Approche biomécanique d'une lombalgie, notion de caisson abdominal profond et rôle du muscle transverse de l'abdomen, notion de poutre composite, prévention par le verrouillage volontaire en position intermédiaire

 Dans une lombalgie, l'approche biomécanique est intéressante dans la mesure où elle vise à ce que la charge supportée par le rachis lombaire n’excède pas la capacité de résistance de son système musculo-squelettique. En prévention, le verrouillage lombaire volontaire en position intermédiaire par co-contraction des spinaux et des abdominaux et l'utilisation de la mobilité des membres inférieurs est la solution à privilégier.

I- L'anatomie lombaire

Colonne lombaire de face, de profil et vue de dos, avec ses 5 vertèbres et ses rapports avec les racines nerveuses qui s'échappent de la moelle épinière contenue dans le canal vertébral, à travers le foramen.

Joint intervertébral de profil avec trépied mobile: disque en avant, articulations vertébrales en arrière

Détails d'un joint intervertébral: disque intervertébral entre deux corps vertébraux et ligaments longitudinaux, foramen au milieu par lequel vont s'échapper les racines nerveuses du nerf rachidien (nerf spinal) et en arrière le serment vertébral postérieur cloisonné par les ligaments jaunes et inter et sur -épineux

Coupe transversale d'une vertèbre lombaire avec son canal rachidien contenant la moelle épinière et le départ des nerfs rachidiens 

II- Les critères biomécamécaniques 

Dans l'approche d'une lombalgie, les critères biomémaniques sont essentiellement représentés par les forces de compression et de cisaillement que peuvent supporter les vertèbres lombaires. 

En position assise, le rachis lombaire est en position de flexion ou de délordose. Cette position en flexion, plus que les positions en torsion, est celle que l'on retrouve le plus souvent dans le mécanisme lésionnel du lumbago, et dans cette gestuelle mortifère pour le disque intervertébral, le Dr Troisier a défini trois facteurs de risque qui risquent de bloquer un dos: l'importance de la charge, son amplitude et sa vitesse d'éxécution. A noter qu'un lumbago en position d'extension est rarissime; son origine est alors articulaire postérieure. On peut souligner d'emblée qu'il y a un caractère commun entre une posture nocive et un geste nocif et ce caractère commun est l'antéflexion du tronc. 

En position debout, assise, en antéflexion du tronc et au soulèvement d'une charge sans utilisation des membres inférieurs

Alors que l'antéflexion du tronc est le geste toxique par excellence, la lordose lombaire et plus encore la posture hypercambrée sont diabolisés par une majorité d'individus lombalgiques et de thérapeutes qui luttent contre cette courbure lombaire naturelle et veulent un dos droit et un bassin en rétroversion, et donc un bas du dos en flexion. Or en général dans toute articulation, c'est la position neutre qui entraîne le moins de contraintes  et au niveau lombaire, la position neutre, n'est autre que la lordose physiologique.
Rappelons que l’enfant en gestation (ontogenèse) dans le ventre de sa mère et dans les premiers mois de sa vie terrestre, est en position de cyphose (flexion) de l’ensemble de sa colonne vertébrale. L'évolution dans le temps va amener l'enfant à se déplacer d’abord en lordosant ses cervicales, puis ses lombaires, en rapport direct avec la marche. L'ontogenèse résumant la phylogenèse.

Adaptation phylogénétique

Adaptation ontogénétique

Le Dr Duval- Beaupère dans son analyse biométrique du rachis lombaire, nous explique que l’incidence pelvienne est un paramètre anatomique propre à chacun et que la pente sacrée lui est corrélée, l’homme debout devant compenser ce paramètre par une lordose lombaire, s’il veut ramener la ligne de gravité de son tronc à la verticale de son bassin. Cette lordose lombaire est indispensable pour diminuer le bras de levier et les contraintes liées à la gravité s’exerçant sur cette zone. Toute diminution de la lordose lombaire se manifestera par une projection antérieure du tronc, suivie d'une augmentation des contraintes sur les paravertébraux avec contractures de ces derniers.

Equilibre sagittal du bassin suivant Beauval-Beaupère

III- Les différents déséquilibres observés chez un lombalgique
La perte de l'extension lombaire

Les lombalgiques ont en grande majorité une perte de l’extension lombaire, les amplitudes de flexion étant elles conservées. L'extension du tronc est donc déficitaire, ce déséquilibre entraîne les structures antérieures en position courte, et les structures postérieures en  position longue.
Sur un rachis lombaire équilibré, les contraintes d'étirement et de compression ne posent aucun problème. Si un déséquilibre est présent, les sollicitations répétitives vont se faire toujours dans le même sens, les contraintes de compressions prédomineront sur les éléments antérieurs discaux et les contraintes d'étirements sur les éléments vertébraux postérieurs. Au final, c'est une usure précoce des différentes entités anatomiques qui surviendra.

