Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie,9e jrg 1991, no.5 (pp )

Transcriptie

1 Auteur(s): C. Tirado Titel: De nucleus pulposus: functioneel morfologische aspecten Jaargang: 9 Jaartal: 1991 Nummer: 5 Oorspronkelijke paginanummers: Deze online uitgave mag, onder duidelijke bronvermelding, vrij gebruikt worden voor (para) medische, informatieve en educatieve doeleinden en ander nietcommercieel gebruik. Zonder kosten te downloaden van:

2 De nucleus pulposus Funktioneel morfologische aspekten Carlos Tirado Inleiding In dit artikel worden aan de hand van een analyse van de gecombineerde centroden van lumbale bewegingssegmenten de funktioneelmorfologische eigenschappen van de nucleus pulposus herleid. Het ontstaan van "hernia nucleus pulposus" dient in dit opzicht te worden beschouwd als de morfologische aanpassing vn de discus op wijziging in funktievoorwaarden, waarbij een nucleus pulposus wordt gecreëerd, welke buiten de normale begrenzingen van de discus valt. Voor de lumbale bewegingssegmenten geldt dat de nucleus pulposus in het dorsale deel van de discus intervertebralis is gelokaliseerd. Uit onderzoek is gebleken dat tijdens bewegingen in deze segmenten de verzameling van momentane rotatiecentra (MRC's) ofwel de centrode, zich eveneens in dit gebied bevindt en wel in het achterste derde deel ervan (3,4,5,7,14). De struktuur waaruit de nucleus is opgebouwd, proteoglycaan, blijkt zeer geschikt te zijn voor de lokalisatie van MRC's. Onder andere Oonk (9) beschrijft de relaties hieromtrent. Proteoglycaan is een struktuur die bij voorkeur daar wordt gevormd, waar informatie tot differentiële groei van de mesenchymcel nihil is. Deze voorwaarde heerst inderdaad ter hoogte van rotatiecentra, alwaar de bewegingsuitslagen minimaal zijn. Alvorens de centroden tijdens kanteling van lumbale bewegingssegmenten te ontbinden, kan beredeneerd worden in welke richting het rotatiecentrum bij voorkeur zal verplaatsen. Collageen bindweefsel kent een fysiologische verlengingsmogelijkheid van 3 tot 5%. Om optimale beweeglijkheid van de discus te creëren zonder de collagene vezels onnodig te belasten, zal het bewegingssegment zijn rotatiecentrum liefst zo dicht mogelijk bij de meest te verlengen collagene vezels kiezen. Een rotatiecentrum dat juist ver van deze vezels verwijderd ligt, zal de beweging onnodig beperken, aangezien ze eerder op spanning worden gebracht (12) (figuur 1). Figuur 1. A: vervorming discus intervertebralis tijdens flexie. ABCD: discus in neutrale uitgangspositie. ABC'D': discus in flexie bij maximale vezellengte (BCBC' 3% verlenging). Hoek α: hoek/bewegingsuitslag na maximale flexie B: vervorming discus intervertebralis tijdens extensie. ABCD: discus in neutrale uitgangspositie. ABC'D': disucs in extensie bij maximale vezellengte (ADAD" 3% verlenging) Hoek ß: hoek/bewegingsuitslag na maximale extensie. Hoek α > hoek ß = flexie > extensie. V = Ventraal D = Dorsaal Concluderend: tijdens kanteling van het bewegingssegment verplaatst het MRC zich bij voorkeur tegengesteld aan de richting van kanteling.

3 De centrode tijdens flexie De centrode die tijdens flexie van het bewegingssegment vanuit maximale extensie ontstaat, is uit bewegingsregistraties bekend (figuur 2) (4,5,7,14). Flexie gaat (net als extensie) gepaard met zeer geringe nevenbewegingen (4,5,7,14). Dit betekent dat flexie (en extensie) zich afspeelt in voornamelijk het sagittale vlak. Figuur 2. De centrode van flexie (en extensie) en verplaatsing MRC binnen het sagittale vlak tijdens flexie (en extensie). Bij ontleding van het gevolgde patroon valt op dat zowel tijdens het begin als tijdens het einde van de beweging (maximale extensie maximale flexie), het MRC zich achterin de discus bevindt (posities 1 en 3). Tevens is te zien dat het MRC halverwege de beweging (normale rechtopstaande houding) zich centraal in de discus bevindt (positie 2). Hierbij verkeert het lumbale bewegingssegment in de neutrale uitgangspositie. "Flecteren vanuit maximale extensie naar de rechtopstaande houding gaat gepaard met een verplaatsing van het MRC naar ventraal (traject 1-2). Flecteren vanuit de rechtopstaande houding naar maximale flexie gaat gepaard met een verplaatsing van het MRC naar dorsaal (traject 2-3)". De centrode tnnijdens extensie Het patroon van de centrode tijdens extenderen is niet onderzocht, maar deze zal naar mag worden verondersteld een identieke vorm bezitten, zij het in tegengestelde richting (figuur 3). Figuur 3. Verplaatsing MRC binnen het sagittale vlak tijdens extensie. Ook tijdens extenderen zal het MRC vanaf maximale flexie tot aan de rechtopstaande houding naar ventraal verplaatsen (traject 3-2) en tijdens vervolgde extensie tot aan maximale extensie weer naar dorsaal (traject 2-1). Bij vergelijking van beide patronen kan in principe worden geconcludeerd, dat

