Lumbosacrale Biomechanica

Definitie/Omschrijving

Biomechanica is de studie van krachten en hun effecten wanneer toegepast op de mens.

• De lumbosacrale wervelkolom en is een belangrijke biomechanische regio van het lichaam.
• De lendenwervelkolom, die onder de borstwervelkolom ligt, telt normaal 5 wervels
• Het heiligbeen bestaat uit een reeks van meestal 5 vergroeide heiligbeenwervels.

Clinisch relevante anatomie

Zoals alle wervels in het lichaam bestaan de lenden- en de heiligbeenwervel uit een “lichaam” anterior dat groter en meer cilindrisch is in de lendenstreek en een “wervelboog” posterior die het wervelvoorgat omsluit dat de neurale weefsels beschermt.

De wervels in de lendenwervelkolom worden van elkaar gescheiden door tussenwervelschijven, die unieke gewrichtsstructuren zijn, De tussenwervelschijven zijn het hoofdbestanddeel van het gewricht, dat uit verschillende kenmerken bestaat. De centrale, pasta-achtige nucleus pulposus bestaat hoofdzakelijk uit water (70-90%) en hydrostatische proteoglycanen (65% van het drooggewicht), losjes gebonden door collageenvezels (15-20% van het drooggewicht). De kern is omgeven door de sterke concentrische collageenlagen van de annulus fibrosis bestaande uit water (60-70%), collageen (50-60% van het drooggewicht) en proteoglycanen (20% van het drooggewicht) die meestal geaggregeerd zijn. De kern en de annulus bevatten beide collageen van type II, terwijl de buitenste annulus een hogere concentratie collageen van type I bevat. Elastische vezels (10%) worden ook aangetroffen in de annulus en zijn cirkelvormig, schuin en verticaal gerangschikt, met een concentratie naar de aanhechtingsplaatsen met de werveluiteinden. De wervel-eindplaat bedekt de boven- en onderkant van de schijf en is sterk met vezelkraakbeen verbonden met het kern- en ringvormige deel van de schijf. Er is een grotere concentratie van collageen in het weefsel dichter bij het bot.

De lumbosacrale overgang ligt normaal op het niveau van L5/S1 en de tussenwervelschijf op dit niveau is wigvormig. Een “overgangswervel” is een spinale anomalie waarbij de onderste lendenwervel in zekere mate is vergroeid of een uitgevallen segment van het heiligbeen is, waarvan wordt aangenomen dat het bij 4-30% van de bevolking voorkomt.

Het heiligbeen is een driehoekig wigvormig bot met een concaaf voorste aspect, een convex dorsaal aspect en een apex. Het heiligbeen is naar voren gekanteld zodat het bovenvlak scharniert met de bovenliggende L5 wervel, wat bijdraagt tot de “lumbosacrale hoek”. De tussenwervelschijven L4/5 en L5/S1 zijn samen met het wervellichaam L5 goed voor bijna 60% van de hoekmeting van de lumbosacrale kromming, die gemiddeld 61 graden bedraagt. Aan de voorzijde van het heiligbeen komen de superieure en inferieure randen van de vergroeide wervellichamen overeen als transversale ribbels. Het scarum geeft stevigheid en stabiliteit aan het bekken en brengt krachten over op de bekkengordel via de sacro-iliacale gewrichten. De sacrale wervels zijn inferior verbonden met het stuitbeen.

Biomechanica van de lendenwervelkolom en het heiligbeen (L4-L5 L5-S1)

De 3 bewegingen in de wervelkolom zijn flexie, extensie, rotatie en laterale flexie. Deze bewegingen komen voor als een combinatie van rotatie en translatie in de volgende 3 bewegingsvlakken: sagittaal, coronaal en horizontaal. Deze bewegingen resulteren in verschillende krachten die op de lendenwervelkolom en het heiligbeen werken: drukkracht, trekkracht, schuifkracht, buigmoment en torsiemoment. Bijvoorbeeld, bij lumbale flexie wordt een drukkracht uitgeoefend op het voorste aspect van de schijf en een afleidende kracht op het achterste aspect van de schijf. De tegengestelde krachten treden op bij lumbale extensie.

