Lumbosakraalinen biomekaniikka

Määritelmä/kuvaus

Biomekaniikka on voimien ja niiden vaikutusten tutkimista ihmisiin sovellettuna.

• Lumbosakraalinen selkäranka, ja se on elimistön biomekaanisesti tärkeä alue.
• Lanneranka sijaitsee rintarangan alapuolella, ja siinä on tavallisesti 5 nikamaa
• Ristiluu koostuu tavallisesti 5:stä yhteen sulautuneesta ristiluun nikamasta.

Kliinisesti merkityksellinen anatomia

Kuten kaikki kehon nikamat, lannerangan ja ristiluun nikamat koostuvat etupuolella olevasta ”rungosta”, joka on lannerangan alueella isompi ja sylinterimäisempi, ja takapuolella olevasta ”nikamakaaresta”, joka sulkee sisäänsä hermokudoksia suojaavan nikama-aukon.

Lannerangan nikamia erottavat toisistaan nikamavälisten nivelten väliset nivelet, jotka ovat ainutlaatuisia nivelrakenteita, Nikamavälilevyt ovat nivelen keskeinen osa, joka koostuu erilaisista ominaisuuksista. Keskellä oleva pastamainen ydinlevy koostuu pääasiassa vedestä (70-90 %) ja hydrostaattisista proteoglykaaneista (65 % kuivapainosta), joita kollageenikuidut (15-20 % kuivapainosta) sitovat löyhästi. Ytimen ympärillä on annulus fibroosin vahvat keskittyvät kollageenikerrokset, jotka koostuvat vedestä (60-70 %), kollageenista (50-60 % kuivapainosta) ja proteoglykaaneista (20 % kuivapainosta), jotka ovat enimmäkseen aggregoituneita. Ydin ja rengasrunko sisältävät molemmat kauttaaltaan tyypin II kollageenia, ja ulompi rengasrunko sisältää enemmän tyypin I kollageenia. Annuluksessa on myös elastisia kuituja (10 %), jotka sijoittuvat ympyränmuotoisesti, vinosti ja pystysuoraan siten, että ne keskittyvät kohti nikamalevyjen kiinnityskohtia. Nikamalevy peittää välilevyn ylä- ja alaosan, ja se on vahvasti kiinnittynyt fibroluustolla välilevyn ydin- ja rengasmaisiin osiin. Kollageenia on enemmän kudoksessa, joka on lähempänä luuta.

Lumbosakraalinen siirtymä on tavallisesti tasolla L5/S1, ja välilevy on tällä tasolla kiilamainen. ”Siirtymävaiheen nikama” on selkärangan poikkeavuus, jossa alin lannenikama on jossain määrin fuusioitunut tai ristiluun epäonnistunut segmentti, jota arvellaan esiintyvän 4-30 prosentilla väestöstä.

Ristiluu on kolmionmuotoinen kiilamainen luu, jossa on kovera etuosa, kupera selkäosa ja kärki. Ristiluu on kallistunut eteenpäin siten, että sen yläpinta niveltyy yläpuolella olevan L5-nikaman kanssa, mikä osaltaan vaikuttaa ”lumbosakraaliseen kulmaan”. Välilevyjen L4/5 ja L5/S1 sekä nikaman L5 osuus lumbosakraalisen kaarevuuden kulmamitasta on lähes 60 prosenttia, keskimäärin 61 astetta. Ristiluun etupinnalla sulautuneiden nikamien ylemmät ja alemmat reunat vastaavat toisiaan poikittaisina harjanteina. Ristiluu antaa lantiolle lujuutta ja vakautta ja välittää voimia lantiovyötäröön ristiluunivelten kautta. Ristiluun nikamat ovat inferiorisesti yhteydessä häntäluuhun.

Lannerangan ja ristiluun biomekaniikka (L4-L5 L5-S1)

Selkärangan 3 liikettä ovat fleksio, ekstensio, rotaatio ja lateraalifleksio. Nämä liikkeet tapahtuvat rotaation ja translaation yhdistelmänä seuraavissa kolmessa liiketasossa: sagittaalinen, koronaalinen ja horisontaalinen. Näiden liikkeiden seurauksena lannerankaan ja ristiluun kohdistuu erilaisia voimia: puristusvoima, vetovoima, leikkausvoima, taivutusmomentti ja vääntömomentti. Esimerkiksi lannerangan taivutuksessa välilevyn etupuolelle kohdistuu puristusvoima ja välilevyn takaosaan kohdistuu vetovoima. Lannerangan ojennuksessa esiintyy päinvastaisia voimia.

