L'effet des charges externes sur la biomécanique et la stabilité de la colonne vertébrale en posture debout

Les lésions et les douleurs vertébrales sont parmi les troubles musculo-squelettiques qui touchent l‘ensemble du tronc et notamment les muscles, les disques intervertébraux, les ligaments, les nerfs et les tendons. En conséquence, ces atteintes posent un problème de santé majeur et peuvent conduire à des incapacités physiques et à une augmentation de taux d‘absentéisme élevé en particulier chez la population active en milieu de travail. Ces atteintes représentent alors un défi économique et social non seulement pour les personnes affectées, mais aussi pour toute la société. L‘agent causal le plus rapporté dans la littérature est l‘effort excessif effectué lors des travaux de manutention, qui se traduit par de plus grandes forces sur les différentes structures actives (muscles) et passives (disques, ligaments) de la colonne vertébrale. La manutention d‘une charge excessive est l‘une des principales hypothèses, sur laquelle reposent plusieurs recherches pour donner plus d‘explications sur la cause des lésions vertébrales. En l‘absence de mesures directes de la réponse neuromusculaire et du chargement spinal lors des efforts de manutention, les modèles de la colonne vertébrale sont considérés comme un outil fiable et non-invasif pour étudier les cas critiques lors des travaux de manutention. Ces modèles constituent donc un axe fondamental de recherche pour mettre au point des programmes efficaces de réadaptation et de prévention des affections vertébrales. Dans la littérature, il existe plusieurs équations prédictives permettant d‘estimer de manière simple les forces de compression et de cisaillement agissant sur les centres articulaires lombaires lors des tâches de manutention. Ces équations ont été développées en ayant recours à des modèles biomécaniques, des méthodes d‘optimisation, des études expérimentales d‘électromyographie (EMG) et de la cinématique. Cependant, certains paramètres qui influencent les structures vertébrales active et passive, tel que la rotation pelvienne, la rotation lombaire, la courbure lombaire, la taille de la colonne, les postures asymétriques, etc., ont souvent été négligés. L‘objectif principal de cette étude était d‘évaluer l‘influence de varier la grandeur, la position et l‘orientation d‘une charge externe sur les forces musculaires et les charges internes de la colonne vertébrale lorsque le moment net externe demeure identique à L5-S1. Ainsi, une étude expérimentale d‘EMG et de la cinématique combinée à une deuxième étude de modélisation de la colonne vertébrale a été réalisée pour atteindre cet objectif.

Abstract

Spinal injuries and degeneration are among musculoskeletal disorders (MSDs) which affect especially the muscles, intervertebral discs, facet joints, ligaments, nerves and tendons. The most reported causative agent is lifting and handling of excessive loads in the workplace, during sports or recreational activities. These activities often involve large muscle forces, awkward postures and excessive internal spinal loads that lead to an increase in the risk of back injuries. An accurate assessment of muscle forces and internal loads in the lumbar region under various activities is the focus of research in biomechanics of spine aiming to develop effective treatment, rehabilitation and prevention programs for back injuries. To assist ergonomists and workplace professionals in their decision-making, predictive equations have been developed to predict compressive and shear forces at lumbar joints (L1-S1) during manual lifting tasks. They have been based on musculoskeletal biomechanical models, optimization, regression, electromyography (EMG), kinematics and anthropometric data. However, some important biomechanical parameters that influence the biomechanical behaviors the spine have been neglected. The driving force behind the current study is that trunk muscle activity (EMG), muscle forces and loads at different spinal levels are likely dependent not only on the moments of external loads, but also on the orientation and height of the external loads. Despite similar posture and identical external net moment (at the L5-S1 disc center), changes in magnitude, elevation and direction of applied force vectors could alter the absolute and relative magnitudes of compression, shear and moment loads at different spinal levels with likely consequences on the neuromuscular response. This study has the specific objectives:  to introduce a novel coupled optimization algorithm in kinematics-driven model to estimate both agonist antagonist muscle forces and to identify the role of abdominal muscles in simulating the earlier measurements in upright standing while lifting symmetrically a weight at different heights,  to further investigate neuromuscular response in vivo and by our kinematics-driven model during maximum isometric flexion and extension tasks,  To evaluate in vivo the effect of changes in orientation, position and amplitude of external loads on trunk muscle activity (EMG) and kinematics of 12 subjects in upright standing and under identical moments at the L5-S1, and finally