In this study the occlusion of dural-sac. the outer membrane of spinal cord in the lumbar region. was quantitatively analyzed using one motion segment finite element model. Occlusion was quantified by calculating cross sectional area change of dural-sac for different compressive impact duration (loading rate) due to bony fragment at the posterior wall of the cortical shell in vertebral body. Dural-sac was occluded most highly in the range of 8∼12 msec impact duration by the bony fragment intruding into the spinal canal. $\Delta$t = 400 msec case 4 % cross sectional area change was calculated. which is the same as the cross sectional area change under 6 kN of static compressive loading.
Kim, Cheol-Jeong;Son, Seung Min;Heo, Jin-Young;Lee, Chi-Seung
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.3
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pp.145-152
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2020
In this study, we evaluated spinal stability based on the change in the thoracolumbar fixation segment using finite element analysis (FEA). To accomplish this, a finite element (FE) model of a normal thoracolumbar spine (T10-L4), including intervertebral discs (IVD), ligaments, and facet joints, was constructed, and the material properties reported in previous studies were implemented. However, L1 was assumed as the lesion site, and three types of posterior fixation, namely, L1-L2, T12-L2, and T12-L1-L2, were implemented in the thoracolumbar FE model. In addition, the loading conditions for flexion, extension, lateral bending, and axial rotation were adopted. Through the series FEA, the deformation, equivalent stress, range of motion, and moment on the pedicle screws, vertebrae, and IVD were calculated, and the spinal stability was evaluated based on the FEA results.
The Journal of Korean Academy of Orthopedic Manual Physical Therapy
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v.13
no.2
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pp.12-20
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2007
The purpose of this study was designed to find out the effectiveness of vertebral segment instability, muscle fatigue response on lumbar spine after apply lumbosacral stabilization exercise program to 4 patients with chronic low back pain and for 12 weeks. In this study, the lumbar spine motion with blind by MedX test machine and the difference of instability to lumbar vertebra segments in flexion, extension test of standing position and spinal load test(Matthiass Test) by Spinal Mouse. The stabilization exercise program was applied 2 times a week for 12 weeks in hospital and 2 times a day for 20 minutes at home. The results of the present study were as follows: 1. Instability test of lumbar vertebra segment is 2 type differential angle test between vertebrae segment and loading test of spine(matthiass) by Spinal Mouse. It appeared to improve stability of segments in sagittal plane after applying program. So lumbar spine curve increased lordosis toward anterior and was improved of the lumbar spine flexibility in flexion and extension. Specially, in matthiass test, (-) value was increased between lumbar vertebra segment when was the load on spine. And so applying stability improved after program. 2. Fatigue response test(FRT) results, in male, was raised muscle fatigue rate during increase weight, on the other hand female appeared lower than male. As a results, lumbosacral stabilization exercise was aided to improvement of lumbar spine vertebra segments stabilization. Spine instability patients will have a risk when in lifting a load or working with slight flexion posture during the daily of living life and it is probably to increase recurrence rate. Thus, not only lumbar extension muscle strength but also stability of vertebra segments in lumbar spine may be very important.
Journal of Korean Society of Occupational and Environmental Hygiene
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v.15
no.1
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pp.61-70
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2005
This study investigated the spinal loads(L5/S1 disc compression and shear forces) predicted from four biomechanical models: one EMG model and three optimization models. Three objective functions used in the optimization models were to miminize 1) the cubed muscle forces : MF3, 2) the cubed muscle stress : MS3, 3) maximum muscle intensity : MI. Twelve healthy male subjects participated in the isometric voluntary exertion tests to six directions : flexion/extension, left/right lateral bending, clockwise/ counterclockwise twist. EMG signals were measured from ten trunk muscles and spinal loads were assessed at 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90%MVE(maximum voluntary exertion) in each direction. Three optimization models predicted lower L5/S1 disc compression forces than the EMG model, on average, by 31%(MF3), 27%(MS3), 8%(MI). Especially, in twist and extension, the differences were relatively large. Anterior-posterior shear forces predicted from optimization models were lower, on average, by 27%(MF3), 21%(MS3), 9%(MI) than by the EMG model, especially in flexion(MF3 : 45%, MS3 : 40%, MI : 35%). Lateral shear forces were predicted far less than anterior-posterior shear forces(total average = 124 N), and the optimization models predicted larger values than the EMG model on average. These results indicated that the optimization models could underestimate compression forces during twisting and extension, and anterior-posterior shear forces during flexion. Thus, future research should address the antagonistic coactivation, one major reason of the difference between optimization models and the EMG model, in the optimization models.
