Biomechanika Kręgosłupa
Kręgosłup jest częścią układu szkieletowego spełniającą takie funkcje jak układ podporowy dla całego organizmu, jako narząd ruchu dający nam dość ograniczony zakres ruchów oraz jako narząd ochrony rdzenia kręgowego.
Kręgosłup połączony jest w części szyjnej z czaszką mieszczącą w sobie wiele ważnych i bardzo wrażliwych narządów takich jak mózg, ucho wewnętrzne, oko. Narządy te muszą być chronione przed nadmiernymi wstrząsami. Taką funkcje obronną spełnia dla nich kręgosłup, dzięki swojemu ukształtowaniu tzn. dzięki lordozie szyjnej, kifozie piersiowej i lordozie lędźwiowej.
Taki sposób ukształtowania kręgosłupa czyni z niego element sprężysty, w którym rozkład sił osiowych jest dobrze rozłożony i przenoszony.
Przez wiele milionów lat postawa człowieka kształtowała się żeby osiągnąć postawę wyprostowaną. Kiedy właściwie już kręgosłup przystosował się do takiej postawy teraz gwałtownie próbujemy znów zmienić jego przeznaczenie. Dziś wymagamy od naszego kręgosłupa, aby przystosował się do pracy w pozycji siedzącej. Już od najmłodszych lat wykorzystujemy kręgosłup w tej pozycji. W szkołach program jest tak opracowany, że uczniowie spędzają w ławkach kilka godzin dziennie. Krzesła w szkolnych ławkach nie są przygotowane dla konkretnych uczniów i dlatego na standardowym krześle siedzą uczniowie o wzroście 130 cm i 170 cm co nie pozostaje bez wpływu na ukształtowanie postawy. Następnym etapem siedzącym w życiu człowieka jest odrabianie lekcji w domu, zapominając o sporcie, który tak doskonale kształtuje postawę. Dalszy tryb siedzący wymusza na nas studiowanie, a potem często praca.
Nawet praca fizyczna jest też często prowadzona z krzywdą dla kręgosłupa. Listonosz nosi ciężką torbę, murarz nosi cegły i inne ciężary często w pozycji niewłaściwej z dużą szkodą dla kręgosłupa.
I praktycznie zawsze to lekceważymy, a kręgosłup jest jak bomba zegarowa z opóźnionym zapłonem... odwdzięcza się nam w późniejszym wieku, a robi to w sposób nieprzyjemny.
Mówiąc o kręgosłupie często ograniczamy nasze wyobrażenie na jego temat do kręgów i krążków międzykręgowych. Ale z punktu widzenia biomechaniki nie jest on narządem niezależnym od innych układów. Jego praca związana jest z budową oraz współpracą wiązadeł i mięśni bezpośrednio związanych z kręgosłupem i pośrednio współpracujących z kręgosłupem (prosty brzucha, skośny zewnętrzny brzucha, poprzeczny brzucha, czworoboczny lędźwi). Dodatkowo wspomaga kręgosłup jest ciśnienie brzuszne.
W skład kręgosłupa (columna vertebralis) wchodzi 7 kręgów szyjnych (vertebrae cervicales), 12 kręgów piersiowych (vertebrae thoracicae), 5 kręgów lędźwiowych (vertebrae lumbales), pięć kręgów krzyżowych (vertebrae sacrales) oraz 4-5 kręgów ogonowych, czyli guzicznych (vertebrae coccygeae).
Kręgosłup stanowi ruchomy słup kostny, rozciągający się od podstawy czaszki do dolnego końca tułowia i położony jest w linii pośrodkowej po grzbietowej stronie ciała. Spełnia on trzy zasadnicze funkcje:-ochrony rdzenia kręgowego-narządu ruchu-narządu podpory ciała.
