La douleur dorsale est un fardeau socio-economique significatif pour notre societe vieillissante. La gestion efficace des troubles du dos depend de 1'evaluation fiable du comportement mecanique du tronc (c.-a-d. charges sur la colonne vertebrale, forces des muscles, deformation/contrainte dans les composants passifs et actifs du tronc, et la stabilite du systeme) dans diverses activites professionnelles et recreationnelles. Les difficultes techniques et les considerations ethiques associees avec les methodes de mesures invasives ainsi que des limitations dans les methodes de mesures indirectes font des modeles biomecaniques un outil indispensable pour 1'evaluation de la biomecanique du tronc. Les modeles biomecaniques existants de la colonne ont neglige ou trop simplifie la resistance passive non lineaire, la geometrie/chargement/dynamique complexe de la colonne, les conditions d'equilibre dans tous les niveaux et les directions spinales, et la trajectoire courbee des muscles d'extenseur.

Dans cette etude, une approche iterative basee sur la cinematique a ete developpee pour alleger les limitations dans les modeles biomecaniques anterieurs. Des donnees des mesures cinematiques ont ete introduit dans un modele non lineaire d'elements finis et des equations du mouvement ont ete numeriquement resolues pour calculer la reponse dans le temps sujet d'un chargement de la gravite et de l'inertie. De cette maniere, l'equilibre satisfait a tous les niveaux et directions de la colonne ainsi que les forces calculees des muscles, les charges sur la colonne, et la stabilite du systeme etaient entierement en accord avec la cinematique prescrite et les proprietes non lineaires passives. La methode a ete utilisee pour evaluer l'effet sur la biodynamique du tronc de certaines conditions de charge et parametres mecaniques tels que les differentes techniques de levage (c.-a-d. penche et accroupie), vitesse du mouvement du tronc (vitesses lentes, moyennes et rapides), la vibration du corps entier et le choc, la trajectoire courbee des muscles globaux d'extenseur, les activites antagoniques des muscles du tronc, les changements des postures, la co-activite abdominale et les changements des proprietes passives de la colonne et des fesses.

Notre recherche sur la biodynamique du tronc sous differentes techniques de levage a prouve que les moments totaux, les forces des muscles, les forces passives (muscles ou ligaments) et les forces internes de compression/cisaillement etaient plus grandes pour la technique du levage penchee que celle accroupie. Pour la tache du levage relativement lent performee dans cette etude avec les phases de flexion et extension chaque ~2s de duree, l'effet de l'inertie et de l'amortissement n'etaient pas generalement important. En plus, le changement de position de la charge externe du levage penchee atteignant le meme bras du levier (par rapport a SI) que celui du levage accroupi n'a pas influence les conclusions de cette etude sur la suprematie des levages accroupis vis a vis de celui penche. Ayant comme consequence, pour les taches considerees, les resultats recommandent le levage accroupi que celui penche comme technique de choix en reduisant les moments totaux, les forces des muscles et les charges internes de la colonne. Les changements des proprietes passives de la colonne ont sensiblement influence les forces des muscles, les charges vertebrales et la stabilite du systeme dans les deux techniques de levage, mais bien plus dans la posture penchee que celle accroupie. La stabilite de la colonne s'est nettement amelioree avec les grandes proprietes passives, la flexion du tronc et les charges externes. La simulation des muscles globaux d'extenseur courbe a considerablement diminuee les charges vertebrales et amelioree la stabilite du systeme au cours des taches que celle avec des muscles droits.

Les charges de la colonne et les forces musculaires estimees pendant les mouvements libres de la flexion-extension aux vitesses variables etaient sensiblement plus grandes dans le cas le plus rapide que celui le plus lent indiquant ainsi l'effet des forces d'inertie. La stabilite de la colonne a ete amelioree dans de plus grands angles de flexion du tronc et le cas du mouvement le plus rapide. La relaxation partielle ou complete des muscles globaux d'extenseur s'est produite seulement pendant le mouvement le plus lent. Quelques muscles lombaires locaux, particulierement dans les sujets avec une plus grande flexion lombaire et a des rythmes plus lents, ont egalement demontre la relaxation en flexion. Les resultats ont confirme le role crucial de la vitesse du mouvement sur la biomecanique de la colonne. Les predictions ont egalement demontre le role important de 1'amplitude de la rotation lombaire maximale et de sa variation temporelle sur la reponse.

Notre etude de la reponse humaine a une vibration du corps entier a montre que, l'excitation de l'input a la base, par 1'intermediate des forces d'inertie et des muscles, a sensiblement influenced les charges de la colonne et la stabilite du systeme. La posture flechie d'un sujet assis a augmente le moment total, les forces des muscles et les charges passives de la colonne tout en ameliorant la stabilite du tronc. D'une fa§on similaire, F introduction du bas a moderer la co-activite antagonique dans les muscles abdominaux a augmente les charges passives de la colonne et a ameliore sa stabilite. Un compromis, par consequent, existe entre les petites forces des muscles et les charges de la colonne d'une part et la colonne la plus stable d'autre part. Les excitations a la base avec une plus grande acceleration augmentent sensiblement les forces des muscles/charges de la colonne et, par consequent, le risque de blessures.

