de cisaillement latérale associée à une décharge temporaire de la force (figure 6c).

 

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Figure 6a. Changements dans la pression du talon avec et sans surélévation du membre inférieur (exemple)

 

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Figure 6b. Variations de la force de cisaillement antéropostérieure au niveau du talon avec et sans surélévation du membre inférieur (exemple)

 

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Figure 6c. Variations de la force de cisaillement latérale au niveau du talon avec et sans surélévation du membre inférieur (exemple)

 

Discussion

Les résultats expérimentaux ont révélé que la pression et la force de cisaillement au niveau du talon augmentaient avec la surélévation de la tête de lit. En particulier, le taux de variation des valeurs était important à l'angle de surélévation de 30˚. Comme indiqué précédemment, ce phénomène est attribué à l'effet du déplacement du centre de gravité et du glissement du haut du corps vers le bas en raison de la surélévation de la tête17-19. Afin de prévenir les lésions de pression au niveau des fesses, il est souhaitable que l'angle de surélévation de la tête de lit soit inférieur ou égal à 3020. Bien que la règle des 30˚ (décubitus latéral de 30˚, surélévation de la tête de lit de 30˚) ait été largement utilisée dans le positionnement pour prévenir les lésions de pression, il a également été rapporté qu'elle retardait la guérison chez les patients souffrant de lésions de pression au niveau des fesses21. Par conséquent, la 4e édition des Directives pour la prévention et la prise en charge des ulcères de pression indique que des positions autres que les positions 30˚ en décubitus latéral et 30˚ en décubitus dorsal peuvent être effectuées22.

Le talon est un site fréquent de lésions de pression. Même si une évaluation visuelle n'identifie aucun problème, des lésions tissulaires se produisent, entraînant des lésions tissulaires profondes (LTP) dues à des changements à l'intérieur des tissus. Lorsque des lésions de pression sont détectées par un médecin, la peau est souvent décolorée et blessée, les LTP étant déjà présentes16. Le talon étant connu pour avoir une plus faible concentration de mélanocytes, la réponse des tissus au stress et les lésions tissulaires sont difficiles à détecter sur la base des changements de couleur de la peau23. En outre, alors que l'épiderme peut être épais dans la partie latérale de la plante du talon, la peau de la du talon postérieur est relativement fine. Chez les personnes âgées et les patients à la peau fragile, la densité capillaire est faible et la masse est réduite dans l'ensemble des tissus mous du talon postérieur, ce qui affecte négativement le lien entre l'épiderme et les jonctions cutanées24, augmentant probablement le risque de lésions de pression. Des résultats similaires ont été observés chez les participants à la présente étude, malgré un IMC moyen de 22,2 (±3,2) et un type corporel standard. L'IMC des participants a entraîné des changements de masse dans les tissus mous du talon postérieur. On peut imaginer que l'IMC et la géométrie de l'os du talon ont également affecté le lien entre l'épiderme et les jonctions cutanées, ce qui suggère un effet sur la pression et la force de cisaillement.

Les présentes expériences ont démontré qu'une pression et une force de cisaillement importantes se produisent lorsque la tête d'un lit d'hôpital est relevée à l'angle recommandé de 30˚. Lors de la mesure initiale, la tête de lit a été relevée, l'épine iliaque supérieure antérieure du participant étant alignée sur le point de flexion du lit afin d'éviter que le corps ne glisse vers le bas. Cependant, comme les genoux ne sont pas surélevés et que les talons ne sont pas soutenus, la tension continue exercée sur les tissus mous entraîne des lésions tissulaires25 et des thromboses multiples26, souvent à l'origine de LTP. En fait, il a été démontré que cette contrainte agit comme les forces de cisaillement antéro-postérieures et latérales dues à la surélévation de la tête du lit d'hôpital, à la surélévation des membres inférieurs et à d'autres actes de soins infirmiers. Bien que les membres inférieurs soient surélevés à titre préventif, nous avons appris que cette surélévation n'élimine pas totalement la force extérieure. Cette constatation suggère la nécessité de mesures préventives supplémentaires basées sur des données objectives.

L'application de mousse de polyuréthane/mousse de silicone souple sur le talon a permis de réduire la friction et la force de cisaillement sur le talon, permettant de prévenir les lésions de pression27,28. La peau des personnes âgées est sèche, ce qui entraîne des frictions même lorsqu'elles dorment sur des draps. L'application d'une crème hydratante, en particulier l'utilisation de formules contenant des céramides, pour hydrater quotidiennement la peau sèche, est considérée comme une intervention infirmière efficace29 ; il est donc également important d'intégrer cette intervention. Les directives du Groupe consultatif européen sur les ulcères de pression recommandent également l'utilisation de draps en soie ou dans un autre matériau similaire plutôt qu'en coton ou en coton mélangé, afin de réduire la friction et la force de cisaillement30.