Jednakże tak naprawdę właściwie spełnia tylko pierwsze zadanie, czyli ochronę rdzenia kręgowego. Kręgosłup tworzy podporę dla górnej części ciała przez co w miarę postępowania ku dołowi zwiększają się jego wymiary i wzmaga się masywność budowy tworzących go elementów.
Najniższą częścią kręgosłupa jest część lędźwiowa (lumbarc), następnie część piersiowa (thorac), a podparcie głowy stanowią kręgi szyjne. Kręgi połączone są ze sobą za pomocą tkanek miękkich, więzadeł oraz mięśni.
Budowa kręgu na każdym kręgu możemy wyróżnić część przednią i tylną. Część przednia to trzon kręgu, a tylna to łuk kręgu.Trzon kręgu ma kształt niskiego krążka z dwiema wklęsłymi powierzchniami po przeciwległych stronach górnej i dolnej. Pomiędzy trzonem, a łukiem znajduje się otwór kręgowy. Kręgosłup zbudowany jest z 24 kręgów nałożonych na siebie, a otwory każdego kręgu tworzą kanał kręgowy. W kanale tym znajduje się część ośrodkowego układu nerwowego , zwana rdzeniem kręgowym.
Łuk kręgu jest znacznie węższy od trzonu. Od łuku kręgu odchodzi 7 wyrostków: nieparzysty wyrostek kolczysty, parzyste wyrostki poprzeczne i dwie pary wyrostków stawowych - górne i dolne.Wyrostki stawowe służą do stawowego połączenia kręgów między sobą, wyrostki kolczyste i poprzeczne są miejscami przyczepów mięśni i wiązadeł.Kręgi szyjne (C 1-7) charakteryzują się innym niż w pozostałych ukształtowaniem wyrostka poprzecznego, który składa się z dwóch listewek kostnych zrastających się na końcach i obejmujących otwór wyrostka poprzecznego. Listewki te zakończone są guzkami, które tworzą rowek przeznaczony dla przedniej gałęzi szyjnego nerwu rdzeniowego.Kręg szczytowy nie posiada trzonu , a zamiast niego znajduje się listewka kostna tzw. łuk kostny.Na górnej powierzchni łuku tylnego, która zamiast wyrostka kolczystego posiada guzek tylny, znajduje się bruzda tętnicy kręgowej. W bruździe tej biegną tętnica i żyła kręgowa oraz pierwszy nerw szyjny.
Kręg obrotowy jest drugim kręgiem szyjnym i ma zupełnie odmienną budowę od pozostałych kręgów. Posiada nadmiernie rozwinięty trzon kręgowy . Jego część wyrasta ku górze i układa się pomiędzy łukiem przednim kręgu szczytowego, a więzadłem poprzecznym. Ta część kręgu nosi nazwę zęba obrotowego.
Kręg wystający jest siódmym, czyli ostatnim kręgiem kręgosłupa szyjnego, a zarazem przejściowym kręgiem pomiędzy kręgosłupem szyjnym, a piersiowym. Charakterystyczną cechą kręgu C-7 jest łatwość jego odnalezienia. Uwypukla się on pod skóra grzbietu podczas zgięcia głowy do przodu.
Kręgi piersiowe Th 1-12. W tej części z kręgosłupem łączą się żebra. Kręgi te charakteryzują się obecnością na powierzchni stawowych. Powierzchnie te nazywamy dołkami stawowymi i znajdują się one na bocznych powierzchniach trzonów. Przez te powierzchnie głowy kręgów łączą się z kręgami piersiowymi. Na kręgach Th 2-9 leżą one na górnej i dolnej krawędzi trzonu. Kręgi Th 11-12 mają tylko po jednej powierzchni stawowej. Zatem kręgi Th 1,11 i 12 łączą się tylo z jednym żebrem.