Lannerangan kompleksi muodostaa tehokkaan kantavan järjestelmän. Kun selkärankaan kohdistetaan ulkoisesti kuormaa, se aiheuttaa rasituksia jäykkään nikamavartaloon ja suhteellisen elastiseen välilevyyn, jolloin välilevyyn syntyy helpommin venymiä. Nucleus pulposuksen sisällä oleva paine on nollaa suurempi jopa levossa, mikä tarjoaa ”esikuormitusmekanismin”, joka mahdollistaa suuremman vastustuskyvyn kohdistuville voimille. Hydrostaattinen paine kasvaa nikamavälilevyn sisällä, mikä johtaa ulospäin suuntautuvaan paineeseen nikamalevyjä kohti, mikä johtaa annulus fibroosin pullistumiseen ja vetovoimien syntymiseen samankeskisissä rengaskuiduissa. Tämä voimien siirtyminen hidastaa tehokkaasti viereiseen nikamaan kohdistuvaa painetta ja toimii iskunvaimentimena. Välilevyt ovat näin ollen olennainen biomekaaninen ominaisuus, joka toimii tehokkaasti kuitunivelen ”tyynynä”, joka siirtää voimaa vierekkäisten nikamien välillä selkärangan liikkeiden aikana. Lannerangan välilevy on muihin selkärangan alueisiin verrattuna alttiimpi vammoille seuraavista syistä: rengasmaiset kuidut ovat samansuuntaisemmassa järjestyksessä ja ohuempia takana kuin edessä, ydin on sijoitettu enemmän taaksepäin ja rustoisissa päätylevyissä on reikiä.

Kun kuormitus kohdistuu selkärankaa pitkin, välilevyn suuntaiset ”leikkausvoimat” syntyvät, kun ytimen puristuminen johtaa annuluksen lateraaliseen pullistumiseen. Leikkausvoimia syntyy myös, kun yksi nikama liikkuu esimerkiksi eteen- tai taaksepäin viereiseen nikamaan nähden fleksiossa ja ekstensiossa. Vääntöjännitykset johtuvat ulkoisista voimista kiertoakselin ympärillä, ja niitä esiintyy välilevyssä esimerkiksi selkärangan kiertyessä.
Zygapofyysi- eli ”fasettinivelet” tarjoavat nikamien väliselle nivelelle vakautta leikkausvoimien suhteen samalla kun ne mahdollistavat ensisijaisesti fleksio- ja ekstensioliikkeet.

Vammamekanismi / patologinen prosessi

Kokeet osoittavat, että ”välilevytyrä” tai -prolapsi on todennäköisesti seurausta pikemminkin asteittaisesta tai väsymisprosessista kuin traumaattisesta vammasta , mutta kliinisesti raportoidaan usein äkillisestä oireiden alkamisesta, joka liittyy selkärangan satunnaiseen suureen kuormitukseen, usein taivutusasennossa. Selkärangan vammoja todennäköisimmin aiheuttavat rasitukset ovat taivutus ja vääntö, ja nämä yhdistetyt liikkeet heijastavat leikkaus-, puristus- ja vetovoimia. Kiertoliikkeet vahingoittavat todennäköisemmin annulusta, koska vain puolet kollageenikuiduista on suuntautunut vastustamaan liikettä kumpaankin suuntaan

Ikääntymiseen liittyviä välilevyn degeneratiivisia muutoksia on pidetty normaaleina. Esimerkiksi proteoglykaanien pitoisuustasot ytimessä pienenevät iän myötä 65 prosentista varhaisaikuisuudessa 30 prosenttiin 60-vuotiaana, mikä vastaa ytimen hydratoitumisen ja elastisten rengaskuitujen pitoisuuden vähenemistä tänä aikana, jolloin välilevyn joustavuus heikkenee. Jo pitkään on katsottu, että välilevy kapenee iän myötä, mutta suuret post mortem -tutkimukset osoittavat, että välilevyn mitat itse asiassa kasvavat toisen ja seitsemännen vuosikymmenen välillä. Näennäinen välilevyn kapeneminen voidaan muutoin katsoa johtuvan muusta prosessista kuin ikääntymisestä.

Nikaman nikamalevyravinteen ja nikamavartalon luuntiheyden tasot ovat myös pienentyneet. Alapuolisen luun tuen väheneminen johtaa ”mikromurtumiin” ja ydinmateriaalin siirtymiseen nikamavartaloon, jotka tunnetaan nimellä ”Schmorlin solmut” ja joita tavallisesti havaitaan thorakolumbaalisessa ja rintarangan selkärangassa, ja niiden esiintyvyys on vähäinen L2-tason alapuolella. Lannerangan fasettinivelen subkondraalinen luuntiheys kasvaa 50 ikävuoteen asti, minkä jälkeen se vähenee, ja nivelrusto jatkaa paksuuntumistaan iän myötä fokaalisista muutoksista huolimatta erityisesti silloin, kun toistuvassa fleksiossa ja ekstensiossa esiintyviä leikkausvoimia vastustetaan. Fasettinivelessä tapahtuu myös muita luisia muutoksia, kuten ”osteofyyttien” ja ”wrap-around bumperin” muodostumista, jotka johtuvat oletettavasti toistuvasta rasituksesta ylemmän ja alemman nivelkulman alueilla.

