Lumbosacral Biomechanics

Definicja/Opis

Biomechanika jest badaniem sił i ich skutków w zastosowaniu do ludzi.

• Kręgosłup lędźwiowo-krzyżowy i jest ważnym biomechanicznie regionem ciała.
• Położony poniżej kręgosłupa piersiowego, kręgosłup lędźwiowy ma zwykle 5 kręgów
• Kość krzyżowa składa się z serii zwykle 5 połączonych kręgów krzyżowych.

Anatomia klinicznie istotna

Jak w przypadku wszystkich kręgów w ciele, kręgi lędźwiowo-krzyżowe składają się z „ciała” w części przedniej, które jest większe i bardziej cylindryczne w odcinku lędźwiowym oraz „łuku kręgowego” w części tylnej, który zamyka otwór kręgowy chroniący tkanki nerwowe.

Kręgi w obrębie kręgosłupa lędźwiowego są oddzielone stawami międzykręgowymi, które są unikalnymi strukturami stawowymi, Krążki międzykręgowe są kluczowym elementem stawu, składającym się z odrębnych cech. Centralne jądro miażdżyste o konsystencji pasty składa się głównie z wody (70-90%) i hydrostatycznych proteoglikanów (65% suchej masy) luźno związanych włóknami kolagenowymi (15-20% suchej masy). Jądro otoczone jest silnymi, koncentrycznymi warstwami kolagenowymi włóknienia pierścieniowego, składającymi się z wody (60-70%), kolagenu (50-60% suchej masy) i proteoglikanów (20% suchej masy), które w większości są zagregowane. Jądro i pierścień zawierają w całości kolagen typu II, natomiast pierścień zewnętrzny zawiera większe stężenie kolagenu typu I. Włókna elastyczne (10%) znajdują się również w pierścieniu i są ułożone okrężnie, skośnie i pionowo, z koncentracją w kierunku miejsc połączenia z płytkami końcowymi kręgów. Blaszka końcowa kręgu pokrywa górną i dolną część krążka i jest silnie połączona włóknistymi chrząstkami z jądrową i pierścieniową częścią krążka. W tkance znajdującej się bliżej kości występuje większa koncentracja kolagenu.

Przejście lędźwiowo-krzyżowe znajduje się zwykle na poziomie L5/S1, a krążek międzykręgowy na tym poziomie ma kształt klina. Kręg przejściowy” jest anomalią kręgosłupa, w której najniższy kręg lędźwiowy jest w pewnym stopniu zrośnięty lub jest uszkodzonym segmentem kości krzyżowej, występującym u 4-30% populacji.

Kość krzyżowa jest trójkątną kością klinowatą z wklęsłym aspektem przednim, wypukłym aspektem grzbietowym i wierzchołkiem. Kość krzyżowa jest pochylona do przodu tak, że jej górna powierzchnia łączy się z kręgiem L5 powyżej, co przyczynia się do powstania „kąta lędźwiowo-krzyżowego”. Krążki międzykręgowe L4/5 i L5/S1 wraz z trzonem kręgu L5 odpowiadają za prawie 60% pomiaru kątowego krzywizny kręgosłupa lędźwiowo-krzyżowego, wynoszącego średnio 61 stopni. Na przedniej powierzchni kości krzyżowej górne i dolne krawędzie połączonych trzonów kręgów odpowiadają sobie w postaci poprzecznych grzbietów. Kość krzyżowa zapewnia wytrzymałość i stabilność miednicy oraz przenosi siły na obręcz miedniczną poprzez stawy krzyżowo-biodrowe. Kręgi krzyżowe są połączone z kością ogonową dolną.

Biomechanika kręgosłupa lędźwiowego i kości krzyżowej (L4-L5 L5-S1)

Trzy ruchy kręgosłupa to zgięcie, wyprost, rotacja i zgięcie boczne. Ruchy te występują jako kombinacja rotacji i translacji w następujących 3 płaszczyznach ruchu: strzałkowej, wieńcowej i poziomej. W wyniku tych ruchów na kręgosłup lędźwiowy i kość krzyżową działają różne siły: siła ściskająca, siła rozciągająca, siła ścinająca, moment zginający i moment skręcający. Na przykład podczas zgięcia lędźwiowego na przedni aspekt dysku działa siła ściskająca, a na tylny – siła rozpraszająca. Przeciwne siły występują w przypadku wyprostu kręgosłupa lędźwiowego.