Les predictions etaient en concordance bien qu'aux forces de reaction a la base et qu'aux accelerations mesurees a differents niveaux de la colonne. En outre, 1'accord qualitatif avec l'activite enregistree d'electromyographie a differents muscles superficiels a ete egalement trouve. L'approche dynamique basee sur la cinematique a ete demontree afin de rapporter des donnees fiables sous diverses taches. De telles donnees sont cruciales pour la prevention et le traitement efficaces des maux de la colonne. Les futures applications de l'approche basee sur la cinematique pour l'etude des manutentions avec la torsion et la flexion lateral du tronc, la vibration du corps entier avec une plus grande acceleration mettent certainement beaucoup de lumieres sur la biodynamique du tronc dans des circonstances a haut risque de la lesion dorsale. En outre, le developpement et l'integration d'un modele d'elements finis non lineaire de la colonne cervicale au modele courant fourniraient un meilleur terrain pour la future recherche sur la biodynamique de la colonne humaine.

Back pain is a significant socioeconomic burden on our aging society. Effective management of back disorders depends on reliable estimation of trunk mechanical behaviour (i.e. spinal loads, muscle forces, stress/strain in passive and active trunk components, and spinal stability) in various occupational and recreational activities. Practical difficulties and ethical considerations associated with invasive direct and indirect measurement methods along with limitations in indirect measurement methods leave biomechanical models as the indispensable tool for assessment of the trunk biomechanics. Existing biomechanical models of the spine have either neglected or oversimplified the nonlinear passive resistance, complex geometry/loading/dynamics of the spine, equilibrium requirements in all spinal levels and directions, and the wrapping of extensor muscles.

In the present study, an iterative dynamic kinematics-based method was developed to alleviate limitations in earlier biomechanical models. Measured kinematics data were input into a nonlinear finite element model and differential equations of motion were numerically solved to calculate required joint moments and forces, subject to gravitational and inertial loading. In this manner, while satisfying equilibrium at all spinal levels and direction, calculated muscle forces, spinal loads, and system stability were in full accordance with prescribed kinematics and nonlinear passive properties. The method was employed to evaluate the effect on trunk biodynamic of some loading conditions and mechanical parameters such as different lifting techniques (i.e. stoop and squat), velocity of trunk movement (slow, medium and fast velocities), whole body vibration and shock, wrapping of global extensor muscles, antagonistic trunk muscle activities, changes in posture, abdominal co-activity and alterations in passive properties of the spine and buttocks.

Our investigation on trunk biomechanics under different lifting techniques showed that net moments, muscle forces, passive (muscle or ligamentous) forces and internal compression/shear forces were larger in stoop lifts than in squat ones. For the relatively slow lifting tasks performed in this study with the lowering and lifting phases each lasting ~2s, the effect of inertia and damping was not, in general, important. Moreover, posterior shift in the position of the external load in stoop lift reaching the same lever arm with respect to the SI as that in squat lift did not influence the conclusions of this study on the merits of squat lifts over stoop ones. Results, for the tasks considered, advocate squat lifting over stoop lifting as the technique of choice in reducing net moments, muscle forces and internal spinal loads (i.e., moment, compression and shear force). Alterations in passive properties of spine substantially influenced muscle forces, spinal loads and system stability in both lifting techniques, though more so in stoop than in squat. Stability of spine substantially improved with greater passive properties, trunk flexion and load. Simulation of global extensor muscles with curved rather than straight courses considerably diminished loads on spine and increased stability throughout the task.

Estimated spinal loads and muscle forces during free flexion-extension movements were significantly larger in fastest pace as compared to slower ones indicating the effect of inertial forces. Spinal stability was improved in larger trunk flexion angles and fastest movement. Partial or full flexion relaxation of global extensor muscles occurred only in slower movements. Some local lumbar muscles, especially in subjects with larger lumbar flexion and at slower paces, also demonstrated flexion relaxation. Results confirmed the crucial role of movement velocity on spinal biomechanics. Predictions also demonstrated the important role on response of the magnitude of peak lumbar rotation and its temporal variation.

Finally, our study of human response to a whole body vibration showed that, the input base excitation, via inertial and muscle forces, substantially influenced spinal loads and system stability. The flexed posture in sitting increased the net moment, muscle forces and passive spinal loads while improving the trunk stability. Similarly, the introduction of low to moderate antagonistic coactivity in abdominal muscles increased the passive spinal loads and improved the spinal stability. A trade-off, hence, exists between lower muscle forces and spinal loads on one hand and more stable spine on the other. Base excitations with larger acceleration contents substantially increase muscle forces/spinal loads and, hence, the risk of injury.

Predictions agreed well with measured base reaction forces and accelerations at different spinal levels. Moreover, qualitative agreement with recoded electromyography activity at different superficial muscles was also found. The kinematics-based approach was demonstrated to yield reliable data under various occupational tasks. Such data are crucial for effective prevention and treatment of spinal disorders. Future applications of kinematics-based approach to investigate manual material handling task with twisting and lateral bending of the trunk, whole body vibration with much larger acceleration contents will certainly shed light on the biomechanics of the trunk under circumstances with high risk of back injury. Moreover, development and integration of a nonlinear finite element model of the cervical spine to the current model would provide a better ground for future investigation on the biodynamic of the human spine.