Objectifs et principes

La biomécanique est une discipline qui aborde l'étude du corps comme s'il s'agissait uniquement d'un système mécanique : toutes les parties du corps sont assimilées à des structures mécaniques et sont étudiées comme telles. Les analogies suivantes peuvent, par exemple, être faites :

• os : leviers, éléments structuraux

• chair : volumes et masses

• articulations : surfaces d'appui et articulations

• garnitures de joints : lubrifiants

• muscles : moteurs, ressorts

• nerfs : mécanismes de contrôle par rétroaction

• organes : alimentations

• tendons : cordes

• tissu: ressorts

• cavités corporelles : ballons.

L'objectif principal de la biomécanique est d'étudier la façon dont le corps produit de la force et génère du mouvement. La discipline s'appuie principalement sur l'anatomie, les mathématiques et la physique; les disciplines connexes sont l'anthropométrie (l'étude des mesures du corps humain), la physiologie du travail et la kinésiologie (l'étude des principes de la mécanique et de l'anatomie en relation avec le mouvement humain).

En considérant la santé au travail du travailleur, la biomécanique aide à comprendre pourquoi certaines tâches causent des blessures et des problèmes de santé. Certains types d'effets néfastes sur la santé sont les tensions musculaires, les problèmes articulaires, les problèmes de dos et la fatigue.

Les foulures et les entorses dorsales et les problèmes plus graves impliquant les disques intervertébraux sont des exemples courants de blessures au travail qui peuvent être évitées. Ceux-ci surviennent souvent à cause d'une surcharge particulière soudaine, mais peuvent également refléter l'exercice de forces excessives par le corps pendant de nombreuses années : les problèmes peuvent survenir soudainement ou mettre du temps à se développer. Un exemple de problème qui se développe avec le temps est le « doigt de la couturière ». Une description récente décrit les mains d'une femme qui, après 28 ans de travail dans une usine de vêtements, en plus de coudre pendant son temps libre, a développé une peau épaissie et durcie et une incapacité à fléchir ses doigts (Poole 1993). (Plus précisément, elle souffrait d'une déformation en flexion de l'index droit, de nœuds de Heberden proéminents sur l'index et le pouce de la main droite, et d'une callosité proéminente sur le majeur droit en raison du frottement constant des ciseaux.) les films de ses mains ont montré de graves changements dégénératifs dans les articulations les plus externes de son index droit et de son majeur, avec une perte d'espace articulaire, une sclérose articulaire (durcissement des tissus), des ostéophytes (excroissances osseuses au niveau de l'articulation) et des kystes osseux.

L'inspection sur le lieu de travail a montré que ces problèmes étaient dus à une hyperextension répétée (flexion vers le haut) de l'articulation du doigt la plus externe. La surcharge mécanique et la restriction du flux sanguin (visibles comme un blanchiment du doigt) seraient maximales dans ces articulations. Ces problèmes se sont développés en réponse à des efforts musculaires répétés dans un site autre que le muscle.

La biomécanique aide à suggérer des façons de concevoir des tâches pour éviter ces types de blessures ou d'améliorer des tâches mal conçues. Les remèdes à ces problèmes particuliers consistent à reconcevoir les ciseaux et à modifier les tâches de couture pour supprimer la nécessité des actions effectuées.

Deux principes importants de la biomécanique sont :

1. Les muscles viennent par paires. Les muscles ne peuvent que se contracter, donc pour toute articulation, il doit y avoir un muscle (ou groupe de muscles) pour la déplacer dans un sens et un muscle (ou groupe de muscles) correspondant pour la déplacer dans la direction opposée. La figure 1 illustre le point pour l'articulation du coude.
2. Les muscles se contractent plus efficacement lorsque la paire de muscles est en équilibre détendu. Le muscle agit plus efficacement lorsqu'il se trouve au milieu de l'articulation qu'il fléchit. Il en est ainsi pour deux raisons : premièrement, si le muscle essaie de se contracter lorsqu'il est raccourci, il tirera contre le muscle opposé allongé. Parce que ce dernier est étiré, il va appliquer une contre-force élastique que le muscle qui se contracte doit vaincre. La figure 2 montre la façon dont la force musculaire varie avec la longueur du muscle.

