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Effet d'une exposition prolongée aux vibrations sur les vertèbres lombaires des chauffeurs

Ayari, Houcine (2009). Effet d'une exposition prolongée aux vibrations sur les vertèbres lombaires des chauffeurs. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'imposition de vibrations a I'ensemble du corps humain peut etre une source d'inconfort ou de dommages pour la sante, selon I'amplitude, la frequence, la duree d'exposition, le type d'ossature, la densite osseuse, le poids corporel et la posture. La litterature fait etat de multiples causes pouvant declencher des problemes de maux de dos. De nombreuses etudes font mention que ces problemes sont constates, entre autre, parmi une population exposee, a long terme, a des charges vibratoires dans le transport (tracteurs, camions, autobus, metro, autres vehicules industriels, etc.). Il existe deux courants de pensee non exhaustifs en ce qui a trait aux maux de dos provenant possiblement des vibrations: I'hypothese que ces maux sont dus aux lesions des tissus mous (disque, muscles) et l'hypothese qu'ils sont dus aux dommages des os. La plupart des recherches experimentales ont montre que, sous un chargement dynamique compressif, les dommages apparaissent le plus souvent au niveau du corps vertebral. En effet, I'exposition du rachis lombaire aux vibrations mecaniques, notamment chez les conducteurs, sollicite la partie lombaire a la compression simple; un tel chargement minimise les lesions discales puisque differentes modelisations des effets mecaniques sur le disque intervertebral ont permis de conclure que I'hernie discale se produit principalement sous I'effet d'efforts de torsion ou d'efforts de flexion couples a des efforts d'inclinaison laterale. Les contraintes dynamiques generees peuvent etre a l'origine d'apparition et de cumul de micros-fissures dans I'os spongieux ainsi que dans les plateaux cartilagineux (conduisant au dommage par fatigue des os) et ceci malgre le potentiel de remodelage de l'os.

Avec I'hypothese que les maux de dos chez les conducteurs proviennent essentiellement des dommages des os, une recherche a ete effectuee dans le but de determiner les limites d'exposition aux vibrations a long terme. Nous avons developpe deux modeles, l'un statistique et 1'autre parametrique par elements finis pour etudier les effets des vibrations sur les vertebres du rachis lombaire des conducteurs.

Une analyse statistique a demontre que, du fait de Tinhomogeneite densimetrique et structurale des vertebres entre les individus et du fait que la resistance osseuse depend de la densite osseuse et de la continuite du reseau trabeculaire qui change avec I'age, on ne peut pas considerer que le comportement en fatigue des vertebres depende uniquement de I'excitation appliquee. Base sur les resultats de tests de fatigue pubhes, un modele statistique reliant la contrainte appliquee, I'age et la densite osseuse au nombre de cycles a la rupture des vertebres a ete developpe. Cette etude a justifie I'hypothese que la densite osseuse et l'age, outre la contrainte appliquee, ont un effet sur la fatigue du rachis. Aussi, ce modele a ameliore la prediction de la duree de vie des vertebres testees dont le coefficient de determination R^ a monte de 20% a 70%.

Un modele parametrique par elements finis des vertebres du rachis, developpe dans le cadre de cette these, a permis, dans im premier volet, de calculer les frequences et les modes propres de I'unite vertebrale et du rachis et d'evaluer I'etat de contraintes pour différents niveaux d'accelerations, correspondant a I'excitation de la route. Dans un deuxieme volet, une etude de I'influence des parametres: posture, corpulence, densite apparente de l'os spongieux, aire des vertebres, taux d'amortissement du disque intervertebral, poids des individus et amplitude de I'acceleration du siege a la resonance des vertebres sur un facteur risque de dommage (FRD), developpe par nos soins, a ete realisee, selon la methode des plans d'experiences. L'effet de I'age a ete considere comme representant une diminution de la densite osseuse et du taux d'amortissement des disques intervertebraux. Une limite de 30%o du FRD a ete consideree comme crifique afm de considerer l'effet de fatigue a long terme.

L'effet de la densite osseuse, de I'amortissement et du poids des individus a ete mis en evidence. Finalement, un modele de prediction de la duree de vie des vertebres du rachis en a resulte. Une analyse de fatigue a demontre qu'une acceleration de 2 m/s , correspondant a la limite de 30%), pouvait etre consideree comme une limite a ne pas depasser pour eviter le risque de dommage.

Par ce travail, nous avons mis en evidence que le risque de fracture par fatigue peut etre observe sur les plateaux cartilagineux et sur I'os spongieux. Le modele de fatigue peut etre utilise comme un outil predictif pour calculer le risque encoum dans les vertebres lorsqu'un chauffeur est soumis a des vibrations verticales en position assise. Cependant, ce modele de fatigue n'a pu etre valide pour les basses amplitudes de vibration (fatigue par endurance) vu le manque de donnees dans la litterature sur la limite d'endurance des vertebres du rachis.