The purpose of this study was designed to find out the effectiveness of vertebral segment instability, muscle fatigue response on lumbar spine after apply lumbosacral stabilization exercise program to 4 patients with chronic low back pain and for 12 weeks. In this study, the lumbar spine motion with blind by MedX test machine and the difference of instability to lumbar vertebra segments in flexion, extension test of standing position and spinal load test(Matthiass Test) by Spinal Mouse. The stabilization exercise program was applied 2 times a week for 12 weeks in hospital and 2 times a day for 20 minutes at home. The results of the present study were as follows: 1. Instability test of lumbar vertebra segment is 2 type differential angle test between vertebrae segment and loading test of spine(matthiass) by Spinal Mouse. It appeared to improve stability of segments in sagittal plane after program. So lumbar spine curve increased lordosis toward anterior and was improved of the lumbar spine flexibility in flexion and extension. Specially, in matthiass test, ( - ) value was increased between lumbar vertebra segment when was the load on spine. And so stability improved after program. 2. Fatigue response test(FRT) results, in male, was raised muscle fatigue rate during increase weight, on the other hand female appeared lower than male. As a results, lumbosacral stabilization exercise was aided to improvement of lumbar spine vertebra segments stabilization. Spine instability patients will have a risk when in lifting a load or working with slight flexion posture during the daily of living life and it is probably to increase recurrence rate. Thus, not only lumbar extension muscle strength but also stability of vertebra segments in lumbar spine may be very important.
Reactive oxygen species (ROS) and nitrogen species (RNS) are both important signaling molecules involved in pain transmission in the dorsal horn of the spinal cord. Xanthine oxidase (XO) is a well-known enzyme for the generation of superoxide anions ($O_2^{\bullet-}$), while S-nitroso-N-acetyl-DL-penicillamine (SNAP) is a representative nitric oxide (NO) donor. In this study, we used patch clamp recording in spinal slices of rats to investigate the effects of $O_2^{\bullet-}$ and NO on the excitability of substantia gelatinosa (SG) neurons. We also used confocal scanning laser microscopy to measure XO- and SNAP-induced ROS and RNS production in live slices. We observed that the ROS level increased during the perfusion of xanthine and xanthine oxidase (X/XO) compound and SNAP after the loading of 2',7'-dichlorofluorescin diacetate ($H_2DCF-DA$), which is an indicator of intracellular ROS and RNS. Application of ROS donors such as X/XO, ${\beta}-nicotinamide$ adenine dinucleotide phosphate (NADPH), and 3-morpholinosydnomimine (SIN-1) induced a membrane depolarization and inward currents. SNAP, an RNS donor, also induced membrane depolarization and inward currents. X/XO-induced inward currents were significantly decreased by pretreatment with phenyl N-tert-butylnitrone (PBN; nonspecific ROS and RNS scavenger) and manganese(III) tetrakis(4-benzoic acid) porphyrin (MnTBAP; superoxide dismutase mimetics). Nitro-L-arginine methyl ester (NAME; NO scavenger) also slightly decreased X/XO-induced inward currents, suggesting that X/XO-induced responses can be involved in the generation of peroxynitrite ($ONOO^-$). Our data suggest that elevated ROS, especially $O_2^{\bullet-}$, NO and $ONOO^-$, in the spinal cord can increase the excitability of the SG neurons related to pain transmission.
The gait training strategy in very important things for central nervous system(CNS) injury patients. There are many method and strategy for regaining of the gait who had CNS injury. A human being has central pattern generator(CPG) is spinal CPG for locomotion. It is a neural network which make the cyclical patterns and rhythmical activities for walking. Sensory input from loading and hip position is essential for CPG stimulation that makes the central neural rhythm and pattern generating structure. From sensory input, the proprioceptive information facilitate proximal muscles that controlled in voluntarily from cortical level and visual and / or acoustical information facilitate distal muscles that controlled voluntarily from subcortical level. Gait training method can classify that is functional level and structural level. Functional level includ level surface gait, going up and down the stair. It is important to facilitate a guide tempo in order to activate the central pattern generators. During the functional test or functional activities, can point out the poor period in gait that have to be facilitate in structural level. There are many access methods with patient position and potentiality. The methods are using of rhythmic initiation, replication and combination of isotonic with standing position. Clinically using it on weight transfer onto the stance leg, loading response, loading response and pre-swing, terminal stance, up and downwards stairs.
