Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2016
Langue
Français
Résumé
De nombreux travailleurs sont atteints de maux de dos chaque année. La région lombaire est de loin celle qui est la plus fréquemment atteinte, et ce type de troubles musculosquelettiques est principalement occasionné par des efforts excessifs, surtout en soulevant quelque chose, et les chargements aux tissus de la colonne qu’ils engendrent. Il n’existe pas de méthode de mesure directe de ces chargements qui puisse être utilisée en milieu de travail, d’où la nécessité de recourir à des modèles biomécaniques pour les estimer. Or, jusqu’à présent, les modèles biomécaniques existants ne permettent pas l’estimation des chargements de manière satisfaisante.
Ce projet s’inscrit en continuité des nombreux travaux subventionnés par l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST) visant l’élaboration d’une méthode ambulatoire pouvant estimer les chargements au bas du dos en continu, soit le moment à l’articulation lombo-sacrée (L5/S1). L’approche préconisée vise l’intégration de la mesure de l’électromyographie (EMG) d’un nombre minimal de muscles à la surface du dos et de la cinématique du dos provenant de deux senseurs inertiels pour estimer le chargement au bas du dos. Cette idée n’est pas nouvelle en soi, mais la manière d’y arriver l’est. En effet, l’utilisation d’un calibrage dynamique pour établir la relation EMG et cinématique au moment en L5/S1 est novatrice.
Le projet comportait trois grandes étapes. La première étape consistait à apprécier la faisabilité de l’approche préconisée en comparant les estimations obtenues par la nouvelle approche à celles déterminées par un modèle tridimensionnel validé et habituellement utilisé en laboratoire. Dans une seconde étape, l’élaboration et la validation de la méthode de calibrage du modèle ambulatoire ont été réalisées, et finalement dans une dernière étape, le modèle ambulatoire a été validé dans une situation de manutention de charges se rapprochant d’une application en milieu de travail.
Les résultats de la première étape de l’étude révèlent que des estimations très acceptables du moment en L5/S1 (marge d’erreur de l’ordre de 10 %) pour des tâches de manutention asymétriques peuvent être obtenues à partir d’un nombre limité de variables cinématiques du tronc et de signaux EMG d’un nombre limité de muscles (maximum de six muscles), soit par une approche de régression linéaire multiple ou par un réseau de neurones artificiels. L’approche préconisée démontre donc un bon potentiel.
La deuxième étape visait le développement de la méthodologie pour permettre le calibrage de la relation EMG-cinématique - moment en milieu de travail. Il fallait élaborer et valider un modèle simplifié capable d’estimer les moments en L5/S1. Ce modèle simplifié comporte seulement cinq segments : un segment tronc (incluant le cou et la tête), deux bras et deux avant-bras, nécessitant six senseurs inertiels pour mesurer les orientations de ces segments. Il requiert également l’utilisation d’une caisse instrumentée munie de poignées pour mesurer les forces aux mains, ainsi qu’un senseur inertiel pour apprécier son orientation. Les résultats présentés démontrent que le modèle développé peut estimer les moments en L5/S1 avec un risque d’erreur inférieur à 10 %, ce qui est très satisfaisant pour l’utilisation envisagée. Il est donc envisageable d’utiliser ce modèle pour permettre le calibrage de la relation EMG-cinématique – moment en milieu de travail.
La troisième et dernière étape avait pour objectif de valider le modèle ambulatoire, en exploitant le modèle développé à l’étape précédente pour réaliser le calibrage et le réseau de neurones artificiels conçu à la première étape. Des conditions se rapprochant du contexte réel d’utilisation sur une durée de manutention suffisamment longue pour engendrer une fatigue musculaire ont été simulées pour valider le modèle. La validation de l’approche ambulatoire pour estimer les moments en L5/S1 en ne mesurant que la cinématique du tronc avec deux senseurs inertiels et l’électromyographie de six muscles a démontré des résultats mitigés, n’expliquant en moyenne que 50 % de la variance des moments en L5/S1 évalués par un modèle critère. Le fait que les résultats de certains sujets atteignent des performances permettant d’expliquer 70 % de la variance est toutefois très prometteur. Des modifications du réseau de neurones pourraient être explorées afin d’améliorer la robustesse des prédictions entre les individus. D’autres travaux méritent d’être poursuivis pour mieux cerner les conditions optimales d’utilisation de cette approche novatrice.
