Développement d'indicateurs biomécaniques en manutention et leur application dans l'étude des différences entre les sexes lors de levers de charges en hauteur

Abstract

Les blessures musculo-squelettiques du membre supérieur représentent un problème de santé publique dans le secteur de la manutention. En plus d’affecter la qualité de vie du travailleur, ces lésions entraînent une perte de temps de travail et une augmentation des coûts de production. Alors que nous avons des évidences épidémiologiques que les femmes manutentionnaires sont plus nombreuses que les hommes à souffrir de douleurs à l’épaule, la littérature fait défaut d’indices biomécaniques qui expliquent l'origine de cette différence. L'objectif général de cette thèse était d'améliorer l'évaluation des techniques de manutention du membre supérieur, avec trois objectifs spécifiques : (1) développer des indices cinématiques, électromyographiques et musculo-squelettiques synthétiques pour évaluer et différencier des techniques de manutention du membre supérieur ; (2) développer un logiciel libre d'analyse biomécanique ; et (3) utiliser les indices et le logiciel développés pour décrire les différences biomécaniques entre des femmes et des hommes manutentionnaires. Nous avons récolté des données de cinématique, d'électromyographie et de force sur 30 femmes et 30 hommes réalisant une tâche de manutention qui consistait à déplacer une boîte de 6 et 12 kg entre la hauteur des hanches et la hauteur des yeux. À partir de ces données, nous avons développé des indicateurs synthétiques : un indicateur cinématique utile pour identifier des techniques de manutention problématiques et plus généralement les fonctions articulaires ; des indicateurs électromyographiques qui permettent d'estimer la quantité d'activation musculaire et la co-contraction musculaire ; et des indicateurs musculo-squelettiques qui permettent d'estimer les contraintes musculaires totales et les contraintes appliquées à l'articulation glénohumérale. Nous avons implémenté ces indicateurs avec pyomeca, notre logiciel libre d'analyse biomécanique. Mis à disposition de la communauté biomécanique, pyomeca supporte des tâches utiles dans le quotidien d'un chercheur biomécanique, mais également des routines biomécaniques plus avancées, axées sur la mécanique du corps rigide et le traitement de signal. Ce dernier se démarque des logiciels biomécaniques existants parce que c'est une solution libre, conviviale, spécialisée et sûre. Nous avons ensuite appliqué les indices synthétiques pour décrire les différences biomécaniques entre les femmes et les hommes participant à notre expérimentation. L'indicateur cinématique a montré que les femmes employaient une technique de manutention moins sécuritaire, avec une plus grande contribution glénohumérale, une faible contribution des membres inférieurs et une boite plus éloignée du tronc. Ces différences de technique se sont répercutées sur les indicateurs électromyographiques et musculo-squelettiques, avec des activations musculaires deux fois plus importantes comparativement aux hommes et une moindre stabilité de l'articulation glénohumérale. Ces différences pourraient contribuer à expliquer la prévalence de blessure du membre supérieur plus élevée chez les femmes manutentionnaires. Cette thèse a donc permis de développer des indicateurs synthétiques et un logiciel libre d'analyse biomécanique qui pourraient permettre aux ergonomes d'évaluer l'exposition aux risques de blessures du membre supérieur pendant une tâche de travail dynamique. Appliqués à une population spécifique, ces indicateurs suggèrent qu'il est crucial d'accorder une attention particulière au sexe pendant l'évaluation d'une tâche de travail au-dessus des épaules.

Work-related upper limb musculoskeletal disorders represent a public health challenge in the material handling industry. In addition to affecting the worker's quality of life, these injuries result in lost work time and increased production costs. While we have epidemiological evidence that more female material handlers suffer from shoulder pain than men, the literature is lacking biomechanical indicators that explain the origin of this difference.

The general objective of this thesis was to improve the evaluation of upper limb handling techniques, with three specific objectives~: (1) to develop synthetic kinematic, electromyographic and musculoskeletal indicators to evaluate and differentiate upper limb handling techniques~; (2) to develop an open source biomechanical analysis software~; and (3) to use the developed indicators and software to describe the biomechanical differences between female and male workers.

We collected kinematics, electromyography and force data on 30 women and 30 men performing a handling task that consisted in lifting a 6 and 12~kg box from hip to eye level. From these data, we developed synthetic indicators~: a kinematic indicator useful to identify poor handling techniques and more generally joint functions~; two electromyographic indicators to quantify the amount of muscle activation and muscle co-contraction~; and two musculoskeletal indicators to estimate total muscle stress and stress applied to the glenohumeral joint.

We have implemented these indicators with pyomeca, our open-source biomechanical analysis software. Available to the biomechanical community, pyomeca provide basic operations useful in the daily workflow of a biomechanical researcher, but also more advanced biomechanical routines geared towards rigid body mechanics and signal processing. pyomeca stands from existing biomechanical software because it is an open-source, user-friendly, specialized and secure solution.

We then applied our synthetic indicators to describe the biomechanical differences between the women and men participating in our experiment. The kinematic indicator showed that women used a poor handling technique, with a higher glenohumeral contribution, a low contribution from the lower limbs and a box further away from the trunk. These differences in technique affected the electromyographic and musculoskeletal indicators, with twice as much muscle activation compared to men and less glenohumeral stability. These results may contribute to the sex difference in the prevalence of upper limb musculoskeletal disorders.

This thesis has enabled the development of biomechanical indicators and an open-source software that could allow ergonomists to assess the upper limb exposure during a dynamic lifting task. Applied to a specific population, these indicators argue for a careful consideration of sex during ergonomics intervention, particularly during overhead work.