Zespół kręgosłupa lędźwiowego tworzy efektywny system nośny. Kiedy obciążenie jest przyłożone zewnętrznie do kręgosłupa, wywołuje ono naprężenia w sztywnym trzonie kręgu i stosunkowo elastycznym dysku, powodując łatwiejsze powstawanie naprężeń w dysku. Ciśnienie wewnątrz jądra miażdżystego jest większe niż zero, nawet w stanie spoczynku, co zapewnia mechanizm „obciążenia wstępnego” pozwalający na większą odporność na przyłożone siły. Ciśnienie hydrostatyczne w krążku międzykręgowym wzrasta, powodując nacisk na zewnątrz w kierunku płytek końcowych kręgów, co prowadzi do wybrzuszenia pierścienia włóknistego i powstania sił rozciągających w obrębie koncentrycznych włókien pierścieniowych. Takie przeniesienie sił skutecznie spowalnia nacisk na sąsiedni kręg, działając jak amortyzator. Krążki międzykręgowe są zatem istotną cechą biomechaniczną, skutecznie działając jako fibrokartylna „poduszka” przenosząca siły pomiędzy sąsiadującymi kręgami podczas ruchu kręgosłupa. Krążek lędźwiowy jest bardziej podatny na urazy w porównaniu z innymi regionami kręgosłupa z powodu: włókien pierścieniowych ułożonych bardziej równolegle i cieńszych z tyłu w porównaniu z przodem, jądra miażdżystego umieszczonego bardziej z tyłu oraz otworów w chrzęstnych płytkach końcowych.

Gdy obciążenie jest przyłożone wzdłuż kręgosłupa, siły „ścinające” występują równolegle do krążka międzykręgowego, ponieważ kompresja jądra powoduje boczne wybrzuszenie pierścienia. Siły ścinające powstają również podczas ruchu jednego kręgu, np. do przodu lub do tyłu w stosunku do sąsiedniego kręgu przy zginaniu i wyprostowaniu. Naprężenia skrętne wynikają z działania sił zewnętrznych wokół osi skrętu i występują w krążku międzykręgowym podczas czynności takich jak skręcanie kręgosłupa.
Stawy zygapofizjologiczne lub „fasetowe” zapewniają stabilność stawu międzykręgowego w odniesieniu do sił ścinających, umożliwiając jednocześnie przede wszystkim ruch zgięcia i wyprostu.

Mechanizm urazu / Proces patologiczny

Doświadczenia wskazują, że „przepuklina krążka międzykręgowego” lub wypadnięcie jest prawdopodobnie wynikiem procesu stopniowego lub zmęczeniowego, a nie urazu , jednak klinicznie często pojawiają się doniesienia o nagłym wystąpieniu objawów związanych z przypadkowym dużym obciążeniem kręgosłupa, często w pozycji zgiętej. Naprężenia, które z największym prawdopodobieństwem mogą doprowadzić do urazu kręgosłupa to zginanie i skręcanie, a te połączone ruchy odzwierciedlają siły ścinające, ściskające i rozciągające. Ruchy skrętne są bardziej narażone na uszkodzenie pierścienia, ponieważ tylko połowa włókien kolagenowych jest zorientowana tak, aby wytrzymać ruch w obu kierunkach

Zmiany zwyrodnieniowe krążka związane ze starzeniem się uważano za normalne. Na przykład stężenie proteoglikanów w jądrze miażdżystym zmniejsza się z wiekiem, z 65% we wczesnej dorosłości do 30% w wieku 60 lat, co odpowiada zmniejszeniu uwodnienia jądra miażdżystego i stężenia elastycznych włókien pierścieniowych w tym czasie, w wyniku czego dysk staje się mniej sprężysty. Od dawna uważa się, że dysk zwęża się wraz z wiekiem, jednak duże badania pośmiertne wskazują, że wymiary dysku w rzeczywistości zwiększają się między 2. a 7. dekadą życia. Widoczne zwężenie dysku można uznać za wynik procesu innego niż starzenie się.