Titre traduit

Adverse health effects to long term whole-body vibration exposure

Résumé traduit

The objective of this study is to describe a method in order to evaluate the long term exposure limits to continuous Whole-Body Vibration (WBV) before the occurrence of fatigue failure, especially in the case of harmonic and random excitations. The human exposure to Whole Body Vibration could cause discomfort, damage and adverse health effects, depending on the amplitude, frequency, duration of exposure, body type, density of bone, body weight and posture, etc. Literature refers to many causes that can produce problems related to low back pain. Many studies mention that these problems are found among a population exposed to long-term vibration loads, such as in transportation (tractors, trucks, buses, subways, other vehicles, etc.). Two assumptions may cause low back pain due to vibration exposure: the assumption that low back pain is due to soft tissue injuries (disc, muscle) or the assumption that they are due to bone damage. Most experimental studies have shown that under dynamic compressive loadings, the damage most often occurs in the vertebral body. Indeed, exposure to mechanical vibration excites the lumbar spine in a simple compression mode; thus, such a loading can minimize the damage to discs since different mechanical models of intervertebral discs concluded that the disc herniation occurs mainly as a result of torsion or bending efforts coupled with the inclined lateral efforts. The generated dynamic stresses can be at the origin of accumulation of microscopic cracks in the bone (leading to fatigue damage of the bones) and this in despite of the potential for bone remodelling.

With the hypothesis that low back pain among drivers comes from bone damage, the research was conducted in order to determine the long term limits of exposure to vibrations. Two models have been developed, a statistical analysis model and numerical simulations using a parametric finite elements model to study the effects of vibration on the lumbar vertebrae of drivers.

The statistical analysis showed that, due to the vertebral densimetric and structural inhomogeneity between individuals and due to the fact that vertebral strength varies with bone density and discontinuities within the trabecular lattice, which change with age, vertebral fatigue behaviour cannot be considered as only depending on applied excitation. A nonlinear model is proposed relating the number of cycles with cyclic stresses, bone density and age of the specimen. Based on the results of fatigue tests identified in literature, a statistical model linking the applied stresses, age and bone density to the number of cycles before fracture of the vertebrae was developed. This study justifies the assumption that the bone density and the age in addition to the cyclic stress can have significant effects on fatigue of rachis. This new model has improved a previous life prediction model of the vertebrae that was approximately about 20%), to a coefficient of determination R2 up to 70%.

A parametric finite elements model of the lumbar rachis is generated in order to compute the modal parameters, the dynamic stresses and forces under harmonic excitations in a seated posture. The stress analysis reveals that the areas exposed to the highest fracture risks are the cancellous bone of the vertebral body as well as the vertebral endplate when vertical vibrations are transmitted from a seat to the lumbar spine of a driver. This study has lead to the development of a new indicator, called the Injury Risk Factor (IRF), which evaluates the risk of adverse health effect arising from mechanical vibrations to which professional drivers are particularly prone. A design of experiments has been conducted from numerical simulations by considering posture, bone stmcture, apparent density, damping rate and body weight as independent variables. It was shown that the ERF increases with ageing and an IRF of 30% has been found as a threshold for fatigue purpose.

The assessment of WBV is based on the quantitative relationships between accelerations (as measured at the seat) and the dynamic stresses predicted at the L4-L5. A new model of fatigue behaviour has been developed in order to estimate the risk of adverse health effects arising from mechanical vibrations. As expected, it is shown that the injury risk increases with the age due to the loss of mechanical properties (Young modulus, bone density, ultimate stress and damping of the intervertebral disc). Consequently, the excitation amplitude must be limited to low levels if considering the age increase. The results have revealed that the excitation acceleration applied to the seat must be limited to amplitudes lower than 2 m/s2 in order to avoid any risk of damage whatever the driver'sage, morphology, weight, etc... This level has been considered as an endurance hmit of the fatigue behaviour.

This research shows that the risk of fatigue fracture is observed on the endplate and on the trabecular bone. The fatigue model can be used as a predictive tool for computing the risk to lumbar spine of drivers exposed to vertical vibrations in a sitting position. However, this fatigue model has been not validated for low amplitudes of vibration (fatigue endurance) due to the lack of data in the literature on endurance limit of the spine vertebrae.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie" Comprend des réf. bibliogr.
Mots-clés libres: Vertèbres lombaires. Vibration. Dorsalgie. Fractures. chauffeur, conducteur, modele, parametrique, statistique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Thomas, Marc
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Doré, Sylvie
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 12 août 2010 13:14
Dernière modification: 03 janv. 2017 18:52
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/23

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