Figure 1. Les muscles squelettiques se produisent par paires afin d'initier ou d'inverser un mouvement

Figure 2. La tension musculaire varie avec la longueur du muscle

Deuxièmement, si le muscle essaie de se contracter ailleurs qu'au milieu du mouvement de l'articulation, il fonctionnera avec un désavantage mécanique. La figure 3 illustre l'évolution de l'avantage mécanique du coude dans trois positions différentes.

Figure 3. Positions optimales pour le mouvement articulaire

Un critère important pour la conception du travail découle de ces principes : le travail doit être organisé de manière à ce qu'il se produise avec les muscles opposés de chaque articulation en équilibre détendu. Pour la plupart des articulations, cela signifie que l'articulation doit être à peu près au milieu de son mouvement.

Cette règle signifie également que la tension musculaire sera au minimum pendant l'exécution d'une tâche. Un exemple d'infraction à la règle est le syndrome de surutilisation (RSI ou microtraumatismes répétés) qui affecte les muscles du haut de l'avant-bras chez les opérateurs au clavier qui opèrent habituellement avec le poignet fléchi vers le haut. Cette habitude est souvent imposée à l'opérateur par la conception du clavier et du poste de travail.

Applications

Voici quelques exemples illustrant l'application de la biomécanique.

Le diamètre optimal des manches d'outils

Le diamètre d'un manche affecte la force que les muscles de la main peuvent appliquer à un outil. Des recherches ont montré que le diamètre optimal du manche dépend de l'usage auquel l'outil est destiné. Pour exercer une poussée le long de la ligne de la poignée, le meilleur diamètre est celui qui permet aux doigts et au pouce d'assumer une prise légèrement superposée. C'est environ 40 millimètres. Pour exercer un couple, un diamètre d'environ 50-65 mm est optimal. (Malheureusement, dans les deux cas, la plupart des poignées sont plus petites que ces valeurs.)

L'utilisation de pinces

En tant que cas particulier d'une poignée, la capacité d'exercer une force avec une pince dépend de la séparation de la poignée, comme le montre la figure 4.

Figure 4. Force de préhension des mâchoires de pince exercée par les utilisateurs masculins et féminins en fonction de la séparation des poignées

Posture assise

L'électromyographie est une technique qui peut être utilisée pour mesurer la tension musculaire. Dans une étude de la tension dans le spinaux muscles (du dos) de sujets assis, il a été constaté que se pencher en arrière (avec le dossier incliné) réduisait la tension de ces muscles. L'effet peut s'expliquer par le fait que le dossier supporte davantage le poids du haut du corps.

Des études aux rayons X de sujets dans diverses postures ont montré que la position d'équilibre détendu des muscles qui ouvrent et ferment l'articulation de la hanche correspond à un angle de la hanche d'environ 135º. Celle-ci est proche de la position (128º) qu'adopte naturellement cette articulation en apesanteur (dans l'espace). En position assise, avec un angle de 90º au niveau de la hanche, les muscles ischio-jambiers qui s'étendent sur les articulations du genou et de la hanche ont tendance à tirer le sacrum (la partie de la colonne vertébrale qui se connecte au bassin) en position verticale. L'effet est de supprimer la lordose naturelle (courbure) de la colonne lombaire ; les chaises doivent avoir des dossiers appropriés pour corriger cet effort.

Vissage

Pourquoi les vis sont-elles insérées dans le sens des aiguilles d'une montre ? La pratique est probablement née de la reconnaissance inconsciente que les muscles qui font tourner le bras droit dans le sens des aiguilles d'une montre (la plupart des gens sont droitiers) sont plus gros (et donc plus puissants) que les muscles qui le font tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Notez que les gauchers seront désavantagés lors de l'insertion des vis à la main. Environ 9 % de la population est gauchère et nécessitera donc des outils spéciaux dans certaines situations : ciseaux et ouvre-boîtes en sont deux exemples.