4 het MRC tijdens bewegingen vanuit de rechtopstaande houding in het sagittale vlak (flexie/extensie) altijd naar dorsaal in de discus verplaatst (figuur 2 traject 2-3, figuur 3 traject 2-1) en tijdens bewegingen in dit vlak naar de rechtopstaande houding toe, naar ventraal in de discus verplaatst (figuur 2 traject 1-2, figuur 3 traject 3-2). Waarom tijdens extensie vanuit de neutrale uitgangspositie van het lumbale bewegingssegment het MRC niet, zoals te verwachten is, tegengesteld maar gelijk gericht aan de beweging verplaatst, dus naar dorsaal in plaats van ventraal, kan wellicht worden onderbouwd door de volgende factoren: De gemiddelde bewegingsuitslag van extensie is vergeleken met die van flexie per segment veel kleiner, respectievelijk omstreeks 2 en 6 (8,10). Bij dergelijke funktievoorwaarden verkiest het bewegingssegment MRC's, die achterin de discus zijn gelegen (figuur 4). Figuur 4. Zie tekst. Zou het MRC vanuit zijn aanvangspositie tijdens extenderen evenveel naar ventraal verplaatsen (B) als naar dorsaal, zoals het geval is tijdens flecteren (A), dan zou dit desondanks betrekkelijk weinig invloed hebben op de maximale bewegingsuitslag. Zouden de bewegingsuitslagen van flexie en extensie aan elkaar gelijk dienen te zijn, dan zou het MRC tijdens extenderen verhoudingsgewijs over een veel grotere afstand naar ventraal moeten verplaatsen (C) dan tijdens flecteren naar dorsaal gebeurt (A). De daarmee gepaard gaande uitbreiding van de "locus voor MRC", ofwel uitdijing van de nucleus pulposus naar ventraal in de discus, zou het bewegingssegment aanzienlijk minder stabiel maken. Deze funktievoorwaarde blijkt het lumbale bewegingssegment niet na te streven. Dat extensie in werkelijkheid niet groter dient te zijn dan het geval is, wordt nogmaals bevestigd door de oriëntatie van de facetgewrichten. Vergrote extensie zou de facetgewrichten doen beschadigen, omdat zij tot over hun "close packed position" zouden worden belast. Waarschijnlijk zou het MRC tijdens extenderen eerder naar ventraal verplaatsen, wanneer het bewegingssegment zou streven naar een locus voor MRC's (nucleus pulposus) centraal in de discus gelegen. Dit blijkt echter niet het geval. De centrode tijdens lateraalflexie Indien lateraalflecteren een 2-dimensionale kanteling binnen alleen het frontale vlak voor zou stellen, dan toonde de hierbij passende centrode van boven of onderaf gezien als een rechte dwarse lijn in de discus (figuur 5). Er zou sprake zijn van "zuivere lateraalflexie". Figuur 5. De centrode van lateraalflexie en de verplaatsing van het MRC binnen het horizontale vlak tijdens "zuivere" rechtslateraalflexie (0A) en tijdens "zuivere" linkslateraalflexie (0B). Ook hierbij zal te verwachten zijn, dat het MRC tegengesteld aan de bewegingsrichting zal verplaatsen. Dat wil zeggen: tijdens zuivere lateraalflexie naar rechts vanuit de rechtopstaande houding, zal het MRC vanaf centraal (0) naar links (A) verplaatsen en tijdens zuivere lateraalflexie naar links, zal het MRC