L' usure précoce antérieure du disque intervertébral et antéflexion du tronc

Le disque intervertébral 

Il est constitué d’un noyau gélatineux central le nucléus, et de fibres circulaires périphériques constitutives de l'annulus, qui emprisonnent le noyau, entre deux plateaux vertébraux adjacents. Sa composition est faite de tissu conjonctif déformable et sa fonction est de permettre la mobilité intervertébrale et d'absorber les contraintes. En antéflexion du tronc (position assise ou debout penché en avant), le disque est comprimé, le noyau repoussé vers l'arrière. Il va contraindre les fibres postérieures de l'annulus qui vont se déformer. 

En antéflexion du tronc, le noyau du disque intervertébral est projeté vers l'arrière avec risque d'entrer en conflit avec les éléments nerveux.
En extension du tronc, les éléments nerveux sont protégés d'une éventuelle migration d'un fragment du disque inter-vertébral.

Toute posture qui se maintient dans le temps ou la répétition de gestes toxiques en antéflexion vont pousser le noyau à se déformer et à faire chemin vers l’arrière en déchirant les fibres circulaires de l'annulus. Quand le noyau arrive au tiers externe du disque, celui-ci, commençant à être innervé commencera à être douloureux (lombalgie discale de type névralgie sympathique). Le disque étant hydrophile et se gonflant pendant la nuit, des douleurs matinales diffuses, en barre, avec notion de dérouillage matinal, pourront apparaître. Si les contraintes en antéflexion se poursuivent, le processus de migration du noyau vers l'arrière va se poursuivre et créer d'abord une protrusion discale simple, puis une hernie discale intra ligamentaire qualifiée de contenue, parce qu'anatomiquement le fragment hernié est solidaire du disque. Si le fragment discal hernié se désolidarise du disque, la HD est qualifiées de migrée ou exclue.
En prenant en compte l’anatomie d'un joint inter-vertébral et ses rapports avec la moelle épinière et les racines nerveuses, il est facile d'observer que l'anteflexion du tronc entraîne le noyau en arrière vers les éléments neurologiques, jusqu'au conflit disco-radiculaire d'abord chimique, puis mécanique et qu'en prévention l’origine de la douleur discale étant comprise par le lombalgique, elle sera suivie d'effets par des gestes à proscrire.
La métamérisation, c. à d. le rapport entre le disque en souffrance ou la racine comprimée et la douleur du membre inférieur: sciatalgies, sciatiques, cruralgies est alors facile à comprendre. Facile à comprendre aussi pour le lombalgique, comment ne pas menacer les éléments neurologiques en plaçant sa colonne en extension. 

L'usure postérieure des facettes articulaires et déséquilibre vertébral
On décrit anatomiquement les facettes articulaires postérieures comme des tuiles placées sur l’arc postérieur de la vertèbre. À une époque, on pensait que ces facettes articulaires se décoaptaient en flexion et se coaptaient en extension. Des études biomécaniques récentes ont démontrés qu’il n’en est rien, elles glissent les unes sur les autres, en avant pendant la flexion, en arrière pendant l’extension. En cas de déséquilibre, elles peuvent se bloquer en glissement antérieur et pour les débloquer, des manoeuvres orthopédiques en extension après testing préalables peuvent être tentées.
Quant à l'arthrose articulaire, le rôle des articulations postérieures étant d’absorber et de répartir les contraintes et le cartilage n’étant pas innervé, il n'est pas en cause dans la lombalgie articulaire postérieure. En cause, la diminution de la surface articulaire qui devient plus fine, limite l'absorption des contraintes qui se déplacent alors vers l'os sous chondral qui est lui innervé et cause des douleurs quand il est sollicité. Il est très important de comprendre que la sensation de blocage en extension n’est pas une impaction, mais un manque d’amplitude des structures capsulo-ligamentaires qu’il faudra récupérer petit à petit par de la kinésithérapie, sans forcer et à l’exemple d’un coude qui ne voudrait plus se tendre. 
L'usure des ligaments vertébraux
Les différents ligaments vertébraux limitent la mobilité rachidienne: longitudinal antérieur et postérieur de part et d'autre du disque et des corps vertébraux, le ligament jaune qui cloisonne les lames vertébrales, les ligaments inter et supra-épineux qui solidarisent les apophyses épineuse du segment vertébral postérieur. Pour les léser, il faut sortir de la position neutre et aller en amplitude maximale forcée.