Une étude de personnes utilisant des tournevis dans une tâche d'assemblage a révélé une relation plus subtile entre un mouvement particulier et un problème de santé particulier. Il a été constaté que plus l'angle du coude était grand (plus le bras était droit), plus les gens avaient une inflammation au coude. La raison de cet effet est que le muscle qui fait tourner l'avant-bras (le biceps) tire également la tête du radius (os du bras inférieur) sur le capitule (tête arrondie) de l'humérus (os du bras). L'augmentation de la force à l'angle supérieur du coude a provoqué une plus grande force de friction au niveau du coude, avec un échauffement conséquent de l'articulation, entraînant l'inflammation. À l'angle le plus élevé, le muscle devait également tirer avec une plus grande force pour effectuer l'action de vissage, de sorte qu'une force plus grande était appliquée que celle qui aurait été nécessaire avec le coude à environ 90º. La solution consistait à rapprocher la tâche des opérateurs pour réduire l'angle du coude à environ 90º.

Les cas ci-dessus démontrent qu'une bonne compréhension de l'anatomie est nécessaire pour l'application de la biomécanique en milieu de travail. Les concepteurs de tâches peuvent avoir besoin de consulter des experts en anatomie fonctionnelle pour anticiper les types de problèmes abordés. (L'ergonome de poche (Brown et Mitchell 1986) basé sur la recherche électromyographique, suggère de nombreuses façons de réduire l'inconfort physique au travail.)

Manutention manuelle des matériaux

Le terme manipulation manuelle comprend soulever, abaisser, pousser, tirer, porter, déplacer, tenir et retenir, et englobe une grande partie des activités de la vie professionnelle.

La biomécanique a un lien direct évident avec le travail de manutention manuelle, puisque les muscles doivent bouger pour effectuer des tâches. La question est : combien de travail physique peut-on raisonnablement s'attendre à ce que les gens fassent ? La réponse dépend des circonstances; il y a vraiment trois questions qui doivent être posées. Chacun a une réponse basée sur des critères scientifiquement recherchés :

1. Quelle quantité peut être manipulée sans dommage pour le corps (sous la forme, par exemple, d'une fatigue musculaire, d'une blessure au disque ou de problèmes articulaires) ? C'est ce qu'on appelle le critère biomécanique.
2. Quelle quantité peut être manipulée sans surmener les poumons (respiration difficile au point de haleter) ? C'est ce qu'on appelle le critère physiologique.
3. Combien les gens se sentent-ils capables de gérer confortablement ? C'est ce qu'on appelle le critère psychophysique.

Il est nécessaire d'avoir ces trois critères différents parce qu'il y a trois réactions très différentes qui peuvent survenir aux tâches de levage : si le travail dure toute la journée, la préoccupation sera de savoir comment la personne sent sur la tâche — le critère psychophysique ; si la force à appliquer est importante, le souci serait que les muscles et les articulations sont pas surchargé jusqu'à l'endommagement - le critère biomécanique ; et si le taux de travail est trop grande, alors elle peut bien dépasser le critère physiologique, ou la capacité aérobie de la personne.

De nombreux facteurs déterminent l'étendue de la charge exercée sur le corps par une tâche de manutention manuelle. Tous suggèrent des opportunités de contrôle.

Postures et mouvements

Si la tâche exige qu'une personne se torde ou se penche vers l'avant avec une charge, le risque de blessure est plus grand. Le poste de travail peut souvent être repensé pour empêcher ces actions. Plus de blessures au dos surviennent lorsque le levage commence au niveau du sol par rapport au niveau de la mi-cuisse, ce qui suggère des mesures de contrôle simples. (Cela s'applique également au levage élevé.)

La charge.

La charge elle-même peut influencer la manutention en raison de son poids et de son emplacement. D'autres facteurs, tels que sa forme, sa stabilité, sa taille et sa glissance peuvent tous affecter la facilité d'une tâche de manutention.

Organisation et environnement.

La façon dont le travail est organisé, à la fois physiquement et dans le temps (temporellement), influence également la manipulation. Il est préférable de répartir la charge du déchargement d'un camion dans un quai de livraison sur plusieurs personnes pendant une heure plutôt que de demander à un travailleur de passer toute la journée sur la tâche. L'environnement influence la manipulation - un éclairage insuffisant, des sols encombrés ou inégaux et un mauvais entretien ménager peuvent tous faire trébucher une personne.

Facteurs personnels.

