Биомеханика пояснично-крестцового отдела позвоночника

Биомеханика - это изучение сил и их воздействия на человека[1].

• Пояснично-крестцовый отдел позвоночника является важной биомеханической областью тела.
• Расположенный ниже грудного отдела позвоночника, поясничный отдел обычно состоит из 5 позвонков
• Крестец состоит из ряда (обычно 5) сросшихся крестцовых позвонков[2].

Клинически значимая анатомия

Как и все позвонки в организме, поясничные и крестцовые позвонки состоят из "тела" в передней области, которое больше по размеру и имеет более цилиндрическую форму в поясничном отделе, и "дуги позвонка" в задней области, которая окружает позвоночный канал, защищая нервные ткани[2].

Позвонки в поясничном отделе позвоночника разделены межпозвоночными суставами, которые являются уникальными суставными структурами. Межпозвоночные диски - ключевой компонент сустава, состоящий из отдельных элементов. Центральное пастообразное ядро (nucleus pulposus) состоит, в основном, из воды (70-90%) и гидростатических протеогликанов (65% сухого веса), слабо связанных коллагеновыми волокнами (15-20% сухого веса). Ядро окружено мощными концентрическими коллагеновыми слоями фиброзного кольца, состоящего из воды (60-70%), коллагена (50-60% сухого веса) и протеогликанов (20% сухого веса), которые, в основном, агрегированы. Ядро и кольцо содержат коллаген II типа на всех участках, а наружное кольцо содержит более высокую концентрацию коллагена I типа. Эластичные волокна (10%) также находятся в кольцевой оболочке и расположены кругообразно, косо и вертикально, с концентрацией в местах прикрепления к концевым пластинкам позвонков. Опорная площадка тела позвонка покрывает верхнюю и нижнюю части диска и прочно соединена фиброхрящом с ядерной и кольцевой частями диска. В тканях, расположенных ближе к кости, концентрация коллагена выше [3].

Пояснично-крестцовый переход обычно находится на уровне L5/S1, а межпозвоночный диск на этом уровне имеет клиновидную форму. "Переходный позвонок" - это аномалия позвоночника, при которой самый нижний поясничный позвонок в той или иной степени сращен, или несостоятельный сегмент крестца, который, как считается, встречается у 4-30% населения [4][5].

Крестец - это треугольная клиновидная кость с вогнутой передней стороной, выпуклой дорсальной стороной и вершиной. Крестец наклонен вперед так, что его верхняя поверхность сочленяется с расположенным выше позвонком L5, способствуя образованию "пояснично-крестцового угла". Межпозвоночные диски L4/5 и L5/S1 вместе с телом позвонка L5 составляют почти 60% углового измерения искривления пояснично-крестцового отдела позвоночника, в среднем 61 градус[6]. На передней поверхности крестца верхний и нижний края сросшихся тел позвонков соотносятся друг с другом как поперечные гребни. Крестец обеспечивает прочность и стабильность таза и передает силы на тазовый пояс через крестцово-подвздошные суставы[2]. Крестцовые позвонки соединяются с копчиком в нижней части.

Биомеханика пояснично-крестцового отдела позвоночника (L4-L5 L5-S1)

3 движения в позвоночнике - это сгибание, разгибание, вращение и боковое сгибание. Эти движения являются комбинацией вращения и перехода в следующих трех плоскостях движения: сагиттальной, фронтальной и горизонтальной [3]. В результате этих движений на поясничный отдел позвоночника и крестец действуют различные силы: сжимающая сила, растягивающая сила, сила сдвига, изгибающий момент и крутящий момент [7].Например, при сгибании в пояснице на переднюю область диска действует сжимающая сила, а на заднюю область - растягивающая сила. При разгибании поясницы возникают противоположные силы [8].

Поясничный отдел позвоночника является эффективной несущей системой. Когда нагрузка прилагается к позвоночному столбу извне, она вызывает напряжение жесткого тела позвонка и относительно эластичного диска, в результате чего в диске легче возникают деформации [9]. Давление внутри пульпозного ядра больше нуля даже в состоянии покоя, что обеспечивает механизм "предварительной нагрузки", позволяющий оказывать большее сопротивление приложенным силам[10]. Гидростатическое давление в межпозвонковом диске увеличивается, что приводит к наружному давлению на концевые пластинки позвонков, в результате чего происходит выбухание кольцевого фиброза и растягивающие усилия в концентрических кольцевых волокнах. Эта передача сил эффективно замедляет давление на соседний позвонок, действуя как амортизатор[3]. Таким образом, межпозвоночные диски являются важной биомеханической характеристикой, эффективно действуя как фиброхрящевая "подушка", передающая силу между соседними позвонками во время движения позвоночника. Поясничный диск более предрасположен к травмам по сравнению с другими отделами позвоночника из-за: более параллельного расположения кольцевых волокон и их меньшей толщины в задней части по сравнению с передней, более заднего расположения ядра и отверстий в хрящевых концевых пластинах[1].

Когда нагрузка прикладывается вдоль позвоночника, параллельно межпозвоночному диску возникают сдвигающие силы, так как сжатие ядра приводит к боковому выпячиванию кольцевой оболочки. Силы сдвига также возникают при движении одного позвонка, например, вперед или назад по отношению к соседнему позвонку при сгибании и разгибании. Торсионное напряжение возникает в результате действия внешних сил вокруг оси скручивания[1] и возникает в межпозвонковом диске при такой активности, как скручивание позвоночника.