Het lendenwervelkolomcomplex vormt een effectief lastdragend systeem. Wanneer van buitenaf een belasting op de wervelkolom wordt uitgeoefend, veroorzaakt dit spanningen op het stijve wervellichaam en de relatief elastische schijf, waardoor gemakkelijker spanningen in de schijf ontstaan. De druk binnen de nucleus pulposus is groter dan nul, zelfs in rust, waardoor een “voorbelastingsmechanisme” ontstaat dat een grotere weerstand biedt tegen uitgeoefende krachten. De hydrostatische druk binnen de tussenwervelschijf neemt toe, hetgeen resulteert in een naar buiten gerichte druk in de richting van de werveleindplaten, met als gevolg uitpuiling van de annulus fibrosis en trekkrachten binnen de concentrische annulaire vezels. Deze overdracht van krachten vertraagt effectief de drukuitoefening op de aangrenzende wervel en werkt als een schokdemper. De tussenwervelschijven zijn dus een essentieel biomechanisch kenmerk, dat in feite fungeert als een vezelkraakbeen “kussen” dat de krachten tussen de aangrenzende wervels overbrengt tijdens de beweging van de wervelkolom. De lumbale schijf is meer vatbaar voor letsel in vergelijking met andere spinale regio’s als gevolg van: de annulaire vezels die in een meer parallelle opstelling liggen en posterior dunner zijn dan anterior, de nucleus die meer posterior gepositioneerd is, en de gaten in de kraakbenige eindplaten.

Bij belasting van de wervelkolom treden evenwijdig aan de tussenwervelschijf afschuifkrachten op, omdat de compressie van de kern leidt tot een zijdelingse uitstulping van de annulus. Afschuifkrachten treden ook op als een wervel beweegt, bijvoorbeeld naar voren of naar achteren ten opzichte van een aangrenzende wervel bij flexie en extensie. Torsiekrachten vloeien voort uit de externe krachten om de draaias en treden op in de tussenwervelschijf bij activiteit zoals het verdraaien van de wervelkolom.
De zygapofysegewrichten of facetgewrichten bieden stabiliteit aan het tussenwervelgewricht met betrekking tot schuifkrachten, terwijl zij voornamelijk flexie- en extensiebewegingen mogelijk maken.

Mechanisme van letsel / pathologisch proces

Uit experimenten blijkt dat een “hernia” of prolaps van een tussenwervelschijf waarschijnlijk het gevolg is van een geleidelijk of vermoeidheidsproces en niet van een traumatisch letsel, maar klinisch wordt vaak melding gemaakt van een plotseling optreden van symptomen die verband houden met een incidentele hoge belasting van de wervelkolom, vaak in een gebogen houding. De belastingen die het meest waarschijnlijk tot letsel aan de wervelkolom leiden, zijn buiging en torsie, en deze gecombineerde bewegingen weerspiegelen afschuif-, compressie- en trekkrachten. Bij draaibewegingen is de kans op letsel van de annulus groter omdat slechts de helft van de collageenvezels georiënteerd is om de beweging in beide richtingen te weerstaan

De degeneratieve veranderingen van de tussenwervelschijf die gepaard gaan met het ouder worden, worden als normaal beschouwd. Zo vermindert de concentratie proteoglycanen in de kern met de leeftijd, van 65% op jongvolwassen leeftijd tot 30% op 60-jarige leeftijd, hetgeen overeenkomt met een vermindering van de hydratatie van de kern en de concentratie van elastische ringvormige vezels in deze periode, wat resulteert in een minder veerkrachtige schijf. Vernauwing van de schijf met de leeftijd is lang beschouwd, maar grote post-mortem studies geven aan dat de afmetingen van de schijf in feite toenemen tussen het 2e en 7e decennium. Schijnbare schijfvernauwing kan anders worden beschouwd als een gevolg van een ander proces dan veroudering.

Er zijn ook verminderingen in de voeding van de wervelkolom en de botdichtheid van het wervellichaam. De vermindering van de steun van het onderliggende bot resulteert in “microfractuur” en de migratie van kernmateriaal in het wervellichaam, bekend als “Schmorl’s nodes”, die meestal worden gezien in de thoracolumbale en thoracale wervelkolom en een lage incidentie hebben onder het niveau van L2. De subchondrale botdichtheid van het lumbale facetgewricht neemt toe tot de leeftijd van 50 jaar, waarna het afneemt, en het gewrichtskraakbeen blijft verdikken met de leeftijd ondanks focale veranderingen, met name waar schuifkrachten tijdens herhaalde flexie en extensie worden weerstaan. Er treden ook andere benige veranderingen op in het facetgewricht, waaronder de vorming van “osteofyten” en “wikkelbumper”, vermoedelijk ten gevolge van herhaalde belasting van respectievelijk het bovenste en het onderste gewrichtsproces.