Le déséquilibre de la sangle abdomino-lombaire

Il n'a jamais été prouvé que des personnes souples et musclées ont moins de  douleurs. 

C’est le déséquilibre abdomino/lombaires qui est toxique. 

Parmi les abdominaux, le muscle majeur à privilégier est le Transverse de l'abdomen qu'il faut absolument tonifier.

Le ratio sur le schéma ci dessous, montre que les sujets non lombalgiques ont des muscles spinaux efficaces alors que les lombalgiques ont des abdominaux prédominant. 

En plus d’un déséquilibre passif, les lombalgiques développent un déséquilibre actif. Ils n’ont plus assez de muscles spinaux par rapport aux abdominaux et si par le passé, on utilisait le renforcement abdominal chez ce type de patient, il devient évident que la solution se trouve plutôt dans le renforcement des spinaux, le travail passif, puis actif de récupération de l’extension lombaire rééquilibrant le système.

Le rôle de l'âge et du sexe 

La capacité de résister aux charges externes et internes dépend de l’âge, du poids et du sexe d’un individu, du niveau vertébral (lombaire, thoracique ou cervical) où s’exercent les forces, du type de chargement (compression ou cisaillement) et de la posture. L’âge et le sexe sont déterminants, la capacité des vertèbres diminuant généralement avec l’âge et les femmes ayant habituellement une capacité inférieure aux hommes.

Le seuil de la force en compression de NIOSCH
En raison du grand nombre de facteurs qui entrent en jeu dans la résistance des vertèbres, il est très difficile de fixer une limite de chargement ou un poids limite à manipuler. Actuellement, le seuil le mieux connu est celui de la force en compression du NIOSH, établi à 3,4 kilonewton (kN) (3 400 N ou 340 kgf1). Il protégerait la quasi-totalité des hommes (99 %) et les trois quarts des femmes (75 %). 

Effet de l’âge et du sexe sur la résistance des vertèbres à supporter des charges en compression
Âge	Femme Charge (kN)	Homme Charge (kN)
20	4,4	6,0
30	3,8	5,0
40	3,2	4,0
50	2,6	3,0
60	2,0	2,0
Note : Valeur limite recommandée par NIOSH :3,4 kN (340 kgf) pour tous les âges et les deux sexes.

Bien que l’unité de mesure de force est généralement le newton (N), on peut aussi rencontrer l’unité de kilogramme-force (1kg = 1kgf).

Ce seuil a été fréquemment contesté parce qu’il ne tient pas compte de l’âge, comme le souligne le tableau ci-dessus. Malgré tout, le seuil du NIOSH a l’avantage de protéger beaucoup plus, que moins. Quant au seuil acceptable en cisaillement, il y a consensus pour le situer autour de 1,0 kN (1 000 N ou 100 kgf), bien que peu d’études documentent cette question.
Critères acceptables : 3 400 N en compression 1 000 N en cisaillement
Les forces de cisaillement
Une force de cisaillement est une force appliquée de manière parallèle ou tangentielle à une face d'un matériau, par opposition aux forces de compression normales qui sont appliquées de manière perpendiculaire. Dans le cas d’une vertèbre, cette force agit en parallèle au plateau vertébral. Comme on peut le voir sur la figure ci- dessous, l’orientation des forces de compression et de cisaillement n’est pas identique le long de la colonne lombaire.

Comment déterminer une limite acceptable à une tâche
Pour déterminer si une tâche se situe dans des limites acceptables, on utilise des modèles biomécaniques. Par la suite, on vérifie les conditions dans lesquelles le chargement demeure dans une limite acceptable, par exemple 3 400 N en force de compression.
Les modèles biomécaniques variant en complexité, les calculs du chargement sur l’articulation L5/S1 est élevé si principalement la charge externe est grande et si les masses segmentaires, par exemple les bras, sont éloignées de L5/S1.
De nombreuses études qui ont évalué cette approche, confirment l’influence de ces facteurs sur le chargement au dos et on a observé que le chargement lombaire sur  L5/S1 augmentait avec un accroissement de la charge ou de la distance verticale et horizontale de la charge.