The purpose of this study was to investigate the responses of the trunk muscle during expected and unexpected sudden loadings of the hands on the sagittal plane. Twenty, young healthy adults(male 10, female 10) were participated to two different loading conditions : expected and unexpected sudden loadings. Different weights were dropped in hand : 5lb, 6lb, 7lb for male, and 3lb, 4lb, 5lb for female. EMG activity of rectus abdominalis and erector spine muscle were collected. Rectus abdominalis and lumbar erector spine muscle activity significantly increased in unexpected sudden loadings than expected sudden loadings(p<.05). This results indicate that co-contraction of abdominal and back muscle contribute for dynamic spinal stability during expected or unexpected activities of daily living. Preparatory adjustments can be made which reduce the postural perturbation to sudden load and prevent low back injuries.
Ha, Sung-Kon;Kim, Se-Hoon;Kim, Daniel H.;Park, Jung-Yul;Lim, Dong-Jun;Lee, Sang-Kook
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.45
no.3
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pp.169-175
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2009
Objective : The goal of this study was to evaluate the biomechanical features of human cadaveric spines implanted with the Activ L prosthesis. Methods : Five cadaveric human lumbosacral spines (L2-S2) were tested for different motion modes, i.e. extension and flexion, right and left lateral bending and rotation. Baseline measurements of the range of motion (ROM), disc pressure (DP), and facet strain (FS) were performed in six modes of motion by applying loads up to 8 Nm, with a loading rate of 0.3 Nm/second. A constant 400 N axial follower preload was applied throughout the loading. After the Activ L was implanted at the L4-L5 disc space, measurements were repeated in the same manner. Results : The Activ L arthroplasty showed statistically significant decrease of ROM during rotation, increase of ROM during flexion and lateral bending at the operative segment and increase of ROM at the inferior segment during flexion. The DP of the superior disc of the operative site was comparable to those of intact spine and the DP of the inferior disc decreased in all motion modes, but these were not statistically significant. For FS, statistically significant decrease was detected at the operative facet during flexion and at the inferior facet during rotation. Conclusion : In vitro physiologic preload setting, the Activ L arthroplasty showed less restoration of ROM at the operative and adjacent levels as compared with intact spine. However, results of this study revealed that there are several possible theoretical useful results to reduce the incidence of adjacent segment disease.
Kim, Se-Hoon;Chang, Ung-Kyu;Chang, Jae-Chil;Chun, Kwon-Soo;Lim, T. Jesse;Kim, Daniel H.
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.46
no.2
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pp.144-151
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2009
Objective: To compare two testing protocols for evaluating range of motion (ROM) changes in the preloaded cadaveric spines implanted with a mobile core type Charite$^{TM}$ lumbar artificial disc. Methods: Using five human cadaveric lumbosacral spines (L2-S2), baseline ROMs were measured with a bending moment of 8 Nm for all motion modes (flexion/extension, lateral bending, and axial rotation) in intact spine. The ROM was tracked using a video-based motion-capturing system. After the Charite$^{TM}$ disc was implanted at the L4-L5 level, the measurement was repeated using two different methods: 1) loading up to 8 Nm with the compressive follower preload as in testing the intact spine (Load control protocol), 2) loading in displacement control until the total ROM of L2-S2 matches that when the intact spine was loaded under load control (Hybrid protocol). The comparison between the data of each protocol was performed. Results: The ROMs of the L4-L5 arthroplasty level were increased in all test modalities (p < 0.05 in bending and rotation) under both load and hybrid protocols. At the adjacent segments, the ROMs were increased in all modes except flexion under load control protocol. Under hybrid protocol, the adjacent segments demonstrated decreased ROMs in all modalities except extension at the inferior segment. Statistical significance between load and hybrid protocols was observed during bending and rotation at the operative and adjacent levels (p< 0.05). Conclusion: In hybrid protocol, the Charite$^{TM}$ disc provided a relatively better restoration of ROM, than in the load control protocol, reproducing clinical observations in terms of motion following surgery.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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