5 vanaf centraal naar rechts (B) verplaatsen. Er wordt hiermee echter nog niets gezegd over het precieze verloop van het patroon binnen het frontale vlak. Dit is vooralsnog niet onderzocht. In werkelijkheid komt "zuivere" lateraaflexie in de (lumbale) wervelkolom niet voor. Immers ons gehele bewegingsapparaat funktioneert altijd 3-dimensionaal (1,2,6,11,12,13,16). Lateraalflexie ter hoogte van de lumbale bewegingssegmenten komt het meest in combinatie met extensie en rotatie voor (1,12). Dit heeft tot gevolg, dat het MRC tijdens de lateraalflexie niet alleen tegengesteld zijwaarts door de "zuiver" lateraalflexie component verplaatst, maar tevens achterwaarts, door de koppeling met de extensie component. Lateraalflecteren in combinatie met flexie zal een gelijkende MRCverplaatsing veroorzaken. Welke invloed de rotatiecomponent heeft op de centrode zal in een volgende alinea worden besproken. Concluderend: Rechts-lateraalflexie, vanuit de rechtopstaande houding (0) (neutrale uitgangspositie) gaat gepaard met MRC-verplaatsingen naar linksopzij en dorsaal (figuur 6). Links-lateraalflexie vanuit de rechtopstaande houding (0) (neutrale uitgangspositie) gaat gepaard met MRC-verplaatsingen naar rechtsopzij en dorsaal (figuur 6). Hierbij zal naar verwachting het verloop van de centrode tijdens de beweging niet lineair zijn, maar een zekere kromming vertonen, daar de verscheidene combinaties van bewegingscomponenten zelden in recht-evenredige verhoudingen onderling zullen voorkomen. Figuur 6. Verplaatsing MRC binnen het horizontale vlak tijdens werkelijke lateraalflexie rechts (0A) en links (0B). De centrode tijdens rotatie Rotatie is in wezen geen kantel maar een torsiebeweging. Tijdens het roteren van de (lumbale) wervelkolom vormt de "zuivere" rotatiecomponent slechts een zeer klein onderdeel van de totale bewegingsuitslag. Per lumbaal bewegingssegment is slechts omstreeks 2 "zuivere" rotatie mogelijk (1,15). Roteren komt in werkelijkheid tot stand door een combinatie van "zuivere" rotatie, lateraalflexie en flexie of extensie. Ter hoogte van de bovenste vier lumbale bewegingssegmenten (L1 L5) wordt "zuivere" rotatie gecombineerd met tegengesteld gerichte lateraalflexie. Ter hoogte van het onderste lumbale bewegingssegment (L5 S1) wordt zij gecombineerd met gelijk gerichte lateraalflexie (11,12). Het gedrag van het MRC tijdens "zuivere" rotatie is onderzocht, en wel ter hoogte van het segment L3 L4 (3) (figuur 7). Figuur 7. Verplaatsing MRC binnen het horizontale vlak tijdens rotatie linksom (0A) en rotatie rechtsom (0B) De rotatie blijkt hier gepaard te gaan met een gelijk gerichte verplaatsing van het MRC: bij linksom rotatie vanuit de rechtopstaande houding (0) (neutrale uitgangspositie) hoort een MRC-verplaatsing eveneens naar links (A). Bij rechtsom rotatie vanuit de rechtopstaande houding (0) (neutrale uitgangspositie) hoort een MRC-verplaatsing eveneens naar rechts (B). Nu kan ervan uit worden gegaan, dat dit bewegingsprincipe waarschijnlijk ook op de andere segmenten van toepassing is, alhoewel nog niet is verklaard welk mechanisme ter hoogte van het onderste bewegingssegment (L5 S1) in werking treedt, opdat daarbij het MRC tijdens de rotatie met de daarmee gecombineerde lateraalflexie eveneens gelijkgericht zal verplaatsen.

