Lumbosakrale Biomechanik

Definition/Beschreibung

Biomechanik ist die Lehre von den Kräften und ihren Wirkungen bei der Anwendung auf den Menschen.

• Die lumbosakrale Wirbelsäule ist ein wichtiger biomechanischer Bereich des Körpers.
• Unterhalb der Brustwirbelsäule gelegen, hat die Lendenwirbelsäule normalerweise 5 Wirbel
• Das Kreuzbein besteht aus einer Reihe von normalerweise 5 verschmolzenen Kreuzbeinwirbeln.

Klinisch relevante Anatomie

Wie alle Wirbel des Körpers bestehen auch die Lenden- und Kreuzbeinwirbel aus einem „Körper“ im vorderen Bereich, der im Lendenbereich größer und zylindrischer ist, und einem „Wirbelbogen“ im hinteren Bereich, der das Wirbelloch zum Schutz des Nervengewebes umschließt.

Die Wirbel in der Lendenwirbelsäule sind durch Zwischenwirbelgelenke getrennt, die einzigartige Gelenkstrukturen darstellen. Die Bandscheiben sind der wichtigste Bestandteil des Gelenks und bestehen aus unterschiedlichen Merkmalen. Der zentrale, pastenartige Gallertkern (Nucleus pulposus) besteht hauptsächlich aus Wasser (70-90 %) und hydrostatischen Proteoglykanen (65 % des Trockengewichts), die durch Kollagenfasern (15-20 % des Trockengewichts) locker gebunden sind. Der Kern ist von den starken konzentrischen Kollagenschichten der Anulusfibrose umgeben, die aus Wasser (60-70 %), Kollagen (50-60 % des Trockengewichts) und Proteoglykanen (20 % des Trockengewichts) bestehen, die größtenteils aggregiert sind. Sowohl der Kern als auch der Ringmuskel enthalten durchgängig Kollagen vom Typ II, während der äußere Ringmuskel eine höhere Konzentration an Kollagen vom Typ I aufweist. Elastische Fasern (10 %) befinden sich ebenfalls im Anulus und sind zirkulär, schräg und vertikal angeordnet, mit einer Konzentration in Richtung der Verbindungsstellen mit den Wirbelendplatten. Die Wirbelendplatte bedeckt die obere und untere Seite der Bandscheibe und ist durch Faserknorpel stark mit den Kern- und Ringanteilen der Bandscheibe verbunden. Im knochennahen Gewebe ist eine größere Konzentration von Kollagen vorhanden.

Der lumbosakrale Übergang befindet sich normalerweise auf der Höhe von L5/S1 und die Bandscheibe auf dieser Höhe ist keilförmig. Ein „Übergangswirbel“ ist eine Wirbelsäulenanomalie, bei der der unterste Lendenwirbel bis zu einem gewissen Grad verschmolzen ist, oder ein ausgefallenes Segment des Kreuzbeins, das vermutlich bei 4-30 % der Bevölkerung auftritt.

Das Kreuzbein ist ein dreieckiger, keilförmiger Knochen mit einer konkaven Vorderseite, einer konvexen Rückenseite und einem Scheitelpunkt. Das Kreuzbein ist nach vorne gekippt, so dass die obere Fläche mit dem darüber liegenden Wirbel L5 artikuliert und zum „lumbosakralen Winkel“ beiträgt. Die Bandscheiben L4/5 und L5/S1 machen zusammen mit dem Wirbelkörper L5 fast 60 % des Winkelmaßes der lumbosakralen Krümmung aus, im Durchschnitt 61 Grad. Auf der vorderen Oberfläche des Kreuzbeins korrespondieren die oberen und unteren Ränder der verschmolzenen Wirbelkörper in Form von Querrippen. Das Skarum verleiht dem Becken Festigkeit und Stabilität und überträgt die Kräfte über die Iliosakralgelenke auf den Beckengürtel. Die Kreuzbeinwirbel sind inferior mit dem Steißbein verbunden.