Zmniejszeniu ulega również odżywienie płytki końcowej kręgu oraz poziom gęstości kości trzonu kręgu. Zmniejszenie wsparcia ze strony kości podstawowej prowadzi do „mikrozłamań” i migracji materiału jądrowego do trzonu kręgu, znanych jako „węzły Schmorla”, zwykle obserwowanych w kręgosłupie piersiowo-lędźwiowym i piersiowym, o niewielkiej częstości występowania poniżej poziomu L2. Gęstość kości podchrzęstnej stawu lędźwiowego wzrasta do 50 roku życia, po czym zmniejsza się, a chrząstka stawowa mimo zmian ogniskowych z wiekiem nadal się pogrubia, szczególnie w miejscach, gdzie występują siły ścinające podczas powtarzającego się zgięcia i wyprostu. Inne zmiany kostne występują również w stawie twarzowym, w tym tworzenie się „osteofitów” i „zawiniętych zderzaków”, przypuszczalnie w wyniku powtarzających się naprężeń odpowiednio w okolicy wyrostków stawowych górnych i dolnych.

Procesy degeneracji również zostały uznane za patologiczne. W odniesieniu do stawów twarzoczaszki częstymi rozpoznaniami są „choroba zwyrodnieniowa stawów” i „choroba zwyrodnieniowa stawów”. „Spondyloza” i „osteochondroza międzykręgowa” są również terminami używanymi do opisania zmian zwyrodnieniowych w miejscach występowania kręgów i foraminae nerwowych. „Choroba zwyrodnieniowa dysku” i są również częstymi rozpoznaniami.

Proces degeneracji kręgosłupa lędźwiowego został opisany w 3 fazach:

• Etap 1: „Wczesne zwyrodnienie” polega na zwiększonej wiotkości stawów twarzowych, włóknieniu chrząstki stawowej, a krążki międzykręgowe wykazują zmiany zwyrodnieniowe stopnia 1-2.
• Etap 2: „Niestabilność kręgosłupa lędźwiowego” na dotkniętym(-ych) chorobą poziomie(-ach) rozwija się z powodu rozluźnienia torebek stawowych, zwyrodnienia chrząstki i choroby zwyrodnieniowej krążka międzykręgowego stopnia 2-3. Niestabilność segmentowa: może być definiowana jako utrata ruchu i sztywności segmentu, co powoduje, że przyłożenie siły do danego segmentu ruchu powoduje większe przemieszczenia niż w przypadku normalnej struktury. Badania mechaniczne sugerują, że na tym etapie krążek międzykręgowy jest najbardziej podatny na przepuklinę.
• Etap 3: „Utrwalona deformacja” wynika z procesów naprawczych, takich jak osteofity fasetkowe i okołostawowe, skutecznie stabilizujących segment ruchu. Występuje zaawansowane zwyrodnienie stawu twarzowego (lub „zespół stawu twarzowego”) oraz zwyrodnienie dysku stopnia 3-4. Istotne znaczenie kliniczne ma zmiana wymiarów kanału kręgowego spowodowana utrwaloną deformacją i tworzeniem się osteofitów.

Co ważne, częstość występowania spondylozy i choroby zwyrodnieniowej stawów jest taka sama u pacjentów z objawami i bez objawów, co rodzi pytanie, czy te stany powinny być zawsze postrzegane jako rozpoznania patologiczne. Ma to implikacje kliniczne, szczególnie w odniesieniu do interpretacji wyników badań radiologicznych oraz sposobu przedstawiania i omawiania wyników z pacjentami.

Mierniki wyniku

Mierniki wyniku dotyczące bólu i niepełnosprawności obejmują:

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

Dla dalszej oceny czynników psychospołecznych związanych ze schorzeniami kręgosłupa lędźwiowego, przydatne mogą być następujące miary wyników:

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

Zobacz także, Outcome Measures Database

Badanie

Odniesienie do badania odcinka lędźwiowego.

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. Clinically Oriented Anatomy (3rd edition). 1992, Baltimore: Williams and Wilkins
3. 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Bogduk, N. (2012). Radiological and Clinical Anatomy of the Lumbar Spine (5th ed.). 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. Lumbosacral transitional vertebrae: classification, imaging findings, and clinical relevance. 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.. The Biomechanics of Back Pain. Eds. 2002. p238
8. McKenzie, R. (1981). The lumbar spine : mechanical diagnosis and therapy. Waikanae, Nowa Zelandia: 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. Spine 1978; 3(4):319-328

.