Mathematical and Finite Element Modelling of Spine to Investigate the Effects of Intra-Abdominal Pressure and Activation of Muscles Around Abdomen on the Spinal Stability
Notice bibliographique
Résumé
In spite of the several experimental and modeling studies on the biomechanical characteristics of the human spine, the role and significance of the intra-abdominal pressure (IAP) in spine mechanics has remained controversial. This study represents a simple analytical and a 3-D finite element model of spine and its surrounding structures to investigate the contribution of IAP to spinal stability. The mathematical model included the lumbar spine column, the abdominal cavity and a muscular layer around it, the rib cage and the pelvic ring. The lumbar spine column was modeled as a beam and the rib cage and pelvis as rigid bodies. The intra-abdominal cavity and the surrounding muscular layer were represented by a thin-wall cylindrical vessel with deformable shell wall. The free body diagram and equilibrium equations of each body of the model were derived while an external load to the rib cage was applied. The equations were then combined with the force-deflection relationships for the beam bending, the IAP fluid volume variation, and the muscle shell traction. Muscle activation levels were simulated by changing the Young’s modulus of the shell in the direction of fibers, up to an upper-limit value which was obtained based on the Valsalva maneuver. In the Finite Element (FE) model, the abdominal cavity was assumed to be cylindrical and filled by fluid with a bulk modulus of IMPa. The surrounding muscular layer was modeled as membrane with transverse isotropic material properties considering their fibers orientation. The spine, rib cage and pelvic ring were modeled by beam elements. The top plate simulated the active and/or passive role of diaphragm through its vertical displacement. The bottom membrane and distal spine were fully constrained. Good agreement between the analytical and FE model results was obtained. A larger external force and/or higher level of muscle activation caused a higher IAP, improving spinal unloading and stability. This effect was more significant for muscles with more horizontally directed fibers, e.g., Transverse Abdominis (TA).
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
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Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».