La stabilité de la colonne vertébrale

On présume qu’une grande partie des blessures au dos serait le résultat d’efforts excessifs, mais ce n’est pas toujours le cas. Par exemple, comment expliquer qu’une personne se blesse au dos en ramassant un crayon au sol ? Une nouvelle hypothèse de recherche pourrait élucider cette problématique en tenant compte de la stabilité de la colonne vertébrale. En soi, la colonne vertébrale est instable et s’affaisse facilement sans l’apport des muscles. Sa rigidité est donc assurée par la contraction des muscles qui l’entourent. On suppose qu’une blessure peut se produire lorsque le recrutement musculaire se fait incorrectement, perturbant la stabilité de la colonne et causant des déplacements vertébraux qui entraînent des lésions. Ainsi, une personne dont le temps de réponse réflexe musculaire serait plus lent qu’une autre pourrait être plus à risque de blessure au dos. Il n’existe pas encore de critères pratiques permettant de savoir si une personne est à risque d’être instable. Toutefois on peut logiquement penser qu’en état de fatigue, tout individu a plus de chance d’effecteur un geste moteur erroné qui mettra à risque la stabilité de sa colonne vertébrale. Une mesure de prévention possible consiste donc à respecter les critères décrits dans l’approche physiologique.  

Moyens de compensation des forces de compression et de cisaillement:  par des spinaux forts et une sangle abdominale tonique.

Avant d'envisager les moyens physiologiques de s'opposer aux différentes contraintes que subit la colonne lombaire, les notions de poutre composite et de caisson abdominal sont à expliciter, le principe du caisson hydropneumatique étant utilisé dans le but de protéger les disques intervertébraux lombaires et les articulations sacro-iliaques. En effet en complément des muscles spinaux, rôle majeur du caisson abdominal profond dans la protection du rachis lombaire et plus spécialement rôle essentiel à des titres divers du muscle transverse de l'abdomen dont les fibres transversales contournent les viscères, préservent entre autres d'une potentielle éventration et protègent efficacement l'orifice profond du canal inguinal dont la faiblesse est la cause première des pubalgies vraies (confer l'article du blog sur vraies et fausses pubalgies).

Rôle du caisson abdominal profond
Rappelons que le caisson abdominal, abdominal CORE (centre) des anglo-saxons, est un ensemble de muscles englobant le diaphragme et les différents muscles du tronc et du bassin. Il supporte la colonne lombaire, le bassin et la cage thoracique, participe à leurs mouvements et au maintien de la station debout. Il est fermé en haut par le muscle diaphragme, en bas par les muscles du plancher pelvien ou périnée, en arrière par la colonne vertébrale et les muscles spinaux qui sont des extenseurs du rachis et en avant par les muscles abdominaux composés à 95% de fibres dites toniques à activité essentiellement statique. Ces abdominaux sont disposés en deux plans:
- un plan superficiel avec les obliques qui sont des muscles attachés entre bassin et cage thoracique, assurant la rétroversion du bassinet la rotation du tronc et participant à sa flexion, leur contraction entrainant le rapprochement des basses cotes vers la ligne médiane du corps, les grands droits qui sont les muscles responsables de la flexion globale du tronc et de l'abaissement des cotes lorsqu'on plie le corps en avant. Ils sont antagonistes du muscle transverse et il va falloir s'en rappeler lorsqu'on travaille les abdominaux et opter définitivement pour un travail de type isométrique en lieu et place d'un travail de crunch en flexion (Bernadette de Gasquet). Ce plan superficiel lorsqu'il est activé, génère aussi une pression sur le caisson abdominal inférieur périnéal et en cas de problèmes de descente d'organes, de fuite urinaire ou en post accouchement, il sera primordial de ne pas le solliciter.

- un plan profond, le transverse de l'abdomen, qui forme la limite antérieure du caisson abdominal profond. Il constitue de par l'horizontalisation de ses fibres, la ceinture musculaire naturelle de l'abdomen et travaille en synergie avec les muscles du périnée. A l'expiration il se contracte légèrement, resserrant la taille sur elle même et permettant au diaphragme de remonter vers la cage thoracique. Les muscles du plan profond sont tous synergistes et leur travail provoque un effet caisson qui génère une pression autour de la colonne vertébrale et la protège. Cet effet caisson, comparable à un cylindre abdominal, assure la stabilité de la colonne vertébrale lombaire. 

Rôle de poutre composite de l'association rachis lombaire et muscles spinaux + muscle transverse de l'abdomen 

Ce muscle transverse de l'abdomen de par sa structure horizontale en association avec les muscles spinaux structurés longitudinalement et obliquement, joue également le rôle d'une poutre composite qui nous le rappelons est en biomécanique, l'association de 2 matériaux différents, unis solidairement et partageant les contraintes auxquelles ils sont soumis en fonction de leur élasticité propre. En clair, rachis lombaire, spinaux et transverse de l'abdomen à la manière d'une poutre composite, sont capables de mieux résister aux différentes contraintes professionnelles et sportives en offrant un maximum de résistance avec un minimum d'encombrement.