Abstract
Each year, many workers fall victim to back pain, with the lower back accounting for the great majority of cases. This type of musculoskeletal disorder is usually caused by excessive effort, especially lifting, which causes loading on the spinal tissue. As there is no method for directly measuring these loads in the workplace, they must be estimated through biomechanical models. However, the models used for this purpose so far have been inadequate.
This project is a continuation of several studies subsidized by the Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST) and aimed at developing an ambulatory method for continuously estimating low-back loading, i.e., the moment at the lumbar-sacral joint (L5/S1). The proposed approach aims to integrate the electromyographic (EMG) measurement of a minimum number of superficial back muscles with back kinematics obtained from two inertial sensors in order to estimate the low-back load. The idea in itself is not new, but the way of arriving at it – specifically, the use of dynamic calibration to establish the EMG and kinematic relationship to the L5/S1 moment – is innovative.
There were essentially three stages to this project. Stage 1 consisted in studying the feasibility of the proposed approach by comparing its estimates with those determined by the validated 3D model normally used in the laboratory. In Stage 2, the method for calibrating the ambulatory model was developed and validated. In Stage 3, the ambulatory model was validated in a load handling situation similar to workplace conditions.
The Stage 1 results show that very acceptable estimates of the L5/S1 moment (error of about 10%) for asymmetric handling tasks can be obtained from a limited number of trunk kinematic variables and EMG signals from a limited number of muscles (maximum six), either through a multiple linear regression approach or through an artificial neuron network. The proposed approach therefore shows good potential.
The aim in Stage 2 was to develop a methodology for calibrating the EMG-kinematic-moment relationship in the workplace. A simplified model capable of estimating L5/S1 moments had to be developed and validated. This simplified model has only five segments—trunk (including neck and head), two arm segments and two forearm segments—requiring six inertial sensors to measure their orientation. It also requires the use of an instrumented box with handles to measure the forces on the hands and an inertial sensor to measure its orientation. The results show that the model developed can estimate L5/S1 moments with an error of less than 10%, which is very satisfactory for the usage considered. This model can therefore be used to calibrate the EMG-kinematic-moment relationship in the workplace.
The purpose of the third and last stage was to validate the ambulatory model, using the calibrating model developed in Stage 2 and the artificial neuron network designed in Stage 1. Conditions similar to an actual use context over a handling period long enough to cause muscle fatigue were simulated. Validation of the ambulatory approach to estimate L5/S1 moments by measuring only trunk kinematics with two inertial sensors and EMG readings from six muscles yielded mixed results, explaining only an average 50% of the variance in L5/S1 moments estimated by a criteria model. The fact that some subjects’ results reached performance levels able to explain 70% of the variance is nevertheless highly promising. Modifications to the neuron network could be explored in order to improve the robustness of the predictions between individuals. It would be worth undertaking further studies to better identify the optimum conditions for using this innovative approach.
ISBN
9782896318636
Mots-clés
Manutention manuelle, Manual handling, Soulèvement des charges, Manual lifting, Mesure de la charge musculaire, Measurement of load on muscles, Maux de dos, Backache, Troubles musculosquelettiques, Musculoskeletal disease, Mécanique humaine, Body mechanics, Électromyographie, Electromyography, Détermination expérimentale, Experimental determination, Québec
Numéro de projet IRSST
0099-6500
Numéro de publication IRSST
R-904
Citation recommandée
Delisle, A., Plamondon, A., Gagnon, D., Larivière, C., Thénault, F., Michaud, F. et Rouat, J. (2016). Estimation du chargement au dos : développement d’une méthode ambulatoire intégrant la cinématique du dos et de l’électromyographie (Rapport n° R-904). IRSST.