Kręgi lędźwiowe L 1-5 nie posiadają otworów w wyrostkach poprzecznych, ani powierzchni stawowych dla żeber. Wyrostek poprzeczny kręgu lędźwiowego jest szczątkowym żebrem. Właściwy wyrostek poprzeczny występuje na kręgach lędźwiowych jako tzw. wyrostek dodatkowy.Kość krzyżowa ma kształt klina . W górnej swojej części łączy się z ostatnim kręgiem lędźwiowym L5. Dolny wierzchołek łączy się z kością guziczną. Przednia wklęsła powierzchnia kości krzyżowej nazywana jest miednicą. Kość ta powstała ze zrośnięcia się pięciu kręgów krzyżowych.
Kość guziczna składa się z kręgów ogonowych występujących u człowieka w postaci szczątkowej. U osób starszych kręgi guziczne zrastają się w pojedynczą kość zwaną kością guziczną.
Poszczególne kręgi połączone są ze sobą w ten sposób, że zapewniają zachowanie własności statycznych kręgosłupa, a przy tym umożliwiają ruchy pomiędzy sąsiednimi kręgami. Połączenia te dzieli się na połączenia między trzonami i na stawy między wyrostkami stawowymi kręgów. W połączeniach stawowych wprowadzamy pojęcia połączeń ścisłych (trzony łuków, łuki, wyrostki poprzeczne i wyrostki kolczyste) i połączeń wolnych (pomiędzy wyrostkami stawowymi).
Połączenia trzonów kręgów realizowane są za pomocą włóknistych krążków międzykręgowych. Tak samo jak niejednakowa jest grubość kręgów tak również krążki międzykręgowe mają różna grubość i zwiększa się ona w miarę schodzenia w dół kręgosłupa. W poszczególnych partiach kręgosłupa również wysokość przedniej części krążka i tylnej znacznie się różnią co jest przyczyną powstania krzywizn kręgosłupa. Krążek zbudowany jest z miażdżystego jądra oraz oraz otaczających go pierścieni włóknistych. Przy samych powierzchniach trzonów krążek ma budowę szklistą. Jest to chrząstka która ściśle przylega do trzonów kręgosłupa. Człowiek posiada 23 krążki międzykręgowe. Pierwszy krążek znajduje się pomiędzy drugim, a trzecim kręgiem szyjnym, a ostatni pomiędzy odcinkiem lędźwiowym kręgosłupa, a kością krzyżową.
Stawy międzykręgowe są to stawy pomiędzy wyrostkami stawowymi kręgów. Tworzą je stykające się ze sobą powierzchnie stawowe wyrostków stawowych.
Więzadła kręgosłupa. Więzadła dzielimy na dwie główne grupy, czyli na grupę więzadeł rozciągających się pomiędzy sąsiednimi kręgami i na więzadła biegnące wzdłuż całego kręgosłupa.
Więzadła wiążące sąsiednie łuki kręgów nazywamy więzadłami międzyłukowymi. Więzadła łączące wyrostki poprzeczne noszą nazwę więzadeł międzypoprzecznych, a więzadła wyrostków kolczystych to więzadła międzykolcowe. Więzadła międzyłukowe (więzadła żółte) rozpinają się pomiędzy brzegami łuków kręgów . Tworzy je błona zbudowana z tkanki łącznej sprężystej. Wzmacniają one torebki stawów międzykręgowych, przylegając bezpośrednio do ich tylnych powierzchni .Więzadła międzypoprzeczne rozciągają się pomiędzy wyrostkami poprzecznymi. Najwyraźniej zaznaczone są w lędźwiowej części kręgosłupa. W części szyjnej zaznaczone są bardzo słabo, lub wręcz ich nie ma. Tworzy je tkanka łączna włóknista.Więzadła międzykolcowe przebiegają między wyrostkami kolczystymi kręgów i identycznie jak więzadła międzypoprzeczne najlepiej zaznaczone są w strefie lędźwiowej kręgosłupa, słabiej w piersiowej, a najsłabiej w części szyjnej. W części szyjnej więzadło to przechodzi w silną błonę zwaną więzadłem karkowym.