Besoin d'avoir des muscles spinaux forts, portion verticale de la poutre composite

Caisson abdominal profond (muscle transverse de l'abdomen+++) amortisseur des contraintes et portion horizontale de la poutre composite

Prévention par le verrouillage volontaire lombaire 

La technique du verrouillage lombaire vise à protéger le rachis dans les gestes du quotidien selon la définition donnée par Olivier Troisier. Cette définition est la seule qui réponde aux impératifs biomécaniques, à l’inverse de la définition en délordose avec rétroversion du bassin. Cette définition en délordose ne répondant qu’à une sédation partielle et temporaire de la douleur pour des patients ayant une lordose déficitaire. Il faut préciser que Troisier n’a jamais prôné un verrouillage continu mais uniquement dans les situations à risque, pour éviter la kinésiophobie. Ces situations sont le port de charge, amplitude extrême ou vitesse lors du mouvement. Pour expliquer cette notion, un exemple très simple de mal au coude aide à mieux comprendre. Serait-il logique de demander de contracter un coude douloureux toute la journée? Non, une telle action ne ferait qu’augmenter les contraintes mécaniques sur une articulation déjà en souffrance.
Le verrouillage lombaire utilise les principes suivants :
– immobilisation volontaire du rachis
– en position intermédiaire
– par la cocontraction des spinaux et des abdominaux
– utilisation de la mobilité des membres inférieurs.

L'exemple du bon verrouillage lombaire des haltérophiles

Le meilleur des exemples pour expliciter ce verrouillage se trouve chez les haltérophiles.

Les contraintes induites par la pratique de ce sport nécessitent une technique parfaite pour protéger les éléments constitutifs du rachis. Ils écartent les jambes, plient les genoux. La barre a un bras de levier minimum par rapport à eux. Juste avant de monter, ils se cambrent  et regardent devant eux pour sortir le sternum et utiliser les réflexes archaïques du cou en induisant une stimulation de la chaîne d’extension. Ainsi, ils positionnent toute leur colonne en extension, verrouillée par les spinaux et stabilisée par le travail de caisson hydropneumatique des abdominaux. 

                                                         

Exemple de verrouillage lombaire chez un haltérophile

L'implication du bassin et des membres inférieurs dans la lombalgie

Plus les membres inférieurs participent au mouvement, moins la colonne est sollicitée et le fait de plier les genoux au moment de soulever une charge quelconque est un geste salutaire. Dans bien des activité de la vie courante (ménage, cuisine, soins à la personne, etc.), l'impression est que bassin et membres inférieurs sont figés, comme si l'individu restait campé sur une plaque de marbre, le bassin et que rien ne bouge en dessous et que tous les déplacements du corps se font au niveau de la colonne vertébrale. Et si plier les genoux pour atteindre le sol est trop difficile, les patients plieront leur dos. 

En passif, si le bassin est fixé par les ischio-jambiers, chaque fois que l'on se penche en avant, le mouvement ne se fait pas dans les hanches mais directement au niveau des lombaires. 
Force et souplesse du bassin sont donc nécessaires pour que les membres inférieurs absorbent plus de contraintes dans la vie courante, la position des lombaires dépendant entièrement de celle du bassin. Une rétroversion complète entraîne une flexion lombaire complète, le bassin étant sous la dépendance des muscles droit fémoral et ischio-jambiers (IJ). Une astuce simple : tant que les pieds restent sous le bassin, la tension entre les deux groupes musculaires (quadriceps et IJ) reste neutre, le bassin restant dans une position neutre, les lombaires font de même. Dès lors que les pieds sont positionnés vers l' avant, les ischio- jambiers sont mis en tension par rapport au droit fémoral, le bassin est attiré en rétroversion, et les lombaires se retrouvent en flexion. 

Au final

Cet article a pour but de faire prendre conscience à tous les lombalgiques de renforcer leurs spinaux et leur caisson abdominal profond et d'apprendre quand le besoin s'en fait sentir avec leur kinésithérapeute ou dans une école du dos à travers un programme de restauration fonctionnelle du rachis, à verrouiller volontairement leur colonne lombaire en position intermédiaire selon Troisier et faire du rameur (excellent à la fois pour la condition physique générale et les muscles abdominaux grâce à un travail tonique en isométrie).

Bibliographie: Xavier DUFOUR, Patrick GHOSSOUB, Alexandre CÉRIANI, Gilles BARETTE, Institut de thérapie manuelle et École du dos de Paris