Subject-Specific Computational Musculoskeletal Modeling of Human Trunk in Lifting : Role of Age, Sex, Body Weight and Body Height

Les troubles musculosquelettiques sont parmi les problèmes de santé les plus fréquents et les plus coûteux au monde. Les maux de dos figurent en deuxième position sur la liste des états chroniques les plus répandus au Canada et quatre adultes sur cinq souffriront de lombalgie un jour ou l'autre de leur vie. Les efforts excessifs sur la colonne vertébrale constituent l'un des facteurs de risque potentiels de lombalgie et peuvent initier ou générer de la douleur et de la dégénérescence des disques. À cet effet, plusieurs études s'accordent pour affirmer qu'une estimation juste des charges vertébrales est utile pour une prévention efficace des blessures et pour des programmes de réadaptation appropriés. Toutefois, il n'existe pas de méthodes directes pour mesurer les charges vertébrales et de plus, toutes les méthodes indirectes (comme la mesure de la pression intradiscale – PID – et l'estimation au moyen de prothèse discale instrumentée) sont invasives et limitées. Les modèles musculosquelettiques (MS) offrent toutefois une alternative intéressante en estimant de manière non invasive, économique et précise les forces musculaires, les charges vertébrales ainsi que la stabilité de la colonne vertébrale en tenant compte des différences individuelles. Dans cette thèse, un modèle MS du tronc par éléments finis (EF) guidé par la cinématique a été mis à niveau. L'architecture des origines et insertions musculaires a été améliorée, une unité vertébrale comprenant un disque déformable a été ajoutée (T11-T12) et un nouvel algorithme de mise à l'échelle a été introduit afin d'explorer les effets du sexe, de l'âge, du poids et de la taille sur la biomécanique et les charges appliquées sur la colonne vertébrale. Au moyen de données issues d'imageries médicales et à partir de principes biomécaniques, l'algorithme de mise à l'échelle a permis d'ajuster l'architecture musculaire (les bras de levier des muscles et les aires transverses), la géométrie et les propriétés passives ligamentaires de la colonne vertébrale ainsi que la charge gravitationnelle, le tout en fonction du sexe, de l'âge, du poids et de la taille. Une analyse de sensibilité a été effectuée au moyen d'une analyse factorielle multiple. Les données d'entrées du modèle (sexe, âge, poids et taille) ont été modifiées à l'intérieur de plages physiologiques (sexe : femme et homme ; âge : 35 à 60 ans ; poids : 50 à 120 kg ; taille : 150 à 190 cm) tandis que le modèle personnalisé par EF était guidé par une cinématique spécifique à l'âge et au sexe lors de différentes tâches de flexion avant avec ou sans charges manuelles. Des graphiques illustrant les effets principaux et des analyses de variance ont été utilisés pour évaluer les effets des données d'entrées sur le chargement au dos. Le poids du corps a été le facteur le plus influent, en expliquant 99 % du chargement lombaire en compression et 96 % de celui en cisaillement, alors que les effets de la taille, du sexe et de l'âge (<5 %) étaient minimes. Aussi, pour des poids et des tailles similaires aux hommes, les femmes supportaient généralement des charges plus importantes au dos (5 % en compression, 9 % en cisaillement) La prévalence de l'obésité, dont l'indice de masse corporelle (IMC) dépasse les 30 kg/m2, est en croissance constante dans les pays développés comme dans les pays en voie de développement et a atteint un seuil critique « d'épidémie mondiale ». Bien que l'obésité soit associée à plusieurs problèmes au dos (ex. : dégénération discale, fractures vertébrales, maux de dos), le rôle de la biomécanique dans les problèmes liés à l'obésité demeure inconnu. La distribution du tissu adipeux varie considérablement d'un individu obèse à un autre, et ce, même dans les cas d'IMC et de poids identiques. On retrouve différentes formes d'obésité, dont celle « en pomme » et celle « en poire » (androïde et gynoïde respectivement). Le rôle de l'obésité et des formes d'obésité sur les charges supportées par la colonne vertébrale et sur les fractures de compression vertébrale a été étudié à l'aide du modèle personnalisé mis à jour. Trois formes distinctes d'obésité (correspondant à une taille de circonférence minimale, moyenne et maximale) pour un poids et un IMC identiques ont été simulées au moyen de mensurations anthropométriques obtenues à partir de 5852 individus obèses et d'une analyse par composantes principales. L'obésité a des conséquences significatives sur le chargement lombaire : la compression sur L4-L5 a bondi de 16 % (2820 N vs 3350 N) pour une flexion avant sans charges