Biomechanik der Lendenwirbelsäule und des Kreuzbeins (L4-L5 L5-S1)

Die 3 Bewegungen der Wirbelsäule sind Flexion, Extension, Rotation und Lateralflexion. Diese Bewegungen treten als eine Kombination von Rotation und Translation in den folgenden 3 Bewegungsebenen auf: sagittal, koronal und horizontal. Diese Bewegungen führen zu verschiedenen Kräften, die auf die Lendenwirbelsäule und das Kreuzbein wirken: Druckkraft, Zugkraft, Scherkraft, Biegemoment und Torsionsmoment. Bei der lumbalen Beugung beispielsweise wirkt eine Druckkraft auf die vordere Seite der Bandscheibe und eine Zugkraft auf die hintere Seite der Bandscheibe. Bei der lumbalen Extension treten die entgegengesetzten Kräfte auf.

Der Lendenwirbelsäulenkomplex bildet ein effektives Lastenträgersystem. Wenn eine Last von außen auf die Wirbelsäule einwirkt, werden Spannungen auf den steifen Wirbelkörper und die relativ elastische Bandscheibe ausgeübt, so dass sich in der Bandscheibe leichter Dehnungen bilden. Der Druck innerhalb des Nucleus pulposus ist selbst im Ruhezustand größer als Null, was einen „Vorspannungs“-Mechanismus darstellt, der einen größeren Widerstand gegen die einwirkenden Kräfte ermöglicht. Der hydrostatische Druck in der Bandscheibe nimmt zu und führt zu einem Druck nach außen in Richtung der Wirbelendplatten, was zu einer Ausbeulung der Anulusfibrose und zu Zugkräften innerhalb der konzentrischen Ringfasern führt. Durch diese Kraftübertragung wird die Druckausübung auf den benachbarten Wirbel effektiv verlangsamt und wirkt wie ein Stoßdämpfer. Die Bandscheiben sind daher ein wesentliches biomechanisches Merkmal, das als Faserknorpel-„Kissen“ fungiert und die Kräfte zwischen benachbarten Wirbeln während der Wirbelsäulenbewegung überträgt. Die lumbale Bandscheibe ist im Vergleich zu anderen Wirbelsäulenregionen anfälliger für Verletzungen, da die ringförmigen Fasern paralleler angeordnet und posterior dünner als anterior sind, der Kern posterior liegt und die knorpeligen Endplatten Löcher aufweisen.

Wenn eine Last entlang der Wirbelsäule aufgebracht wird, treten „Scherkräfte“ parallel zur Bandscheibe auf, da die Kompression des Kerns zu einer seitlichen Vorwölbung des Anulus führt. Scherkräfte treten auch auf, wenn sich ein Wirbel z. B. bei Beugung und Streckung gegenüber einem benachbarten Wirbel vorwärts oder rückwärts bewegt. Torsionsspannungen resultieren aus den äußeren Kräften um die Drehachse und treten in der Bandscheibe bei Aktivitäten wie der Verdrehung der Wirbelsäule auf.
Die Zygapophysen- oder „Facetten“-Gelenke sorgen für die Stabilität des Zwischenwirbelgelenks gegenüber Scherkräften, während sie vor allem Beuge- und Streckbewegungen ermöglichen.

Mechanismus der Verletzung / pathologischer Prozess

Experimente deuten darauf hin, dass ein „Bandscheibenvorfall“ oder Prolaps wahrscheinlich eher das Ergebnis eines allmählichen oder Ermüdungsprozesses als einer traumatischen Verletzung ist. Klinisch wird jedoch häufig über ein plötzliches Auftreten von Symptomen berichtet, die mit einer zufälligen hohen Belastung der Wirbelsäule, oft in gebeugter Haltung, verbunden sind. Die Belastungen, die am ehesten zu einer Verletzung der Wirbelsäule führen, sind Biegung und Torsion, und diese kombinierten Bewegungen spiegeln Scher-, Druck- und Zugkräfte wider. Bei Drehbewegungen ist es wahrscheinlicher, dass der Anulus verletzt wird, da nur die Hälfte der Kollagenfasern so ausgerichtet ist, dass sie der Bewegung in beide Richtungen standhalten