De processen van degeneratie zijn ook als pathologisch beschouwd. Met betrekking tot de facetgewrichten zijn “osteoartritis” en “degeneratieve gewrichtsaandoening” veel voorkomende diagnoses. “Spondylose” en “intervertebrale osteochondrose” zijn ook termen die worden gebruikt om degeneratieve veranderingen op de plaatsen van de wervels en de neurale foraminae te beschrijven. “Degeneratieve discusziekte” en zijn ook veel voorkomende diagnoses.

Het proces van degeneratie van de lumbale wervelkolom is beschreven in 3 fasen:

• Fase 1: “Vroege degeneratie” gaat gepaard met toegenomen laxiteit van de facetgewrichten, fibrillatie van het gewrichtskraakbeen en intervertebrale schijven vertonen graad 1-2 degeneratieve veranderingen.
• Stadium 2: “Lumbale instabiliteit” op het (de) betrokken niveau(‘s) ontwikkelt zich als gevolg van laxiteit van de facetkapsels, kraakbeendegeneratie en graad 2-3 degeneratieve discusziekte. Segmentele instabiliteit: kan worden gedefinieerd als bewegingsverlies en segmentale stijfheid zodanig dat krachtuitoefening op dat bewegingssegment grotere verplaatsingen veroorzaakt dan in een normale structuur het geval zou zijn. Mechanische tests wijzen erop dat de tussenwervelschijf in dit stadium het meest vatbaar is voor herniatie.
• Stadium 3: “Vaste vervorming” is het gevolg van herstelprocessen zoals facet- en peridiscale osteofyten die het bewegingssegment effectief stabiliseren. Er is gevorderde degeneratie van het facetgewricht (of “facetgewrichtsyndroom”) en graad 3-4 schijfdegeneratie. Van klinisch belang zijn veranderde afmetingen van het wervelkanaal als gevolg van vaste vervorming en osteofytvorming.

Belangrijk is dat de incidentie van spondylose en artrose gelijk is bij patiënten met en zonder symptomen, wat de vraag oproept of deze aandoeningen altijd als pathologische diagnoses moeten worden gezien. Dit heeft klinische implicaties, met name voor de interpretatie van de bevindingen van radiologisch onderzoek en de wijze waarop de resultaten worden gepresenteerd aan en besproken met de patiënt.

Uitkomstmaten

Uitkomstmaten met betrekking tot pijn en invaliditeit omvatten:

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

Voor verdere beoordeling van psychosociale factoren die samenhangen met lumbosacrale aandoeningen, kunnen de volgende uitkomstmaten nuttig zijn:

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

Zie ook, Outcome Measures Database

Onderzoek

Verwijs naar lumbaal onderzoek.

1. 1.0 1.1 1.2 1.3 Jensen M Biomechanica van de lumbale intervertebrale schijf: een overzicht. Fysiotherapie. 1980; 60(6):765-773.
2. 2.0 2.1 2.2 Moore, KL. Klinisch Georiënteerde Anatomie (3e editie). 1992, Baltimore: Williams and Wilkins
3. 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Bogduk, N. (2012). Radiologische en Klinische Anatomie van de Lumbale Wervelkolom (5e ed.). China: Churchill Livingstone.
4. Chalian M, Soldatos T, Carrino JA, Belzberg AJ, Khanna J, Chhabra A. Voorspelling van trasitionele lumbosacrale anatomie op magnetische resonantie beeldvorming van de lumbale wervelkolom. World Journal of Radiology 2012; 4(3):97-101
5. Konin GP, Walz DM. Lumbosacrale overgangswervels: classificatie, beeldvormingsbevindingen, en klinische relevantie. AJNR Am J Neuroradiol 2010; 31:1778-1786
6. Damasceno LHF, Catarin SRG, Campos AD, Defino HLA. Lumbar lordosis: a study of angle values and of vertebral bodies and intervertebral discs role. Acta Ortop Bras 2006; 14(4):193-198
7. 7.0 7.1 7.2 Adams M., Bogduk N., Burton K. Dolan P.. De biomechanica van rugpijn. Eds. 2002. p238
8. McKenzie, R. (1981). De lumbale wervelkolom : mechanische diagnose en therapie. Waikanae, Nieuw Zeeland: 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. Segmentale instabiliteit. Spine 1985; 10:280-286
12. Kirkaldy-Wallis WH, Wedge JH, Yong-Hing K, Reilly J. Pathologie en pathogenese van lumbale spondylose en stenose. Spine 1978; 3(4):319-328