lorsque l'IMC a augmenté de 31 kg/m2 à 39 kg/m2. Dans une comparaison entre une taille de circonférence minimale (obésité en forme de poire) et celle d'une circonférence maximale (obésité en forme de pomme), le chargement lombaire a subi une augmentation similaire à celle d'ajouter 20 kg de poids supplémentaire, ainsi qu'un risque de fracture de fatigue vertébrale sept fois plus élevé. En somme, l'obésité et les formes d'obésité ont une influence considérable sur la biomécanique de la colonne vertébrale, et donc, devraient être prises en compte lors d'une modélisation spécifique aux sujets. En plus de servir à l'évaluation de la force maximale du tronc et à la normalisation de l'électromyographie (EMG), les contractions musculaires volontaires maximales (CVM) peuvent être utilisées pour calibrer et valider les modèles MS. La performance du modèle MS personnalisé a été étudiée en comparant les activités musculaires estimées avec les EMG durant diverses tâches de CVM. Le stress musculaire maximal des muscles du tronc a également été calculé pour chaque sujet. Ce dernier a varié considérablement entre différents sujets et groupes musculaires. Le muscle grand droit et le muscle oblique externe de l'abdomen ont eu, respectivement, le plus petite (0,40 ±0,22 MPa) et la plus grande valeur (0,99 ±0,29 MPa) de stress musculaire maximal parmi les groupes de muscles. Pour les CVM en flexion et en extension, les activités musculaires estimées correspondaient adéquatement avec les EMG. Cependant, cette correspondance était faible pour les CVM en flexion latérale et rotations axiales. Le chargement lombaire des femmes était en général plus faible que celui des hommes. Les charges vertébrales maximales lors des CVM ont été obtenues lors des efforts en extension (compression d'environ 6000 N à L5-S1) tandis que les plus faibles ont été enregistrées en flexion avant (compression d'environ 3000 N à L5-S1) ; les participants ont subi des chargements lombaires assez importants durant des CVM en flexion latérale et rotation axiale. (5500 N en compression et 1700 N en cisaillement). La prédiction exacte du stress musculaire maximal et l'évaluation complète de la performance d'un modèle MS nécessitent la prise en compte des tâches de CVM dans toutes les directions et l'application des moments dans les plans principaux et couplés du modèle. Une simulation adéquate des ligaments passifs de la colonne vertébrale, l'une des composantes majeures d'un modèle MS du tronc, est d'une importance capitale. Les modèles détaillés d'EF peuvent capturer avec précision les réactions non linéaires et temporelles de la colonne vertébrale. Toutefois, en raison des coûts de calcul importants des modèles détaillés d'éléments finis, des modèles simplifiés (c.-à-d. à partir de joints sphériques et de poutres ayant des propriétés passives linéaires ou non linéaires) sont couramment utilisés dans les principaux modèles MS. Par conséquent, la précision et la validité de l'utilisation de modèles simplifiés et de leur positionnement antéro-postérieur dans l'estimation de la cinématique de la colonne vertébrale ligamentaire, des forces musculaires et des charges spinales ont été étudiées. Contrairement aux poutres, les articulations de type sphérique négligeaient les degrés de liberté en translation et n'ont pas réussi à prédire la cinématique de la colonne lombaire avec précision, surtout dans la direction craniocaudale. Les poutres et les joints sphériques non linéaires ont prédit de manière satisfaisante la PID en comparaison avec les mesures in vivo d'activités physiques variées. En revanche, l'utilisation des poutres ou des joints sphériques aux propriétés linéaires passives n'a donné que des résultats valides que pour des angles de flexion d'amplitude faible ou modérée (<40 o). En négligeant les propriétés passives des articulations (joints sphériques sans frottement), on a considérablement augmenté le chargement lombaire en compression et en cisaillement, de 32 % et 63 % respectivement. Le déplacement postérieur (de 8 mm) d'une articulation simplifiée a augmenté les charges lombaires (en compression et en cisaillement) d'environ 20 %, tandis qu'un déplacement vers l'avant (2 mm) a diminué de 10 % la compression et de 18 % la force de cisaillement. De plus, un déplacement postérieur du modèle simplifié a réduit la force passive des muscles agonistes, et ce, tout en augmentant leurs composantes actives. Les modèles d'articulation simplifiés avec des propriétés passives non linéaires devraient se situer entre -2 à +4 mm (+ : postérieur) du centre du disque pour des prédictions justes des forces sur la colonne vertébrale et des forces musculaires