Biomechanical Response of Trunk Under Perturbations and in Challenged Seated Balance

Les maux de dos sont reconnus comme un problème de santé répandu et ayant un grand impact socio-économique. Des programmes de prévention, de réadaptation et de traitement devraient être fondés sur une bonne compréhension des fonctions neuro-biomécaniques de la colonne vertébrale dans des conditions normales et de blessure. En raison de difficultés techniques, de coûts excessifs et des enjeux éthiques aux mesures in vivo et in vitro, la modélisation biomécanique a été reconnue comme un outil complémentaire et puissant à cet égard. Une perturbation du tronc qui peut se produire lors du chargement/déchargement soudain ou le déplacement rapide du tronc (ex. chutes et glissades) a été identifié comme un facteur de risque de mal de dos. Les effets d'inertie ainsi que les grandes réponses réflexives des muscles ont le potentiel de générer des charges vertébrales excessives qui peuvent causer des blessures à la colonne vertébrale. En effet, le risque de blessure augmente dans les cas ayant une faible marge de stabilité ou une réponse réflexive neuromusculaire altérée. La rigidité intrinsèque des tissus passifs et des muscles préactivés ainsi que les réponses réflexives de ces muscles permettraient d'améliorer la stabilité et l'équilibre du tronc. Les charges produisant la perturbation, les conditions préexistantes ainsi qu'un dysfonctionnement dans le contrôle des rigidités intrinsèques et réflexives influencent les forces musculaires et les charges imposées sur la colonne vertébrale. L'équilibre postural du tronc en position assise instable a été suggérée autant en réadaptation que pour l'étude des mécanismes de contrôle neuromusculaire de la colonne vertébrale. L'avantage de cette tâche ou exercice pour l'étude de la stabilité de la colonne vertébrale est qu'elle permet d'éliminer l'apport des membres sur le contrôle de la colonne vertébrale en positon assise. En d'autres mots, seul le mouvement de la colonne lombaire permet de rétablir l'équilibre, ce qui en fait une tâche très spécifique. Puisque les réponses réflexes des muscles sont essentielles au contrôle de la colonne vertébrale, un contrôle altéré en raison de la douleur ou d'un dysfonctionnement neuromusculaire peut causer de plus grandes forces réflexives et charges sur la colonne vertébrale qui peuvent augmenter le risque de blessure. Il est important d'estimer les charges sur la colonne vertébrale afin d'évaluer la sécurité relative de cette tâche autant chez des sujets sains que chez des sujets lombalgiques.

Abstract

Back pain is known as a prevalent health crisis with large socioeconomic impact on societies. Effective prevention, rehabilitation and treatment programs should be founded on solid understanding of the spine functional neuro-biomechanics in normal and injured conditions. Due to technical difficulties, excessive cost and ethical concerns with in vivo and in vitro measurements, in silico biomechanical modeling has been recognized as a complementary and powerful tool in this respect. Trunk perturbation that may happen in sudden loading/unloading or rapid displacement of trunk (during falls and slips for example) has been found as a risk factor for back pain. Inertial effects as well as large reflexive response of muscles could generate excessive spinal loads that may cause back pain or spinal injuries. The risk of injury further increases in cases with low margin of stability or impaired neuromuscular reflex response. Intrinsic stiffness of passive tissues and active muscles along with muscles reflexive responses have been suggested as the mechanisms that enhance stability and balance of the trunk. Perturbation load, pre-perturbation conditions as well as dysfunction in any of active-passive mechanisms alter their contributions in balance control and as a result influence muscle forces and spinal loads. The risk of pain and injury likely increases as well. Challenged sitting has been suggested as an approach for therapeutic applications as well as investigation of the neuromuscular control mechanisms of spine. The advantage of this method in studying spine stability is in eliminating the effect of lower extremities that are fixed to the seat on the control of the spine in seated subjects. Since muscle reflex responses are essential in control of the trunk, impaired control due to pain or neural dysfunction cause larger reflexive forces and spinal loads that may increase the risk of injury and pain. It is important to estimate the spinal loads in order to assess the relative safety of a task for both healthy and chronic low back pain (CLBP) groups. Three objectives are set in this study. The first one is to determine the effect of pre-perturbation conditions and perturbation load magnitude on the spine biodynamics response subject to sudden loads.