Les désordres de la colonne vertébrale humaine sont la source majeure des malaises des travailleurs et ont un impact socio-économique important DÙ. aux changements dans le style de vie et l'environnement de travail, de nouvelles tendances de traumatismes du rachis apparaissent. Ces désordres sont souvent la consdquence de postures prolongées, en absence de chargements externes. plutôt que de la manutention de charges lourdes. La venue de causes cumulatives d'endommagement de la colonne vertkbrale ndcessite le développement d'approches nouvelles. L'approche proposée dans cette étude combine les deux parties de colonne vertébrale humaine:​ la colorne vertdbrale ostéoligamentaire et les muscles rachidiens . Un algorithme de contrôle décrit l'interaction entre ces dew parties. L'analyse du rachis ostéoligarnentaire est effecnik par un module passif, basé sur le logiciel d'analyse structurale ABAQUS. Le module actif analysant les activations des muscles est construit à l'aide d'un assemblage de routines de FORTRAN et de C qui exécutent la transformation géométrique et L'optimisation.

Dans le modèle proposé pour la posture neutre, la rigidité des segments verttbraw reste linéaire. Par conséquent, le comportement des disques est simulé pu des poutres. Le tronc, renforce par la cage thoracique est considérablement plus rigide que le rachis lombaireT est simulé par une augmentation de la rigiditt des disques thoraciques. Bien que les rotations inter-segmentales soient petites l'effet cumulatif du déplacement de tous les disques ne peut pas être négligt et l'analyse en grands dCp1acern~nt.s est ndcessaire pour quantifier les efféts d'instabilité. Dans l'analyse d'tquilibre, les ressorts virtuels sont utilisés pour contrôler la configuration vertébrale et l'interaction entre la colonne vertCbrale passive et les muscles. Par conséquent, le potentiel des composantes passives et actives de la colonne pour rtsister au chargement est utilisd de façon efficace. Dans l'dyse, les muscles sont classifiCs en deux groupes:​ les globaux qui lient le bassin pelvien la cage thoracique et les locaux qui lient le bassin aux vertèbres lombaires. Les lignes d'action des muscles sont considérées rectilignes, et leudpoints d'insertion suivent les vertèbres dans un mouvement de corps rigide. La redondance du probléme musculaire est résolue par une minimisation du chargement compressif produit par les activations musculaires.

Les activations ainsi déterminées peuvent être utilisées pour estimer la stabilité mécanique de la colonne. Une fonde simple pour la ngiditt musculaire attribue une ngidite à chacun des muscles suivant sa force a sa longueur (obtenues daas l'analyse d'dquilibre). Les propri6tCs correspondantes B la rigiditt requise sont attributes aux éléments bams utilisés dans cette Ctape, et les forces de tension trouvées dans analyse d'dquilibre sont induites par des changements de température. Donc, on obtient la même distribution du chargement, des forces internes et de la configuration gComCtrique que dans le cas de l'analyse d'équilibre avec les ressorts wniels. Cet état de la colonne est analysé par une perturbation lin* pour une ampiinde du chargement additionel qui peut causer l'instabilité.

L'approche proposée examine le rôle du changement du configuration de la colonne contrôlée par des mécanismes tels que le positionnement de Tl qui affecte la mobilisation de la rdsistancc passive. La rotation pelvienne et les forces musculaires sont ensuite analysdes par rapport A la viscdlasticité des disques. La rCponse de la colonne au chargement physiologique est aussi Cvaluée pour les cas d'architecture musculaire simple et détaillét.

Les résultats d'un modtle avec une architecture musculaire simple indiquent que les amplitudes des forces musculah sont reliées à la configuration de la colonne a à la distribution du chargement contrôlé par le positionnement de Tl et la rotation pelvienne. La rotation pelvienne en conjonction avec le positionnement de Tl est efficace dans le contr6le de lordose lombaire, ahsi que dans l'activation de la résistance passive et la stabilisation de la colo~e verttbralc. En présence d'un comportement viscdlastique des disques, la rotation pelvienne et les forccs mruculaires changent avec le temps. L'amClioration de l'architecture musculaire a pour conséquence une distribution des activations rCaliste*En génCIal, les activations musculaires avec leurs effets sur la colonne passive se rapprochent du cas d'architecture simple. Les dsultats indiquent que les muscles attachds B la cage thoracique sont efficaces dans le contrôle de la configuration de la colonne et de la distribution du chargcmtnt. Les muscles attachds sur les vertèbres lombaires jouent un rôle majeur dans la stabilisation de la colonne.