Compte tenu des progrès réalisés dans le domaine des dispositifs de redistribution de la pression corporelle, le repositionnement à des intervalles conventionnels de 2 heures est décrit comme n’étant pas différent du repositionnement à des intervalles de 3 ou 4 heures31. Lorsque le corps d'un patient est repositionné (ou que sa posture est maintenue), il est soutenu par des coussins et des oreillers. Bien que cette étude ait utilisé des lits d'hôpital à quatre sections, les données des présentes expériences ont été recueillies pour le talon avec uniquement le haut du corps des participants surélevé et sans surélévation du membre inférieur. Cependant, avec un lit qui permet de surélever les membres inférieurs, le positionnement conventionnel nécessite de surélever le côté de l’extrémité inférieure pour éviter l'affaissement de la posture et réduire la pression sur les fesses associée au glissement vers le bas du haut du corps ; l'élimination de la force externe par des moyens tels que la surélévation des membres inférieurs peut donc s'avérer nécessaire. Le corps des patients est repositionné de manière à modifier régulièrement leur position allongée et à déplacer la force externe qui, sinon, continuerait à agir sur le même site.

Cependant, bien que le mouvement volontaire soit également important, il est parfois difficile pour les patients qui ont des difficultés à se déplacer seuls. Au Japon, des études sont menées sur les "petits changements", une méthode de dispersion de la pression corporelle impliquant l'utilisation d'un petit oreiller. Les "petits changements" désignent une méthode consistant à déplacer un petit coussin à intervalles réguliers vers l'épaule, la hanche ou l'extrémité inférieure d'un côté du corps afin de modifier le site sur lequel la pression agit et de redistribuer ainsi la pression. Cette méthode a permis de réduire l'incidence des lésions de pression32,33. En outre, un matelas pneumatique équipé d'un tel système de petit changement a été mis au point, et une étude a montré son efficacité dans la prévention des lésions de pression34.

Outre les mesures décrites ci-dessus pour prévenir les lésions de pression au niveau du talon, l'échographie est également utilisée pour détecter les lésions de pression à un stade précoce sans avoir recours à l'évaluation visuelle35. Acquérir d’autres données de base, comme celles obtenues dans la présente expérience, pourrait être nécessaire.

Des commentaires supplémentaires sont nécessaires sur les connaissances actuelles concernant les interventions infirmières telles que le repositionnement, la fréquence de repositionnement pour réduire la pression, la force de cisaillement et la friction, et sur l'utilisation de la possibilité de plier ou relever des genoux des lits ou de dispositifs simples tels que des oreillers, etc. pour atténuer la pression de cisaillement et de friction du talon.

Limites de l'étude et défis futurs

Dans cette étude, le groupe cible était d’âge relativement jeune. La structure cutanée dans la région du talon diffère de celle des adultes plus âgés, qui sont plus sujets aux lésions de pression, et la comparaison avec des patients plus sujets aux lésions de pression présente des limites. Le matelas utilisé était un matelas en uréthane, qui est utilisé pour prévenir les lésions de pression ; par conséquent, les effets de l'utilisation d'autres matériaux, tels qu'un matelas pneumatique, devront être examinés dans le futur.

Sur la base de ces résultats, nous avons l'intention d'envisager à l'avenir des méthodes de positionnement et de redistribution de la pression plus pertinentes d'un point de vue clinique. En outre, nous aimerions vérifier les changements qui se produisent non seulement dans la région du talon, mais aussi dans la région sacrale et dans d'autres sites de protrusion osseuse, afin de collecter des données probantes pour la pratique infirmière.

Conclusions

Lors de la surélévation, la pression et la force de cisaillement sur le talon ont augmenté de manière significative à 30˚. La surélévation des membres inférieurs a entraîné une décharge de la pression continue et de la force de cisaillement sur le talon, bien que les différences ne soient pas significatives. Cependant, nous avons noté la pression et la force de cisaillement qui se sont produites lors de la surélévation de la tête de lit et avons déterminé que la surélévation des membres inférieurs, un acte typique des soins infirmiers, n'empêche pas l'application d'une force de cisaillement. Un examen plus approfondi avec des données plus objectives sera effectué pour examiner les interventions infirmières préventives.

Remerciements

Nous tenons à remercier tous les participants à l'étude pour leur coopération. Nous tenons également à remercier Editage (www.editage.com) pour la révision de la langue anglaise.

Conflit d'intérêt

Il n'y a pas de conflits d'intérêts à déclarer.

Déclaration d'éthique

L'étude a été approuvée par le comité de révision éthique de la faculté de médecine de l'université Jikei, à Tokyo (9212).

Financement

Cette étude a bénéficié d'une subvention de recherche de l'école d'infirmières de la faculté de médecine de l'université Jikei. Cependant, elle n'a participé à aucun aspect du contenu de l'étude, y compris la conception de l'étude, la collecte des données, l'analyse ou l'interprétation des données ; elle a uniquement fourni le financement.


Author(s)

Yoko Murooka*
RN, PhD, WOCN
Faculty of Nursing, Tokyo University of Information Sciences,
4–1 Onaridai, Wakaba-ku, Chiba, 265–8501 Japan
Email myoko0913@gmail.com

Hidemi Nemoto Ishii
RN, MSN, ET/WOCN
Wound & Ostomy Care Division, ALCARE Co. Ltd., Sumida-ku,
Tokyo, Japan

* Corresponding author

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