Development and validation of a subject-specific integrated finite element musculoskeletal model of human trunk with ergonomic and clinical applications
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Background and Objectives Biomechanical modeling of the human trunk is crucial for understanding spinal mechanics and its role in ergonomics and clinical interventions. Traditional models have been limited by only considering the passive structures of the spine in finite element (FE) models or incorporating active muscular components in multi-body musculoskeletal (MS) models with an oversimplified spine. This study aimed to develop and validate a subject-specific coupled FE-MS model of the trunk that integrates detailed representation of both the passive and active components for biomechanical simulations. Methods We constructed a parametric FE model of the trunk, incorporating a realistic muscle architecture, personalized through imaging datasets and statistical shape models. To validate the model, we compared tissue-level responses with in vitro experiments, and muscle activities and intradiscal pressures versus in vivo measurements during various physical activities. We further demonstrated the versatility of the proposed personalized integrated framework through additional applications in ergonomics (i.e., wearing an exoskeleton) and surgical interventions (e.g., nucleotomy and spinal fusion). Results The model demonstrated satisfactory agreement with experimental data, showcasing its validity to predict tissue- and disc-level responses accurately, as well as muscle activity and intradiscal pressures. When simulating ergonomics scenarios, the exoskeleton-wearing condition resulted in lower intradiscal pressures (1.9 MPa vs. 2.2 MPa at L4-L5) and peak von Mises stresses in the annulus fibrosus (2.2 MPa vs. 2.9 MPa) during forward flexion. In the context of surgical interventions, spinal fusion at L4-L5 led to increased intradiscal pressure in the adjacent upper disc (1.72 MPa vs. 1.58 MPa), whereas nucleotomy minimally influenced intact disc pressures but significantly altered facet joint loads and annulus fibrosus radial strains. Conclusions The integrated FE-MS model of the trunk represents a significant advancement in biomechanical simulations, providing insights into the intricate interplay between active and passive spinal components. Its predictive capability extends beyond that of conventional models, enabling detailed risk analysis and the simulation of varied surgical outcomes. This comprehensive tool has potential implications for the design of ergonomic interventions and the optimization of surgical techniques to minimize detrimental effects on spinal mechanics.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
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 source (Gemma direct ou Codex distillé), 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 ».