Дугоотросчатые или "фасеточные" суставы обеспечивают стабильность межпозвоночного сустава по отношению к силам сдвига, в то же время позволяя выполнять движения сгибания и разгибания.

Механизм травмы / Патологический процесс

Эксперименты показывают, что грыжа межпозвоночного диска или пролапс, скорее всего, являются результатом постепенного или усталостного процесса, а не травматического повреждения [7], однако в клинической практике часто встречаются сообщения о внезапном появлении симптомов, связанных со случайной высокой нагрузкой на позвоночник, часто в согнутой позе. Наиболее вероятными нагрузками, которые могут привести к травме позвоночника, являются сгибание и скручивание, и эти комбинированные движения отражают силы сдвига, сжатия и растяжения[1]. Скручивающие движения с большей вероятностью ведут к травмам кольцевой мышцы, поскольку только половина коллагеновых волокон ориентирована так, чтобы противостоять движению в любом направлении[3].

Дегенеративные изменения дисков, связанные со старением, считаются нормальными. Например, уровень концентрации протеогликанов в ядре уменьшается с возрастом, с 65% в раннем зрелом возрасте до 30% в возрасте 60 лет, что соответствует уменьшению гидратации ядра и концентрации эластичных кольцевых волокон в течение этого времени, в результате чего диск становится менее упругим. Долгое время рассматривалась версия сужения диска с возрастом, однако масштабные посмертные исследования показывают, что размеры диска на самом деле увеличиваются между 2 и 7 десятилетиями. Явное сужение диска можно считать результатом иного процесса, чем старение[3].

Также происходит снижение питания концевой пластинки позвонка и уровня плотности костной ткани тела позвонка. Ослабление поддержки со стороны нижележащей кости ведет к образованию "микротрещин" и миграции ядерного материала в тело позвонка, известных как "узелки Шморля", которые обычно наблюдаются в пояснично-грудном и грудном отделах позвоночника и редко встречаются ниже уровня L2. Плотность субхондральной кости поясничного фасеточного сустава увеличивается до 50 лет, после чего начинает снижаться, а суставной хрящ продолжает с возрастом утолщаться, несмотря на очаговые изменения, особенно в тех местах, где возникает сопротивление сдвигающим силам при многократном сгибании и разгибании. В фасеточном суставе происходят и другие костные изменения, включая образование "остеофитов" и "опоясывающих бамперов", предположительно из-за повторяющегося напряжения в области верхнего и нижнего суставных отростков соответственно[3].

Процессы дегенерации также считаются патологическими. В отношении фасеточных суставов распространенными диагнозами являются "остеоартрит" и "дегенеративное заболевание суставов". "Спондилез" и "межпозвонковый остеохондроз" также являются терминами, используемыми для описания дегенеративных изменений в местах расположения позвонков и межпозвоночных отверстий. "Дегенеративное заболевание межпозвонковых дисков" и "дегенеративный остеохондроз" также являются распространенными диагнозами.

Дегенеративный процесс в поясничном отделе позвоночника был описан в 3 фазах[11][12]:

• Фаза 1: "Ранняя дегенерация" включает повышенную дряблость фасеточных суставов, фибрилляцию суставного хряща и межпозвоночных дисков с дегенеративными изменениями 1-2 степени.
• Фаза 2: "Поясничная нестабильность" на пораженном уровне (уровнях) развивается из-за дряблости фасеточных капсул, дегенерации хряща и остеохондроза 2-3 степени. Сегментарная нестабильность: может быть определена как потеря подвижности и жесткости сегмента таким образом, что приложение силы к данному сегменту движения приводит к большему смещению, чем в нормальной структуре[11]. Механические испытания показывают, что межпозвоночный диск наиболее подвержен грыже на этой стадии[7].
• Фаза 3: "Стойкая деформация" возникает в результате компенсаторных процессов, таких как фасеточные и перидисковые остеофиты, эффективно стабилизирующие сегмент движения. Наблюдается прогрессирующая дегенерация фасеточных суставов (или "синдром фасеточных суставов") и дегенерация дисков 3-4 степени. Клиническое значение имеет изменение размеров позвоночного канала из-за стойкой деформации и образования остеофитов.

Важно отметить, что частота диагностирования спондилеза и остеоартрита одинакова у пациентов с симптомами и без симптомов, что ставит вопрос о том, следует ли всегда рассматривать эти состояния как патологические [3]. Это имеет клинические последствия, особенно в отношении интерпретации результатов рентгенологического исследования, а представления и обсуждения результатов с пациентами.

Оценка результатов

Оценки результатов, касающиеся боли и инвалидности, включают:

• Индекс инвалидности Освестри
• Опросник по инвалидности Роланда-Морриса
• Краткий опросник боли Мак-Гилла
• Мера независимости спинного мозга
• Цифровая рейтинговая шкала боли
• Визуально-аналоговая шкала

Для дальнейшей оценки психосоциальных факторов, связанных с заболеваниями пояснично-крестцового отдела позвоночника, могут быть полезны следующие показатели:

• Опросник по мышечно-скелетной боли Эребру
• Шкала депрессии, тревожности и стресса
• Опросник установок, обусловленных страхом
• Шкала кинезиофобии Тампа
• Опросник принятия хронической боли
• Шкала катастрофизации боли