Low back dysfunctions, among which are potentially low back pain (LBP) episodes, continue to prevail as burdensome conditions due to their socioeconomic repercussions and unknown causes. A common understanding in the scientific community is that a significant portion of these problems is of mechanical origin, often referred to as spinal instability.

Growing literature suggests that the coactivation and engagement of spinal tissues tend to maintain an upright spinal posture and enhance stability through restoring the spine’s initial position following an external perturbation. As such, the present research seeks to further interpret stability achieved by the coactivation of paraspinal muscles, active engagement of intramuscular pressure (IMP) and intra-abdominal pressure (IAP), and support provided by the thoracolumbar fascia (TLF). Thus, the central focus of this thesis was to develop and validate an accurate, fully representative, spine model, to then assess novel theorems of contributors towards spinal stability and underlying muscle activation patterns.

To achieve this, specific objectives were identified:​ 1) create and validate the first scalable biphasic muscle finite elements (FE) model inclusive of an IMP-based enclosed fluidic field;​ 2) develop and validate a fully representative FE spine model inclusive of IMP-based muscles from objective 1, IAP, and TLF;​ 3) exploit the FE spine model, from objectives 1 and 2, to investigate soft tissues’ contribution to spinal stability;​ 4) exploit the FE spine model and stability results, from objectives 1, 2, and 3, to devise IMP-based muscle activation strategies.

Results of objective 1 exhibited linearly correlated muscle forces and IMP. This exemplified a valid novel approach to simulate fluid-filled muscle contraction. This was then integrated into objective 2 to develop a comprehensive spine model, which comprised 273 soft tissues including all those known to contribute to spinal loadings. The model was then shown valid considering in silico and in vivo comparator tests. The accurate modelling and inclusion of more representative biological soft tissues, in a comprehensive spine model, allowed for a better assessment of spine physiology, while remaining within targeted validation scope. This led to the third objective whereby individual and collective contributions of muscles, TLF, and IAP toward spinal stability were assessed. Combined synergistic activations showed a 93% increase in defined stability. TLF appeared to dissipate and store excessive loads, IAP limited movements, and muscles acted as antagonistic to external perturbations. This begged the question of what governed such underlying muscle activations. As such, in objective 4, conventional and novel IMP-based muscle activation strategies were explored, which suggested an optimized region of IMP within which tasks are efficiently executed while maintaining a stable spine position.

Many findings have been achieved in the context of this thesis. The developed FE muscle and spine models provide accurate approaches to exploring spinal stability and spine-related pathologies. The models can potentially be leveraged to assess injuries and analyze medical devices. Lastly, investigated activation strategies can greatly inform motion analysis, device design for spine pathologies, rehabilitation, and functional electrical stimulation of muscles.

La Lombalgie Chronique (LC) continue de prévaloir en tant que condition pénible en raison de ses répercussions socio-économiques et de ses causes inconnues. Un consensus scientifique est qu'une partie importante du problème est d'origine mécanique, souvent appelée instabilité vertébrale.

La littérature suggère que la coactivation et l'engagement des tissus rachidiens ont tendance à maintenir une posture vertébrale droite et à améliorer la stabilité en récupérant la position initiale de la colonne vertébrale suite à une perturbation externe. En tant que tel, la présente recherche cherche à interpréter davantage la stabilité par la coactivation des muscles paraspinaux, l'engagement actif de la pression intramusculaire (PIM) et de la pression intra-abdominale (PIA) et le soutien fourni par le fascia thoraco-lombaire (FTL). Ainsi, l'objectif central de cette thèse était de développer et de valider un modèle de colonne vertébrale précis et pleinement représentatif, afin de mieux évaluer la stabilité de la colonne vertébrale et les modèles d'activation musculaire sous-jacents.

Pour y parvenir, des objectifs spécifiques ont été identifiés :​ 1) créer et valider le premier modèle d'éléments finis (EF) musculaire biphasique évolutif incluant un champ fluidique fermé basé sur l'PIM ;​ 2) développer et valider un modèle de colonne vertébrale EF entièrement représentatif comprenant les muscles basés sur l'PIM de l'objectif 1, PIA et FTL ;​ 3) exploiter le modèle EF de la colonne vertébrale, des objectifs 1 et 2, pour étudier la contribution des tissus mous à la stabilité de la colonne vertébrale ;​ 4) exploiter le modèle de colonne vertébrale EF et les résultats de stabilité, des objectifs 1, 2 et 3, pour concevoir des stratégies d'activation musculaire basées sur l'PIM.

Les résultats de l'objectif 1 présentaient des forces musculaires et une PIM linéairement corrélées. Cela illustre une nouvelle approche valide pour simuler la contraction musculaire remplie de liquide. Cela a ensuite été intégré à l'objectif 2 pour développer un modèle de colonne vertébrale complet, qui comprenait 273 tissus mous, y compris tous ceux connus pour contribuer aux charges vertébrales. Le modèle s'est ensuite montré valide compte tenu des tests de comparaison in silico et in vivo. La modélisation précise et l'inclusion de tissus mous biologiques, dans un modèle de colonne vertébrale complet, ont permis une meilleure évaluation de la physiologie de la colonne vertébrale, tout en restant dans le cadre d'une validation ciblée. Cela a conduit au troisième objectif dans lequel les contributions individuelles et collectives des muscles, du FTL et de l'PIA à la stabilité de la colonne vertébrale ont été évaluées. Les activations synergiques combinées ont montré une augmentation de 93% de la stabilité. Le FTL a semblé se dissiper les charges excessives, l'PIA a limité les mouvements et les muscles ont agi comme antagonistes aux perturbations externes. Cela a soulevé la question de savoir ce qui gouvernait ces activations musculaires sous-jacentes. En tant que tel, dans l'objectif 4, des stratégies d'activation musculaire conventionnelles et nouvelles basées sur l'PIM ont été explorées, ce qui a suggéré une région optimisée de l'PIM dans laquelle les tâches sont exécutées efficacement tout en maintenant une position stable de la colonne vertébrale.

Une multitude d'avancées ont été réalisées dans le cadre de cette thèse. Les modèles musculaires et rachidiens développés par EF fournissent des approches précises pour explorer la stabilité de la colonne vertébrale et les pathologies liées à la colonne vertébrale. Les modèles peuvent être potentiellement exploités pour évaluer les blessures et analyser les dispositifs médicaux. Enfin, les stratégies d'activation étudiées peuvent grandement éclairer l'analyse du mouvement, la conception de dispositifs pour les pathologies de la colonne vertébrale, la rééducation et la stimulation électrique fonctionnelle des muscles.