Background:​ The incidence of low back pain cases in adults is on the rise, and one potential reason for this is the instability and lack of support in the spine. The intra-abdominal pressure, in conjunction with the elastic and viscoelastic characteristics of the abdomen, plays a vital role in providing support to the spine. However, the current techniques for measuring these properties have limitations, such as being invasive, unreliable, expensive, or not widely accepted by the clinical community.

Objectives:​ The objective of this research is to validate a novel suction device that is non-invasive, reliable, and easy to use as a supportive biomedical tool for the measurements of internal pressure and elastic modulus at various strain rates. There are three tasks to achieve this objective. First, to refine fundamental aspects, including the theory of mechanics of biological materials, to better reflect tissue elastic and viscoelastic constitutive properties. Second, to refine, optimize the design and manufacture the novel suction device. Third, to make controlled experiments for determining reliability and sensitivity of the device.

Methods:​ For this study, fifteen measurements per strain rate were performed on phantom materials using a physiologically representative abdominal benchtop model. The elastic modulus and internal pressure measured by the device were calculated using the extended Hencky solution, Hooke’s law, and Lame’s equations. The validation involved performing tensile tests and measuring the internal pressure directly.

Results:​ The intra-rater reliability was between poor to excellent (ICC = 0.74), and the one-way repeated measures ANOVA and the post hoc Tukey’s HSD test indicated a significant effect of strain rate on the elastic modulus at the p < 0.05 level for the low, medium, and high-speed levels [F(2, 28) = 78.60, p = 0.001].

Conclusions:​ Based on the study, the developed device can detect the viscoelastic behavior of soft tissue-mimicking phantoms at varying strain rates by inducing tissue deformation and computing the modulus and underlying pressure using first principles. The results showed an increase in modulus with an increase in strain velocity, and the device was able to estimate modulus and pressure values within biological ranges. The device’s potential applications include determining the boundaries between healthy and unhealthy tissues, identifying pathological conditions, tracking tissue healing process, and enhancing rehabilitation for patients with back pain.

Contexte:​ L’incidence de la lombalgie chez les adultes est en croissance, et l'une des raisons potentielles est l’instabilité et le manque de soutien de la colonne vertébrale. La pression intra-abdominale, associée aux caractéristiques élastiques et viscoélastiques de l'abdomen, joue un rôle essentiel dans le soutien de la colonne vertébrale. Cependant, les techniques actuelles pour mesurer ces propriétés sont limitées, car elles sont invasives, peu fiables, coûteuses, et ne sont pas largement acceptées par la communauté clinique.

Objectifs:​ L’objectif de cette recherche est de valider un nouveau dispositif d’aspiration non invasif, fiable et facile à utiliser, en tant qu’outil biomédical pour mesurer la pression interne et le module d’élasticité à différentes vitesses de déformation. Trois tâches sont nécessaires pour atteindre cet objectif. En premier lieu, l’optimisation de la théorie de la mécanique appliquée aux matériaux biologiques, afin de mieux représenter les propriétés viscoélastiques des tissus humain. Ensuite, la conception et l’optimisation d’un nouveau dispositif d’aspiration et sa fabrication. Enfin, la réalisation d’expériences contrôlées pour déterminer la fiabilité et la sensibilité du dispositif.

Méthodes:​ Pour cette étude, quinze mesures par vitesse de déformation ont été effectuées sur un banc d’essai en utilisant des matériaux fantômes représentant le tissu biologique abdominal. Le module d’élasticité et la pression interne mesurés par l’appareil ont été calculés à l’aide de la solution de Hencky étendue, de la loi de Hooke et des équations de Lame. La validation a consisté à effectuer des essais de traction et à mesurer directement la pression interne.

Résultats:​ La fiabilité moyenne intra-évaluateur était faible à excellente (ICC = 0,74), et l’ANOVA à mesures répétées à sens unique ainsi que le test HSD post hoc de Tukey ont indiqué un effet significatif de la vitesse de déformation sur le module élastique avec une valeur p < 0,05 pour les vitesses faibles, moyennes et élevées [F (2, 28) = 78,60, p = 0,001].

Conclusions:​ L’étude a confirmé que l’appareil développé peut détecter le comportement viscoélastique des fantômes imitant les tissus mous à des taux de déformation variables suite à une déformation des tissus en calculant le module d’élasticité et la pression sousjacente à l’aide des premiers principes. Les résultats ont montré une augmentation du module d’élasticité suite à une augmentation de la vitesse de déformation. L’appareil a également été capable d’estimer le module d’élasticité et les valeurs de pression intraabdominale dans des intervalles biologiques. L’appareil pourrait être utilisé dans l’identification de tissus sains et malsains, ainsi que certaines conditions pathologiques, dans le suivi du processus de guérison des tissus et pour l’amélioration du suivi en réadaptation de patients souffrant de lombalgie.