Więzadło podłużne przednie. Swój początek bierze już na kości potylicznej, i biegnąc na przednich częściach trzonów kręgów wzdłuż całego kręgosłupa kończy się na powierzchni miednicznej kości krzyżowej.Podobnie jak kręgosłup, przystosowane jest do przenoszenia coraz większych sił i w miarę postępu w dół jest ono coraz grubsze, a przez to coraz silniejsze.
Więzadło podłużne tylne. Zaczyna się na kości potylicznej, wyściela przednią ścianę kanału kręgowego , a kończy się w górnej części kanału krzyżowego. Dodatkowo więzadło to zrasta się też z krawędziami krążków międzykręgowych.
Żeby móc omawiać mechanikę kręgosłupa należy uzmysłowić sobie jak wiele sił działa na ten podstawowy narząd. Można zatem podzielić siły działające na kręgosłup na statyczne i dynamiczne. Do statycznych zaliczymy (patrząc od góry) ciężar głowy, ciężar ramion, ciężar tułowia, oraz momenty występujące gdy zakłócimy symetrię strzałkową ciała, np. gdy wyciągniemy przed siebie jedną rękę. Siły dynamiczne powstają podczas poruszania się. Występują tu siły bezwładności i odśrodkowe. Siłom tym przeciwdziałają (równoważą je) mięśnie dynamicznie reagujące na zmiany obciążeń w kręgosłupie.Należy też zwrócić uwagę na fakt, że nieco inne siły działają na kręgosłup gdy stoimy w pozycji wyprostowanej, a inne gdy pochylamy się do przodu.
Dlatego też każda zmiana równowagi układu kręgosłupa powoduje rozwój zniekształceń w tym miejscu jak również jest przyczyną powstawania zniekształceń w innych miejscach kręgosłupa. Kręgosłup ma dwojaką statykę, wewnętrzną wynikającą bezpośrednio z właściwości wytrzymałościowych kolumny kręgosłupa oraz zewnętrzną wynikającą z własności mięśni brzucha, klatki piersiowej i mięśni pleców.
Kręgosłup jest w stanie przenosić bardzo duże obciążenia i są to obciążenia od 4,5 kN ( 450kg) dla trzeciego kręgu szyjnego C3, aż do 8,3 kN (830kg) dla kręgu L4 (opracowanie wg Bella 1967r.).
Z badań przeprowadzonych przez dr Zbigniewa Bilińskiego (ordynator Wojskowego Szpitala Klinicznego we Wrocławiu) Prof. Dr hab. Gerwazego Świderskiego (Federacja Chirurgów Kręgosłupa) oraz dr hab. Inż. Romualda Będzińskiego (Laboratorium Badań Doświadczlnych Konstrukcji Mechanicznych PWr.) polegających na zbadaniu zależności pomiędzy siłą ściskająca a skróceniem preparatu, którym był fragment między częścią piersiową a lędźwiową (Th11-L3) kręgosłupa ludzkiego siły niszczące kręgosłup zawierały się w granicach od 4480N do 7500N przy czym skrócenie kręgosłupa wynosiło odpowiednio w granicach 7-10mm.W stabilności zewnętrznej wspomagają kręgosłup mięśnie. Są to grupy mięśni przykręgowych przyczepionych do boków i wnętrz komór tj. jamy brzusznej i klatki piersiowej (obie jamy oddzielone są od siebie przeponą).Jama brzuszna wypełniona jest płynami i powietrzem, natomiast jama klatki piersiowej jest wypełniona powietrzem. Siła mięśni powoduje powstanie w obu komorach ciśnienia które wspomaga zdolne jest do przenoszenia części obciążeń odciążając i wspomagając w ten sposób kręgosłup.