Les compétences personnelles en manipulation, l'âge de la personne et les vêtements portés peuvent également influer sur les exigences de manipulation. L'éducation pour la formation et le levage est nécessaire à la fois pour fournir les informations nécessaires et pour laisser le temps au développement des compétences physiques de manutention. Les jeunes sont plus à risque; d'autre part, les personnes âgées ont moins de force et moins de capacité physiologique. Les vêtements serrés peuvent augmenter la force musculaire requise dans une tâche lorsque les gens s'efforcent contre le tissu serré; des exemples classiques sont l'uniforme smocké de l'infirmière et la salopette serrée lorsque les gens travaillent au-dessus de leur tête.

Limites de poids recommandées

Les points mentionnés ci-dessus indiquent qu'il est impossible d'énoncer un poids qui sera "sûr" en toutes circonstances. (Les limites de poids ont eu tendance à varier d'un pays à l'autre de manière arbitraire. Les dockers indiens, par exemple, étaient autrefois "autorisés" à soulever 110 kg, tandis que leurs homologues de l'ancienne République démocratique populaire d'Allemagne étaient "limités" à 32 kg. .) Les limites de poids ont également tendance à être trop élevées. Les 55 kg suggérés dans de nombreux pays sont maintenant considérés comme beaucoup trop élevés sur la base de preuves scientifiques récentes. Le National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) aux États-Unis a adopté 23 kg comme limite de charge en 1991 (Waters et al. 1993).

Chaque tâche de levage doit être évaluée selon ses propres mérites. Une approche utile pour déterminer une limite de poids pour une tâche de levage est l'équation développée par le NIOSH :

RWL = LC x HM x VM x DM x AM x CM x FM

Où

RWL = limite de poids recommandée pour la tâche en question

HM = la distance horizontale du centre de gravité de la charge au point médian entre les chevilles (minimum 15 cm, maximum 80 cm)

VM = la distance verticale entre le centre de gravité de la charge et le sol au début de l'ascenseur (maximum 175 cm)

DM = la course verticale de l'élévateur (minimum 25 cm, maximum 200 cm)

AM = facteur d'asymétrie - l'angle dont la tâche s'écarte directement devant le corps

CM = multiplicateur de couplage - la capacité à bien saisir l'élément à soulever, qui se trouve dans un tableau de référence

FM = multiplicateurs de fréquence–la fréquence du levage.

Toutes les variables de longueur dans l'équation sont exprimées en unités de centimètres. Il convient de noter que 23 kg est le poids maximum recommandé par le NIOSH pour le levage. Cela a été réduit de 40 kg après que l'observation de nombreuses personnes effectuant de nombreuses tâches de levage a révélé que la distance moyenne du corps au début de l'ascenseur est de 25 cm, et non les 15 cm supposés dans une version antérieure de l'équation (NIOSH 1981 ).

Indice de levage.

En comparant le poids à soulever dans la tâche et le RWL, un indice de levage (LI) peut être obtenu selon la relation :

LI=(poids à manipuler)/RWL.

Par conséquent, une utilisation particulièrement précieuse de l'équation NIOSH est le classement des tâches de levage par ordre de gravité, en utilisant l'indice de levage pour définir les priorités d'action. (L'équation a cependant un certain nombre de limitations qui doivent être comprises pour son application la plus efficace. Voir Waters et al. 1993).

Estimation de la compression vertébrale imposée par la tâche

Un logiciel informatique est disponible pour estimer la compression vertébrale produite par une tâche de manipulation manuelle. Les programmes de prédiction de la force statique 2D et 3D de l'Université du Michigan (« Backsoft ») estiment la compression vertébrale. Les entrées nécessaires au programme sont :

• la posture dans laquelle s'effectue l'activité de manutention

• la force exercée

• la direction de l'effort exercé

• le nombre de mains exerçant la force

• le centile de la population étudiée.

Les programmes 2D et 3D se distinguent par le fait que le logiciel 3D permet des calculs s'appliquant à des postures en trois dimensions. Le résultat du programme donne des données sur la compression vertébrale et répertorie le pourcentage de la population sélectionnée qui serait capable d'effectuer la tâche particulière sans dépasser les limites suggérées pour six articulations : cheville, genou, hanche, premier disque-sacrum lombaire, épaule et coude. Cette méthode comporte également un certain nombre de limites qui doivent être bien comprises afin de tirer le maximum de valeur du programme.

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