In order to improve our understanding of the dynamic characteristics of the human lumbar spine, both experimental and finite element methods are called for. In the experimental part, using a MTS Bionix testing machine, the axial steady state response, resonant frequencies, and damping of seven lumbar motion segments are measured under an upper body mass of 40 Kg. The influence of the presence of posterior elements and different magnitudes of compression preload on the response is also studied.

To supplement the measurements, using the ADINA program, linear and nonlinear, axisymmetric and 3-D finite element models of a L2-L3 disc-vertebra unit are developed to predict the free and forced vibration response. The step and harmonic loadings in axial direction are considered for the forced vibration analysis. The effects of the presence of the body mass and compression preloads are also examined. In the axisymmetric model, the annulus is represented as a homogeneous orthotropic mixture of fibres and matrix. A nonhomogeneous composite of collagenous fibres embedded in a matrix of ground substance is however taken for the 3-D modelling. The nucleus, in both models, is simulated by either displacement-based or potential-based fluid elements.

The results of experimental and finite element studies appear to be in good agreement with each other. They indicate that the system resonant frequencies are reduced considerably with the addition of a body mass of 40 Kg and increase significantly (p<.005) as the compression preload increases. The compliance at both low and resonant frequencies decrease with increasing compression preload. Removal of the facet joints tend to slightly decrease the segmental resonant frequencies irrespective of the magnitude of compression preload (p<.1).

The finite element model studies show quasi-static response under harmonic loads with periods much larger than the fundamental period of the segment and under ramp loads with slow rising times. Under a step load without the body mass, the nucleus pressure varies with both location and time and reaches a maximum of about 2.7 times that under equivalent static load. Addition of a 40 Kg mass, in this case, renders a single degree-of-freedom response with the pressure nearly remaining constant with location inside the nucleus. The stresses and strains throughout the segment in this case increase by about twice in comparison with equivalent static values.

The effect of the disc degeneration on the resonant frequency is also studied by reducing the value of the nucleus bulk modulus and nucleotoray in the finite element models. The results predict a decrease in the resonant frequency by removing the nucleus or reducing its bulk modulus value.

The results indicate that the most vulnerable element under axial vibration loads is the cancellous bone adjacent to the nucleus space. Fatigue fracture of bone as a cumulative trauma and the subsequent loss of nucleus content likely initiate or accelerate the segmental degenerative processes. The annulus fibres do not appear to be vulnerable to rupture when the segment is subjected to pure axial vibration.

Les maux de dos constituent la deuxiéme cause d'absentéisme au niveau des accidents de travail en Amérique du nord. Il a été rapporté que les maux de dos, les blessures et les maladies dégénératives de la colonne vertébrale se retrouvent le plus frdquemment chez les personnes sujettes à des chargements dynamiques (choc et vibration).

Les vibrations gdndralement rencontrdes, notamment dans l'industrie, sont d'origines diverses et peuvent dtre classdes en quatre categories :​ vibrations produites par un processus de transformation, vibrations lides aux modes de fonctionnement des machines et matdriels, vibrations dues h des ddfauts de machines ou à de mauvais fonctionnements, vibrations resultant de phdnomdnes naturels (comme, le vent, la houle et les séismes).

Dans le cas de vibrations produites par un processus de transformation ou de vibrations transmises à 1'ensemble du corps, les symptomes pathologiques les plus courants se situent au niveau de la colonne vertdbrale, assez frdquemment chez les conducteurs de tracteurs agricoles, de camion, de pilotes d'hélicoptères, etc. Lombalgies, lombosciatiques, cervicalgies, hernies et pincements discaux sont les troubles les plus souvent citds. I Is apparaissent aprds un certain temps d'exposition aux vibrations;​ de plus, les vibrations sont souvent un facteur d'aggravation de lésions rachidiennes prd-existantes.