6 Discussie Uit de analyse van de besproken centroden, mag blijken, dat bewegingen als flexie/extensie, lateraalflexie en rotatie tijdens het alledaags leven altijd in combinatie met elkaar en in verschillende verhoudingen tot elkaar voorkomen. De centroden die hierbij passen, zijn legio en vormen bij samenstelling het gebied voor MRC's dat niervormig en identiek aan de nucleus pulposus is (figuur 8). Figuur 8. Verzamelgebied MRC's van de meest voorkomende bewegingen. Foto van de nucleus pulposus. Hiermee is een belangrijke vormfunktie relatie van de nucleus pulposus onder "fysiologische" voorwaarden herleid. Thans kan ook gekeken worden welke consequenties "afysiologische" vormfunktievoorwaarden hebben voor het MRC en de nucleus, zoals bijvoorbeeld bij het ontstaan van hernia nucleus pulposus (HNP). Ondanks veel onderzoek is tot op heden geen eenduidigheid bereikt omtrent de aetiologie van de HNP. Enerzijds zijn als biochemische oorzaken van HNP onder andere veroudering, ontstekingsreakties en voedingdeficiëntie aangedragen, anderzijds wordt als biomechanische oorzaak meestal "overbelasting" genoemd. Alhoewel sommige van de hierboven genoemde factoren tijdens het ontstaansproces min of meer een rol kunnen spelen, hebben zij afzonderlijk niet genoeg draagkracht om als de oorzaak van HNP gehanteerd te mogen worden. Eerder dienen zij als gevolg dan als oorzaak van het proces gezien te worden. Indien de funktievoorwaarden van het bewegingssegment dusdanig worden gewijzigd dat een MRCconcentratiegebied buiten de begrenzingen van de normale nucleus pulposus ontstaat, zal onder andere op geleide van het "optimal design" en "minimal cost" principe dat bij biologische strukturen van toepassing is, te verwachten zijn, dat aldaar een nieuwe, aangepaste nucleus zal worden gevormd en de oude, niet meer funktionele nucleus zal worden ontbonden. Wanneer dit aanpassingsmechanisme niet tijdig wordt beëindigd, kan een situatie ontstaan waarin de hervormde nucleus zich dermate binnen de discus heeft moeten verplaatsen, dat zelfs de buitenste begrenzingen (lamellen) van de anulus fibrosus worden bereikt. Er is dan sprake van "discus protrusie" (figuur 9). Duurt het proces voort, dan zullen tevens collagene vezels aan de uiterste begrenzing van de anulus worden ontbonden om vervangen te worden door proteoglycaanconcentraties. Bij totale doorbraak is sprake van "discusprolaps", ofwel de eigenlijke HNP (figuur 9). De richting en opeenvolgende stadia van het aanpassingsproces leidend tot HNP kunnen eveneens aan de hand van centrode-analyse worden herleid. Ter bespreking is gekozen voor de dorsolaterale discusprolaps ter hoogte van het lumbale bewegingssegment, aangezien deze vorm van HNP voornamelijk in de (fysiotherapie)praktijk wordt aangetroffen. Daarbij wordt overigens willekeurig van een linkszijdige prolaps uitgegaan.

7 Figuur 9. A1: lichte protrusie. A2: duidelijke protrusie. B: prolaps. C: extrusie. D: sequestratie. Uitgaande van een dergelijke lokatie dient de locus voor MRC's zich links dorsolateraal binnen de discus te verplaatsen (figuur 10). Figuur 10. MRC verplaatsingen tijdens HNP links dorsolateraal. Zie verder tekst. Verplaatsing van het MRC naar links dorsolateraal doet zich voor tijdens positionering van het bewegingssegment in flexie (of extensie), gecombineerd met rechts lateraalflexie. Als gevolg van de combinatie met de rotatiecomponent zal volgens Pearcy et al. (12) ter hoogte van L1 L5 tevens linksom rotatie plaatsvinden en zal ter hoogte van L5 S1 tevens rechtsom rotatie plaatsvinden (figuur 10). De bewegingscombinaties zijn te zien in een model van het bewegingssegment (figuur 11).

8 Figuur 11. A: L1 L5 B: L5 S1 a: Vooroverkanteling a: Vooroverkanteling b: Rechtsomkanteling b: Rechtsomkanteling c: Linksomrotatie c: Rechtsomrotatie d: Achteroverkanteling d: Achteroverkanteling e: Linksomkanteling e: Linksomkanteling f: Rechtsomrotatie f: Linksomrotatie De dorsaalwaartse verplaatsing van de locus voor MRC's kan behalve vanuit een horizontale doorsnede zoals hiervoor is beschreven, ook vanuit een sagittale doorsnede van het bewegingssegment worden bekeken. In dit opzicht zijn onderzoeken bekend waarin, tijdens het flecteren van progressief afwijkende disci metingen verricht zijn, waarbij de veranderingen in de centrodepatronen werden bestudeerd (3,4,5,7,14). Hierbij wordt onderscheid gemaakt in 5 afwijkingsstadia (figuur 12), zijnde: A) geen B) minimaal C) mild D) aanzienlijk E) ernstig Het ontstaansmechanisme van de dorsolaterale HNP kenmerkt zich tijdens haar opeenvolgende stadia eerst door verlenging en ontregeling van de centrode (stadia 2-4), met als gevolg een expansie van de nucleus. Aangezien een groter gebied voor MRC's ontstaat, wordt het bewegingssegment gaandeweg minder stabiel. Tevens wordt in deze stadia zichtbaar dat de locus voor MRC's dorsaalwaats verplaatst (richting ruggemerg en zenuwwortels), waardoor de indicatie voor verplaatsing van de nucleus naar dorsaal is gecreëerd. Duren deze vormfunktievoorwaarden lang genoeg voort, dan is een HNP onvermijdelijk.