Podnosząc jakiś ciężar rękami zmuszamy do wspomagania kręgosłupa przez mięśnie pasa barkowego, a w szczególności mięsień czworoboczny i miednicę. Im większy ciężar się podnosi tym większe jest działanie mięśni tułowia, piersi i brzucha. Występuje też zwiększenie ciśnienia w jamie brzusznej i piersiowej. Wg Bartelnika "działanie jam ciała odciąża część lędźwiową o 30%, a część piersiową nawet o 50% w stosunku do przyłożonego obciążenia".Jednakże główne obciążenia w kręgosłupie przenosi krążek międzykręgowy w szczególności pierścień włóknisty. Wyrostki stawowe przenoszą tylko około 20% obciążeń i włączają się w proces przenoszenia obciążeń dopiero gdy siły są większe niż 2000N (teoria wg Hirsch i Nachemson).
Kręgosłup jest bardzo skomplikowanym narządem nie dającym się w łatwy sposób obliczyć wzorami matematycznymi. Jak wiemy budowa kręgu jest nieciągła i składa się z kości zbitej i części korowej. Między nimi nie występuje wyraźna granica, co uniemożliwia zapisanie jej w postaci matematycznej. Dodatkowo między kręgami występują krążki międzykręgowe, przy których występują podobne problemy. Aby zapisać rzeczywisty model kręgosłupa musielibyśmy dodać także do naszych obliczeń wszystkie mięśnie, a właściwie siły przez nie wywoływane. Dlatego też jest to tak skomplikowany narząd, który przy dzisiejszej technice obliczeniowej jeszcze sprawia nam kłopoty i nie daje się w sposób rzeczywisty wyliczyć.Mimo to stosuje się przybliżone metody wyliczeń. Polegają one na pewnym uproszczeniu całości obliczeń. Jedną z takich metod zaproponował Stotte. Zastąpił on siły rzeczywiste teoretycznymi siłami skupionymi w celu statycznego wyznaczenia reakcji w krążku pomiędzy L5-S1.
Przyjął on następujące siły skupione:-ciężar głowy i karku i części tułowia powyżej analizowanej płaszczyzny (Qt)-ciężar ramion (Q1)-siła wywierana przez ciśnienie śródbrzuszne przyłożone w środku jamy brzusznej (Pp)-składowa siły wzdłużnej mięśni brzucha (Pm)-składowa prostowników grzbietu (Px)Swe obliczenia prowadził dla sylwetki wyprostowanej oraz dla zgięcia tułowia z wyprostowanymi kolanami.W ten sposób wyznaczył on dla mężczyzny o masie ciała 76kg (w zgięciu) następujące wartości:-ciężar tułowia 337 N-ciężar ramion 73 N-siła ciśnienia sródbrzusznego 326 N-siła w płaszczyźnie krążka L5-S1 1662 N-siła w płaszczyźnie krążka L4-L5 1998 N-suma składowych sił w płaszczyźnie y-y 1882 N-suma składowych sił w płaszczyźnie x-x 134 N-składowa siły wzdłużnej mięśni brzucha 75 N
Najnowszą techniką wyznaczania sił występujących w kręgosłupie jest komputerowa metoda elementów skończonych. Jest to metoda oddająca najbardziej przybliżony stan naprężeń i odkształceń w kręgosłupie (i innych narządach). Możliwa jest dzięki powstaniu nowych i bardzo szybkich komputerów.
Przeciążenia kręgosłupa traktowane jest zazwyczaj jako zaburzenie struktur kostnych, więzadłowych jak również mięśniowych kręgosłupa.