actives/passives. L'obtention de résultats valides à l'aide des modèles MS exige des moyens considérables comme une collecte complète de données (ex. : cinématiques, EMG), un laboratoire bien équipé et une formation suffisante. Par ailleurs, des équations de régression faciles à utiliser ont précédemment été mises au point pour estimer le chargement lombaire. Cependant, ces équations ne tiennent pas compte de l'anthropométrie des participants (ex. : poids et taille) fondée sur une approche physiologique, et elles négligent souvent l'asymétrie de la tâche. Dans cette partie de l'étude, des équations de régression spécifiques aux sujets ont été développées pour prédire le chargement lombaire (à L4-L5 et L5-S1) en utilisant un modèle d'EF guidé par la cinématique. L'exactitude de ce modèle et des équations de régression ont été évaluées en comparant les activités musculaires estimées par le modèle avec ceux obtenus au moyen de l'EMG et des PDI calculées avec ceux de la littérature existante. Les valeurs estimées de la PDI spécifiques aux sujets présentaient des corrélations élevées avec les résultats d'études in vivo lors de tâches symétriques et asymétriques (R2=0.82). Dans le cas des tâches symétriques, les estimations d'activité musculaire étaient raisonnablement comparables avec les résultats d'EMG. Toutefois, dans les tâches asymétriques, les estimations étaient moyennement (muscles du dos) ou faiblement (muscles de l'abdomen) en accord avec les EMG. En somme, les équations de régression développées peuvent être utilisées dans le but d'estimer le chargement lombaire dans des tâches de levage symétriques et asymétriques. Ces équations personnalisées pourraient servir à l'évaluation des risques de blessure au dos lors d'activités de manutention. En résumé, un modèle MS d'EF guidé par la cinématique, mis à jour par une architecture musculaire améliorée, un disque déformable additionnel (T11-T12) et un nouvel algorithme de mise à l'échelle a été utilisé pour examiner la biomécanique personnalisée de la colonne vertébrale. En personnalisant tous les paramètres du modèle MS (les bras de levier des muscles, les aires transverses musculaires, le chargement gravitationnel, la géométrie de la colonne, les propriétés passives et la cinématique de la colonne vertébrale), et en effectuant une analyse de sensibilité sur les données d'entrées du modèle (sexe, âge, taille et poids), il a été démontré que le poids d'une personne influence nettement les forces de chargement subies par la colonne vertébrale, alors que l'influence des autres facteurs était plutôt faible. Deux formes distinctes d'obésité ont été reconstituées à partir d'un ensemble de données anthropométriques disponibles dans la littérature. Les résultats ont établi que l'obésité et les formes d'obésité (formes en pomme ou en poire) affectent, toutes les deux, les forces sur la colonne vertébrale ainsi que le risque de fracture de fatigue vertébrale. Lors de tâches de CVM (en extension, en flexion, en flexion latérale et en rotation axiale), les grandeurs du stress musculaire variaient substantiellement parmi les sujets et différents groupes musculaires. Dans le cas des CVM en flexion et en extension, les valeurs prédites d'activité musculaire par le modèle personnalisé étaient près des EMG enregistrés, alors que les prédictions concernant les CVM en rotation axiale et en flexion latérale n'avaient pas la même exactitude. Des poutres et des joints sphériques ayant des propriétés non linéaires (d'une position variant de -2 à +4 mm [+ : postérieur] du centre des disques) prédisait avec exactitudes les cinématiques de la colonne vertébrale, le chargement lombaire et les activités musculaires. Par contre, les modèles articulaires qui avaient des propriétés linéaires ou qui n'avaient pas de degrés de liberté en translation détérioraient l'exactitude des prédictions. Enfin, des équations de régression faciles à utiliser ont été mises au point dans le but de prédire les forces de compression et de cisaillement subies par la colonne vertébrale (aux niveaux L4-L5 et L5-S1) lors de tâches symétriques et asymétriques. Les équations personnalisées ont correctement estimé les valeurs de PID en comparant les valeurs calculées avec les résultats mesurés in vivo retrouvés dans la littérature. Lors de plusieurs tâches symétriques et asymétriques, les valeurs estimées des activités musculaires étaient moyennement (pour les muscles du dos) à faiblement (pour les muscles abdominaux) comparables avec les EMG enregistrés des participants. Par conséquent, les équations de régression proposées peuvent être utilisées pour évaluer les risques de blessures lors d'activités de manutention.