Pour étudier le comportement de la colonne vertdbrale, on considdre habituellement un ensemble vertèbre-disque-vertèbre. Cet ensemble est appelé segment fonctionnel ou unitd fonctionnelle. Le disque intervertébral est essentiel pour assurer le maintien et la mobilitd de la colonne vertébrale. Agissant comme une sorte de joint universel, il permet des mouvements dans plusieurs directions. Lors d'une activitd normale, le disque est soumis à des contraintes mdcaniques considérables. Cette situation rdpetde des centaines de milliers de fois tout au long d'une vie, peut etre la cause de ddgdndration, d'hernie ou de ddplacement du disque et peut entrainer des blessures chroniques de la colonne vertébrale.

Afin d'améliorer notre compréhension de la caractdristique dynamique de la région lombaire de la colonne vertébrale de l'etre humain, une étude expérimentale ainsi qu'une méthode d'éléments finis ont été utilisdes. Dans 1'etude expérimentale, la réponse axiale stationnaire, la frequence de resonance et l'amortissement de sept segments fonctionnels de la region lombaire ont StS mesurSs, sous une masse de 40 kg et 4 l'aide d'une machine MTS bionix. L'influence de la presence des facettes articulaires et de diffSrents niveaux de compression initiale sur la rSponse est aussi etudiée.

Pour compldter les mesures expdrimentales, des modéles linéaire et non linéaire, axisymétriques et tridimensionnels d'une units vertébre-disque-vertébre L2-L3, sont utilises pour prédire les réponses des vibrations libres et forcées. Les chargements en Schelon et sinusoidal sont considéés pour l'analyse de la vibration forcSe. Les effets dQs 4 la presence de la masse corporelle et de la compression initiale sont aussi examines.

Pour le module axisymétrique, l'anneau fibreux est represents par un modSle orthotropique homogSne et pour le modSéle en trois dimensions, il est represents par un matériel non homogSne de fibres collagènes dans une substance matricielle. Le noyau dans les deux modèles est simulé par les élément fluides.

Les résultats d'études expérimentales et d'éléments finis semblent bien coneorder. Ils indiquent que les frequences de resonance du systeme sont diminuees nettement avec 1'addition de la masse corporelle (40 Kg) et augmentent de facon significative (p < 0.005) avec la charge initiale. La compliance et l'amortissement interne (hystérésis) à des fréquences beaucoup plus basses que la frequénce de résonance diminuent avec 1'augmentation de la charge initiale.

En l'absence des facettes articulaires la frequence de resonance du segment fonctionnel diminue un peu, et ce rdsultat n'est pas influence par l'ampleur de la charge initiale (P < 0.1).

Le taux d'amortissement visqueux e la frequence de resonance est mesuree par trois methodes differentes (Méthode-"√2", Mdthode d'amplification, la perte d'dnergie par cycle). Sa valeur varie entre 0.05 et 0.13 et l'effet de la charge initiale n'est pas significatif.

Les études des modules d'elements finis indiquent une rdponse quasi-statique sous une charge sinusoldale avec des pdriodes beaucoup plus grandes que la période fondamentale du segment fonctionnel et sous une charge en rampe avec un temps d'élévation lent. Sous une charge en échelon sans la masse corporelle, la distribution de pression dans le noyau change avec le temps, et elle atteint une valeur maximale, d'environ 2.7 fois la valeur atteinte dans le cas statique. Avec l'addition d'une masse de 40 Kg, la r6ponse du systeme est celle d'un systeme e un degre de liberty, et la distribution de pression est constante dans l'anneau. Les contraintes et les deformations dans ce cas sont cependant deux fois plus eievdes que dans le cas statique eéquivalent.

L'effet de degeneration du disque sur la frequence de résonance est representée par la reduction de la valeur de module de volume du noyau pulpeux dans les modèles d'éléments finis. Les résultats predisent une diminution de fréquence de résonance avec la reduction de la valeur de module de volume.

Si l'on étudie par elements finis l'état des contraintes et des deformations dans le corps vertebrale, les résultats indiquent que l'élément le plus vulnérable sous une charge (axiale et vibratoire) est l'os spongieux près de l'anneau. La fracture de l'os spongieux et unc perte de matifere du noyau pulpeux peut-être le commencement de la degeneration du segment fonctionnel. De plus les resultats indiquent que l'anneau fibreux est moins susceptible aux vibrations axiales.