Die mit dem Alterungsprozess verbundenen degenerativen Bandscheibenveränderungen wurden als normal angesehen. So nimmt beispielsweise die Konzentration der Proteoglykane im Kern mit dem Alter ab, und zwar von 65 % im frühen Erwachsenenalter auf 30 % im Alter von 60 Jahren, was einer Verringerung der Kernhydratation und der Konzentration der elastischen ringförmigen Fasern in diesem Zeitraum entspricht und zu einer weniger elastischen Bandscheibe führt. Eine Verengung der Bandscheibe mit zunehmendem Alter wurde lange Zeit angenommen, doch zeigen große Post-mortem-Studien, dass die Abmessungen der Bandscheibe zwischen dem zweiten und siebten Lebensjahrzehnt tatsächlich zunehmen. Eine scheinbare Verengung der Bandscheibe kann andernfalls als Ergebnis eines anderen Prozesses als des Alterns angesehen werden.

Auch die Ernährung der Wirbelkörperendplatte und die Knochendichte der Wirbelkörper nehmen ab. Die Verringerung der Unterstützung durch den darunter liegenden Knochen führt zu „Mikrofrakturen“ und der Migration von Kernmaterial in den Wirbelkörper, den so genannten „Schmorl-Knoten“, die in der Regel an der thorakolumbalen und thorakalen Wirbelsäule auftreten und unterhalb von L2 nur selten vorkommen. Die subchondrale Knochendichte des lumbalen Facettengelenks nimmt bis zum Alter von 50 Jahren zu, danach nimmt sie ab, und der Gelenkknorpel verdickt sich trotz fokaler Veränderungen mit dem Alter weiter, insbesondere dort, wo Scherkräften bei wiederholter Beugung und Streckung widerstanden wird. Auch andere knöcherne Veränderungen treten am Facettengelenk auf, darunter die Bildung von „Osteophyten“ und „Wrap-around-Bumper“, die vermutlich auf wiederholte Belastungen im Bereich des oberen bzw. unteren Gelenkfortsatzes zurückzuführen sind.

Die Degenerationsprozesse wurden ebenfalls als pathologisch angesehen. In Bezug auf die Facettengelenke sind „Osteoarthritis“ und „degenerative Gelenkerkrankung“ gängige Diagnosen. „Spondylose“ und „intervertebrale Osteochondrose“ sind ebenfalls Bezeichnungen für degenerative Veränderungen an den Wirbelkörpern und den neuralen Foraminae. „Degenerative Bandscheibenerkrankungen“ und sind ebenfalls gängige Diagnosen.

Der Prozess der Degeneration der Lendenwirbelsäule wurde in 3 Phasen beschrieben:

• Stadium 1: „Frühe Degeneration“ beinhaltet eine erhöhte Laxität der Facettengelenke, Fibrillation des Gelenkknorpels und Bandscheiben zeigen degenerative Veränderungen des Grades 1-2.
• Stadium 2: „Lumbale Instabilität“ auf der/den betroffenen Ebene(n) entwickelt sich aufgrund von Laxheit der Facettenkapseln, Knorpeldegeneration und degenerativen Bandscheibenerkrankungen des Grades 2-3. Segmentale Instabilität: kann definiert werden als Verlust von Bewegung und segmentaler Steifigkeit, so dass eine Krafteinwirkung auf das betreffende Bewegungssegment zu größeren Verschiebungen führt, als dies bei einer normalen Struktur der Fall wäre. Mechanische Tests legen nahe, dass die Bandscheibe in diesem Stadium am anfälligsten für einen Bandscheibenvorfall ist.
• Stadium 3: „Fixierte Deformität“ resultiert aus Reparaturprozessen wie Facetten- und Peridiskusosteophyten, die das Bewegungssegment effektiv stabilisieren. Es besteht eine fortgeschrittene Facettengelenksdegeneration (oder „Facettengelenksyndrom“) und eine Bandscheibendegeneration vom Grad 3-4. Von klinischer Bedeutung sind die veränderten Abmessungen des Wirbelkanals aufgrund der fixierten Deformität und der Osteophytenbildung.