9 Figuur 12. A: stadium 1, geen discusafwijkingen B: stadium 2, minimale discusafwijkingen C: stadium 3, milde discusafwijkingen D: stadium 4, aanzienlijke discusafwijkingen E: stadium 5, ernstige discusafwijkingen (Naar Gertzbein & Seligman (4,5) ). Schijnbaar streeft het bewegingssegment vervolgens toch naar hernieuwde stabiliteit. Dit is te zien bij ernstig afwijkende disci (stadium 5) waarbij een verkleinde centrode in het onderliggende wervellichaam is gecreëerd. Inmiddels zal de oude nucleus fibroseren en het bewegingssegment verstijven. De verschillende lokaties voor MRC's tijdens de opeenvolgende afwijkingsstadia zijn schematisch in een model weergegeven (figuur 13).

10 Figuur 13. Schematische voorstelling van de overlappende gebieden voor MRC's gedurende de opeenvolgende stadia van discusafwijkingen. In de gearceerde gebieden (zie stadium 3 + 4) is het ontstaan van een HNP te verwachten. Binnen welke termijn een HNP zich zal ontwikkelen, is nagenoeg niet te bepalen. Indien het aanpassingsproces bij deze aandoening van begin tot eind continu zou verlopen, zou kunnen worden uitgegaan van de biologische halfwaarde tijd van collageen bindweefsel. De HNP zou dan minimaal binnen een tijdsbestek van dagen ontwikkelen. In werkelijkheid ligt deze termijn echter veel en veel hoger. HNP is dus geen acuut verschijnsel, maar ontstaat geleidelijk, waarschijnlijk binnen een tijdsbestek van jaren. LITERATUUR 1. Bogduk N., Twomey L.T. Clinical Anatomy of the Lumbar Spine. Churchill Livingsone, Melbourne, Edinburgh, London, New York, Broberg K.B. On the mechanical behaviour of intervertebral discs. Spine vol.08 nr Cosette J.W. The instantaneous center of rotation of the third lumbar intervertebral joint. Spine vol Gertzbein S.D. et al. Centrode Patterns and segmental instability in degenerative disc disease. Spine vol.10 nr

11 5. Gertzbein S.D. et al. Determination of a locus of instantaneous centers of rotation of the lumbar disc by Moire Fringes, a new technique. Spine vol.9 nr Hickey S.D., Hukins D.W.J. Relation between the structure of the annulus fibrosus and the function and failure of the intervertebral disc. Spinr vol.05 nr Ogston N.G. et al. Centrode patterns in the lumbar spine baseline studies in normal subjects. pine vol.11 nr Oonk H.H.N. Osteo en arthrokinematica. Uitgeverij Henric Graaff van IJssel, Weert Oonk H.H.N. Funktioneel morfologische aspekten van de discus intervertebralis. Haags Tijdschr. voor fysiotherapie, 4e jaargang 1986, no Panjabi M.M., Krag M.H., Chung T.Q. Effects of disc injury on mechanical behaviour of the human spine. Spine vol.09 nr Pearcy M., Shepherd J. Three dimensional Xray analysis of normal movement in the lumbar spine. Spine vol.09 nr Pearcy M., Tibrewal S.B. Axial rotation and lateral bending in the normal lumbar spine measured by 3dimensional radiography. Spine vol Riezebos C.J.W. Beperkt bewegen. Een literatuurstudie naar het morfologische substraat van de bewegingsbeperking. Scriptie 1979; Stichting school voor Manuele Therapie; Herdruk 1981; Stichting Haagse Academie voor lichamelijke opvoeding en Fysiotherapie. 14. Seligman J.V. et al. Computer analysis of spinal segment motion in degenerative disc disease with and without axial loading. Spine vol.09 nr Stokes I.A.F., Counts D.F., Frymoyer J.W. Experimental instability in the rabbit lumbar spine. pine vol.14 nr White III A.A., Panjabi M.M. Clinical biomechanics of the spine. J.B. Lippincott company; Philadelphia 1978.