Compte-rendu de l’impact de l’exosquelette sur le disque L4L5 lors de mouvements de manutention – Simulation musculosquelettique
Le mal de dos, souvent qualifié de « mal du siècle », occupe une place de plus en plus importante dans les pays industrialisés. En effet, selon les données de l’Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS), plus de deux salariés sur trois ont eu, ont ou auront une lombalgie en France (INRS, 2018). La lombalgie apparaît comme une pathologie d’origine multifactorielle à laquelle sont associés plusieurs facteurs de risques dont la manutention manuelle, les chutes, les postures contraignantes, les efforts importants, etc. Tant de facteurs que l’on retrouve dans le milieu professionnel, tous secteurs confondus. La lombalgie représente 20% des accidents de travail et 7% des maladies professionnelles, comptabilisant ainsi près de 11,5 millions de journées non travaillées par an.
Pour limiter les risques de lombalgie au travail, certaines entreprises réalisent des études ergonomiques afin d’aménager au mieux les postes de travail. Lorsqu’il est impossible d’adapter le poste, de nouvelles solutions telles que les exosquelettes peuvent être envisagées. Cette étude a pour objectif l’analyse de l’impact de l’exosquelette Japet sur le disque intervertébral L4L5, relatif aux mouvements fréquents lors de manutention manuelle.
Modèle utilisé
Cette simulation musculosquelettique a été réalisée sous le logiciel AnyBody Modeling System, à partir d’un modèle corps entier (full-body, AnyBody Managed Model Repository, AMMR). Ce modèle est répandu dans le monde de la recherche, plus d’une cinquantaine de publications scientifiques y font référence (AnyBody Technology). De nombreux chercheurs ont utilisé ce logiciel pour étudier les efforts dans les différentes articulations, et notamment dans la colonne vertébrale (Zee, 2007) (Rajaee, 2005) (Rasmussen, 2009) (Bassani, 2017), en prenant comme référence les mesures in vivo effectuées par Wilke et al. (Wilke, 2001).
Cette étude évalue l’impact de l’exosquelette Japet sur la force exercée dans les disques L4L5 selon différents paramètres : la localisation de la charge, la masse de la charge, ainsi que la position du corps lors du port de charge.
AnyBody Technology propose à sa communauté la bibliothèque WilkeSpinalDiscPressure. Celle-ci est composée de trois fichiers qui nous ont servi de base : « Standing Lift Close », « Standing Lift Flexed » et « Standing Lift Stretched Arms ». L’exosquelette Japet a été implémenté à chacun de ces modèles. Les efforts fournis par l’exosquelette sont de 4kg par actionneur (soit un total de 16kg). Pour effectuer un mouvement de rotation, le segment pelvis/thorax suit une courbe B-spline permettant une rotation du tronc allant de 0° à 25°. Enfin, le disque étant représenté par un point dans le modèle AnyBody, nous ne parlerons pas ici de pression intradiscale mais de force exercée sur le disque.
Impact de l’exosquelette sur le disque L4L5 selon la localisation de la charge
Pour évaluer l’impact de l’exosquelette sur le disque selon la localisation de la charge, le modèle porte une charge de 10kg et se tient en position orthostatique. Trois essais sont réalisés : charge portée contre le corps, charge portée avec les bras mi-tendus et charge portée avec les bras tendus (Figure 1.)
Figure 1. Impact de l’exosquelette sur la force exercée sur le disque L4L5 en fonction de la position de la charge de 10kg
Comme démontré par Wilke et al. il y a quelques années, les forces exercées sur le disque L4L5 croient lorsque la distance de la charge au corps augmente. Il est à noter que l’exosquelette permet de diminuer la force exercée sur le disque L4L5 de 135N (soit 13,8kg) en moyenne, quel que soit la localisation de la charge.
Impact de l’exosquelette sur le disque L4L5 selon la masse de la charge
Pour évaluer l’impact de l’exosquelette sur le disque L4L5 selon la masse de la charge, le modèle est en position orthostatique et porte différentes charges bras mi-tendus. Les charges sont de 0kg, 5kg, 10kg, 15kg et 20kg.
Figure 2. Impact de l’exosquelette sur la force exercée sur le disque L4L5 en fonction de la masse de la charge portée
La figure 2. montre que le port de l’exosquelette Japet durant un maintien de charge, permet une diminution de 135N (soit 13,8kg) en moyenne sur le disque L4L5, quel que soit la masse de la charge.
Impact de l’exosquelette sur le disque L4L5 selon la position de l’opérateur lors du port de charge
Pour évaluer l’impact de l’exosquelette sur le disque L4L5 selon la position de l’opérateur lors du port de charge, le modèle porte une charge de 10kg à bras mi-tendus pour deux types de mouvements : une rotation axiale et un flexion avant.
Figure 3. Impact de l’exosquelette sur la force exercée sur le disque L4L5 lors d’un port de charge de 10kg durant une rotation axiale
Pour les angles de rotation de 0° à 20°, l’exosquelette permet de diminuer la force intra-discale L4L5 de 113N en moyenne (décompression entre 11% et 12%). A 25° de rotation, la force est diminuée de 92N soit 9% de décompression.
Figure 4. Impact de l’exosquelette sur la force exercée sur le disque L4L5 lors d’un port de charge de 10kg durant une prise de charge au sol, une flexion de 45° en avant et une flexion de 90° en avant
L’exosquelette Japet permet une décompression de 4% du disque L4L5 lors de la prise de la charge (10kg) au sol, ainsi que lors du port de la charge en flexion avant de 90°. En flexion avant de 45°, la décompression du disque est de 8%.
Conclusion
Les résultats de la simulation montrent que l’exosquelette permet de diminuer les efforts sur le disque L4L5 quel que soit la localisation de la charge, la masse de celle-ci, ou encore la posture lors du port de charge. Le dispositif agit cependant de manière plus efficace sur des angles de rotation compris entre 0° et 20°, ainsi que sur des flexions inférieures à 45°.
Ces résultats sont critiquables puisqu’il ne s’agit pas de mouvement réel issue de capture de mouvement, mais de mouvement créé artificiellement. Cependant, les résultats obtenus sont encourageants. Il serait pertinent de réaliser une étude similaire sur la base de vrais enregistrements en situation de travail, et à grande échelle.
Références
Bassani, T. (2017). Validation of the AnyBody full body musculoskeletal model in computing lumbar spine loads at L4L5 level.
INRS. (2018, 10 26). Récupéré sur INRS: http://www.inrs.fr/risques/lombalgies/statistique.html
Rajaee, M. A. (2005). Comparative evaluation of six quantitative lifting tools to estimate spine loads during static activities. Applied Ergonomics.
Rasmussen, J. (2009). Validation of a biomechanical model of the lumbar spine. 22nd Congress of the International Society of Biomechanics.
Wilke, H.-J. (2001). Intradiscal pressure together with anthropometric data – a data set for the validation of models. Clinical Biomechanics.
Zee, M. d. (2007). A generic detailed rigid-body lumbar spine model. Journal of biomechanics.