Wichtig ist, dass die Häufigkeit von Spondylose und Osteoarthritis bei Patienten mit und ohne Symptome gleich ist, was die Frage aufwirft, ob diese Erkrankungen immer als pathologische Diagnosen betrachtet werden sollten. Dies hat klinische Auswirkungen, insbesondere im Hinblick auf die Interpretation radiologischer Untersuchungsergebnisse und die Art und Weise, wie die Ergebnisse den Patienten präsentiert und mit ihnen besprochen werden.

Outcome-Maßnahmen

Outcome-Maßnahmen in Bezug auf Schmerz und Behinderung umfassen:

• Oswestry Disability Index
• Roland-Morris Disability Questionnaire
• Short-form McGill Pain Questionnaire
• Spinal Cord Independence Measure
• Numeric Pain Rating Scale
• Visual Analogue Scale

Für die weitere Bewertung psychosozialer Faktoren im Zusammenhang mit lumbosakralen Erkrankungen, können die folgenden Ergebnismessungen nützlich sein:

• Orebro Musculoskeletal Pain Screening Questionnaire
• Depression Anxiety Stress Scale
• Fear Avoidance Beliefs Questionnaire
• Tampa Scale of Kinesiophobia
• Chronic Pain Acceptance Questionnaire
• Pain Catastrophizing Scale

Auch siehe, Outcome Measures Database

Untersuchung

Siehe Lumbaluntersuchung.

1. 1.0 1.1 1.2 1.3 Jensen M Biomechanics of the lumbar intervertebral disk: a review. Physical Therapy. 1980; 60(6):765-773.
2. 2.0 2.1 2.2 Moore, KL. Klinisch orientierte Anatomie (3. Auflage). 1992, Baltimore: Williams and Wilkins
3. 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Bogduk, N. (2012). Radiologische und klinische Anatomie der Lendenwirbelsäule (5. Aufl.). China: Churchill Livingstone.
4. Chalian M, Soldatos T, Carrino JA, Belzberg AJ, Khanna J, Chhabra A. Prediction of trasitional lumbosacral anatomy on magnetic resonance imaging of the lumbar spine. World Journal of Radiology 2012; 4(3):97-101
5. Konin GP, Walz DM. Lumbosakrale Übergangswirbel: Klassifikation, bildgebende Befunde und klinische Relevanz. AJNR Am J Neuroradiol 2010; 31:1778-1786
6. Damasceno LHF, Catarin SRG, Campos AD, Defino HLA. Lendenlordose: eine Studie der Winkelwerte und der Rolle der Wirbelkörper und Bandscheiben. Acta Ortop Bras 2006; 14(4):193-198
7. 7.0 7.1 7.2 Adams M., Bogduk N., Burton K. Dolan P.. The Biomechanics of Back Pain. Eds. 2002. p238
8. McKenzie, R. (1981). Die Lendenwirbelsäule : mechanische Diagnose und Therapie. Waikanae, New Zealand: Spinal Publications.
9. White A, Panjabi M. Clinical Biomechanics of the Spine. 1978, Philadelphia: JB Lippincott Co.
10. Hirsch C. The reaction of intervertebral discs to compression forces. J Bone Joint Surg (Am) 1955; 37:1188-1191
11. 11.0 11.1 Frymoyer JW, Selby DK. Segmental instability. Spine 1985; 10:280-286
12. Kirkaldy-Wallis WH, Wedge JH, Yong-Hing K, Reilly J. Pathology and pathogenesis of lumbar spondylosis and stenosis. Wirbelsäule 1978; 3(4):319-328