Wyróżniamy dwa mechanizmy powstawania przeciążeń kręgosłupa. Pierwszy wynika z normalnych funkcji życiowych człowieka, lecz często realizowanych w nieanatomicznych warunkach. Okreśił je Caillet:-prawidłowe obciążenie prawidłowego układu warunkuje prawidłowe zużywanie się tego układu-nieprawidłowe obciążenie prawidłowego układu powoduje wcześniejsze zużywanie się tego układu-prawidłowe obciążenie nieprawidłowego układu warunkuje wczesne zużywanie się tego układu-nieprawidłowe obciążenie nieprawidłowego układu powoduje szybkie i przedwczesne zużycie układu.Dlatego tez nawet w codziennym życiu nie przeciążając nadmiernie kręgosłupa możemy doprowadzić do zmęczeniowego pęknięcia łuku kręgowego (efektem jest kręgozmyk) lub zwyrodnienia krążka międzykręgowego (discosis).
Drugim rodzajem przeciazenia jest przeciążenie z doraźnym przekroczeniem wartości granicznych wytrzymałości danych struktur kręgosłupa np. wypadki komunikacyjne lub upadki z dużej wysokości. Jednym z ciekawych zabezpieczeń dla szyjnego odcinka kręgosłupa wprowadziła szwedzka firma motoryzacyjna SAAB. Zastosowali oni w swoich najnowszych modelach 9-3 i 9-5 siedzenia z zagłówkami z "ABS-em". Ich działanie polega na przyciskaniu zagłówka do głowy podczas tylnego uderzenia w samochód.Jedną z najczęściej spotykanych wad kręgosłupa jest skolioza to znaczy wielopłaszczyznowe zniekształcenie. Jest to wada cechująca się wyboczeniem (wygięciem) kręgosłupa w płaszczyźnie czołowej, zmianą kształtu i wielkości krzywizn strzałkowych oraz rotacją i torsją kręgów.
Rotacją nazywamy obracanie się kręgów w płaszczyźnie poziomej, a oś obrotu leży poza linią wyrostków kolczystych kręgów.Torsja to zakłócenie przednio tylnej osi kręgów. Torsja powstaje w skutek asymetrii obciążeń przy stałym wzroście kręgosłupa. Prawo to dostrzegli i opisali Heutter-Volkmann i Wolf - Delpech.
Kiedy powstaje wada kręgosłupa zwana skoliozą należy tę wadę usunąć. Odtworzenie prawidłowego kształtu kręgosłupa warunkuje w płaszczyźnie strzałkowej sukces operacji.
WNIOSKI:Kręgosłup jest bardzo silnym i odpornym na przeciążenia narządem układu szkieletowego człowieka. Jednakże i on często traktowany przez właściciela źle i ulega uszkodzeniom. Aby zachować zdrowy kręgosłup spełniający wszystkie swoje podstawowe funkcje należy o niego dbać. A należy robić to w sposób następujący: po pierwsze nie obciążać kręgosłupa nadmiernymi siłami (przenosząc ciężary należy trzymać je jak najbliżej ciała, aby momenty sił powstające na ramionach były możliwie jak najmniejsze), należy utrzymywać mięśnie brzucha, klatki piersiowej i pleców w dobrym stanie, tak aby mogły one wspomagać pracę (przenoszenie obciążeń) kręgosłupa wywołując ciśnienie jamy brzusznej i piersiowej, a mięśnie pleców mogły służyć jako przeciwwaga dla mięśni brzucha i klatki piersiowej zapewniając równowagę momentów. Należy unikać "hodowania" tkanki tłuszczowej na brzuchu (i na całym ciele) która powoduje powstanie nowej siły oddalonej od kręgosłupa, a więc powstanie nowego momentu sił. Należy używać kręgosłupa, aby zgodnie z prawem Wolfa nie zanikał. Należy poruszać się w miarę możliwości bezpiecznymi samochodami zapewniającymi duże bezpieczeństwo.Ćwicząc na salach gimnastycznych należy unikać niebezpiecznych przeciążeń i zbytnich przegięć kręgosłupa (siłownie i sporty wyczynowe). Może wydać się to banalne, ale na prawidłowe funkcjonowanie kręgosłupa wpływ ma też sposób naszego odżywiania.
dziubusek30