Les observations démontrent que le potentiel de la colonne vdbrale A supporttr des chargements est basé sur des principes de synergie. La résistance en compression de la colonne vertébrale, est exploitée par un maintien des modes supCneuts de flambement. Les forces dcessains pour maintenir ces modes supérieurs, pendant son application sur les points caractéristiques, sont minimales. Une des fonctions de la multiplicité d'architecture musculaire lombaire dans la posture neutre est de protéger la colonne d'une transition en hypennobilitt quand elle se déforme selon les modes supérieurs de flambement.

Disorden of the human spine account for a major part of disabilities in the workforce and have a significant socioeconomic impact. Due to the changes in the lifestyle and the working environment, new trends of spinal disorders have emerged. OAen, these disorders result fiom long sustained postures under the body weight rather than fiom manipulating heavy loads. The present study makes an attempt to develop a new hybnd kinematic approach for dysis of the human spine in the neutral posture. The model combines two essential parts of the human spine:​ the passive osteoligamentious spine and spinal muscles with both parts interacting according to a proposed control algorithm. The passive module for analysis of the osteoligarnentous spine utilizes ABAQUS structural analysis software. The active module analyses activations in the muscles and is constnicted as an assembly of FORTRAN and C routines performing geometric tnuisfonnation and optimization.

Since the model focuses primarily on neutral posture with a limited range of motion, stiffness of the spinal motion segments is considered to be linear, and beams are used to simulate their elastic behavior. The tnink, reinforcd by the rib cage and significantly more ngid than lumbat spine, is simulated by increasing the stifhess of the thoracic disks. Although the intersegmental rotations are small, the cumulative eflect of displacements at dl disks levels on the load configuration cannot be neglected .and large displacement analysis is necessary to quantity the instability efiects. In the equilibrium spinal analysis virtual springs are used to control the spinal configuration and to provide for interaction between the passive spine and the muscles, thereby to utilize load resisting potential of passive and active components in an efficient mamer. in theanalyses, muscles are clwified in two groups, global running fiom the pelvis to the nb cage and local running fiom the pelvis to the lumbar veitebrae. The lines of muscle action are considered to bestraight, and their insertion points follow the venebrae in a ngid body motion. Tram fer offorces between the passive spine and the muscles is eontrolied by fivt constraints at each vettebra. The redundancy of the muscle problem is resolved by minimVjng compressive load resulting hm muscle activations. Thus detennined muscle activations cm be subsequentl y used to assess the mechanical stability ofthe spine. A simple formula for muscle stiffness is used to assignstiffness to each muscle based on its force and length determined from the equilibriurn analysis. Constraints are replaced by the tmss elements onginating and inserting into diesame points as muscles with corresponding stiffness properties and tension forces. Thus, the same distribution of load and forces and geometric configuration ofspine is obtained as in thecaseofequilibrium analysis with the virtual sptings. This state of spine is subsequently analyzed in a linear perturbation step for a magnitude of an eigenvalue which corresponds to the load added onto the arms.

The proposed approach examines effkctofchanges in spinal configuration controlled by mechanisms such as Tl positioningon mobüizationofthe passivespinai resistance. The de of the pelvic rotation and muscle forces are then Mer investigated during the time dependent viscoelastic changes (creep) of the disks. Response of the spine undet the postural load is evaluated also in cases with a simple and a detailcd muscular architecture.

Results hm the model with a simple muscle architecture indicate that magnitudes of muscle forces are strongly dependent on the spinal configuration and load distribution controlled by the T1 position and peivic rotation. Pelvic rotation in conjunction with the T1 positioning are found to be efficient in controlling the physioiogical load distribution and activation of the passive spinal resistance thereby resulting in stabilization of the spine. When considering creep of the disks, values of pelvic rotation necessary to stabilize spine Vary with time. Improvements in muscle architecture result in a more redistic pattern of muscle activations, at the same time, overall muscle activations with their effect on the passive spine remain close to the case with a simple muscle architecture. Muscles originating fiom the pelvis and inserting ont0 the rib cage are found to be efficient in controlling the spinal configuration and the load distribution. Muscles running fiom the pelvis and inserting into the lumbar vertebrae contribute pnmarily to the stability of spine.

Findings indicate that the spinal load-bearing potential is enhanced by the mechanisms based on synergetic principles. The compressive resistance of the spinal structure considered as a vertical column is exploited by maintainhg the higher buckling modes. Muscle forces necessary to maintain higher modal shapes when acting at characteristic buckling points are only minimal. One of the fûnctions of multiplicity of the lumbar muscular architecture in the neutral posture is to prevent spine from transition into hypennobily when the spine defonns in the higher buckling modes.