Degeneraatioprosesseja on pidetty myös patologisina. Fasettinivelten osalta ”nivelrikko” ja ”degeneratiivinen nivelsairaus” ovat yleisiä diagnooseja. ”Spondyloosi” ja ”nikamien välinen osteokondroosi” ovat myös termejä, joita käytetään kuvaamaan rappeutumismuutoksia nikamien ja hermopoimujen kohdalla. ”Degeneratiivinen välilevysairaus” ja ovat myös yleisiä diagnooseja.

Lannerangan rappeutumisprosessi on kuvattu kolmessa vaiheessa:

• Vaihe 1: ”Varhaiseen degeneraatioon” kuuluu fasettinivelten lisääntynyt löysyys, nivelruston fibrilloituminen ja nikamavälilevyissä on asteen 1-2 degeneratiivisia muutoksia.
• Vaihe 2: ”Lannerangan instabiliteetti” kehittyy kyseisellä tasolla (kyseisillä tasoilla), mikä johtuu fasettikapselien löysyydestä, nivelruston rappeutumisesta ja 2-3 asteen rappeumasta. Segmentaalinen instabiliteetti: voidaan määritellä liikkeen ja segmenttijäykkyyden menetykseksi siten, että kyseiseen liikesegmenttiin kohdistuva voima aiheuttaa suurempia siirtymiä kuin normaalissa rakenteessa tapahtuisi. Mekaaniset testit viittaavat siihen, että nikamavälilevy on tässä vaiheessa alttiimpi välilevytyrälle.
• Vaihe 3: ”Kiinteä epämuodostuma” johtuu korjausprosesseista, kuten fasetti- ja peridiskusosteofyyttien kaltaisista osteofyytteistä, jotka stabiloivat liikesegmentin tehokkaasti. Pitkälle edennyt fasettinivelen rappeuma (tai ”fasettinivelen oireyhtymä”) ja asteen 3-4 välilevyn rappeuma. Kliinisesti tärkeää on selkäydinkanavan muuttunut ulottuvuus, joka johtuu kiinteästä epämuodostumasta ja osteofyyttien muodostumisesta.

Tärkeää on, että spondyloosin ja nivelrikon esiintyvyys on sama oireisilla ja oireettomilla potilailla, mikä herättää kysymyksen siitä, pitäisikö näitä tiloja aina pitää patologisena diagnoosina. Tällä on kliinisiä vaikutuksia erityisesti radiologisten tutkimustulosten tulkintaan ja siihen, miten tulokset esitetään potilaille ja miten niistä keskustellaan potilaiden kanssa.

Tulosmittarit

Kipuun ja työkyvyttömyyteen liittyviä tulosmittareita ovat mm. seuraavat:

• Oswestryn invaliditeetti-indeksi
• Roland-Morrisin invaliditeettikyselylomake
• Lyhytlomakeinen McGill-kipukyselylomake
• Selkäydinkivun riippumattomuusmittari
• Numeerinen kivunarviointiasteikko
• Visuaalinen analoginen asteikko

Lisäarviointiin, joka koskee psykososiaalisia tekijöitä, jotka ovat yhteydessä lannerangan sairauksiin, seuraavat tulosmittarit voivat olla hyödyllisiä:

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

Katso myös ks, Outcome Measures Database

Tutkimus

Viittaa lannerangan tutkimukseen.

1. 1.0 1.1 1.2 1.3 Jensen M Biomechanics of the lumbar intervertebral disc: a review. Physical Therapy. 1980; 60(6):765-773.
2. 2.0 2.1 2.2 Moore, KL. Kliinisesti suuntautunut anatomia (3. painos). 1992, Baltimore: Williams and Wilkins
3. 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Bogduk, N. (2012). Lannerangan radiologinen ja kliininen anatomia (5. painos). Kiina: 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. Lumbosakraaliset siirtymävaiheen nikamat: luokittelu, kuvantamislöydökset ja kliininen merkitys. AJNR Am J Neuroradiol 2010; 31:1778-1786
6. Damasceno LHF, Catarin SRG, Campos AD, Defino HLA. Lannerangan lordoosi: tutkimus kulma-arvoista sekä nikamarunkojen ja välilevyjen roolista. 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. s238
8. McKenzie, R. (1981). Lanneranka : mekaaninen diagnoosi ja hoito. Waikanae, Uusi-Seelanti: Spinal Publications.
9. White A, Panjabi M. Clinical Biomechanics of the Spine. 1978, Philadelphia: JB Lippincott Co.
10. Hirsch C. Välilevyjen reaktio puristusvoimiin. J Bone Joint Surg (Am) 1955; 37:1188-1191
11. 11.0 11.1 Frymoyer JW, Selby DK. Segmentaalinen instabiliteetti. Spine 1985; 10:280-286
12. Kirkaldy-Wallis WH, Wedge JH, Yong-Hing K, Reilly J. Pathology and pathogenesis of lumbar spondylosis and stenosis. Spine 1978; 3(4):319-328