uteur(s): H.Oonk Titel: Funktioneel morfologisce aspecten van de discus intervertebralis Jaargang: 4 Jaartal: 1986 Nummer: 6 Oorspronkelijke paginanummers: 248-268 Dit artikel is oorspronkelijk verscenen in Haags Tijdscrift voor Fysioterapie, van 1983 tot 1988 de voorloper van Versus, Tijdscrift voor Fysioterapie. Deze online uitgave mag, onder duidelijke bronvermelding, vrij gebruikt worden voor (para-) medisce, informatieve en educatieve doeleinden en ander niet-commercieel gebruik. Zonder kosten te downloaden van: www.versus.nl
Funktioneel morfologisce aspecten van de discus intervertebralis Harry Oonk Harry Oonk, Docent Biomecanica, Opleiding Bewegingstecnologie, Den Haag. Inleiding Het is bij een analyse van lage rugklacten veelal gebruikelijk de rug zodanig te onderzoeken, dat de discus intervertebralis eruit rolt als de veroorzaker van de klacten. Dit wil zeggen, dat in die gevallen de discus met vooroordelen tegemoet wordt getreden en gezien wordt als een van de zwakste scakels binnen et menselijk licaam. Iemand die zwaar licamelijke arbeid moet verricten en lage rugklacten eeft, krijgt dan al gauw als advies mee naar uis et wat rustiger aan te doen, terwijl iemand met lict, zittend werk en lage rugklacten wordt aangeraden wat meer te gaan bewegen. Overigens blijkt, dat mensen met zwaar licamelijk werk een nagenoeg gelijke kans ebben op lage rugklacten als mensen met zittend kantoor-werk (5). Samenvattend: "Indien U rugklacten eeft, ga dan wat anders doen dan wat U gewoon was te doen, U zult zien....et elpt". l met al geeft een dergelijke aanpak weinig inzict in de werkelijke problematiek rond lage rugklacten. Bij veel statisce analyses van de wervelkolom wordt aan et eind van de berekeningen de konklusie getrokken, dat onder bepaalde omstandigeden wel onderden kilo's op de discus kunnen staan te drukken en dat deze dus wel kapot moet gaan onder een zo grote belasting. Zelden wordt een omgekeerde konklusie getrokken, één waaruit de verbazing spreekt, dat die discus dat toc allemaal maar kan! Dat de discus intervertebralis steeds maar weer de zwarte Piet krijgt toegespeeld, eeft waarscijnlijk te maken met et aloude idee dat mensen drie miljoen jaar geleden zo dom waren om rect op te gaan lopen, waardoor de discus belasting enorm toenam terwijl wij daar nu nog dagelijks de inder van ondervinden. De discus intervertebralis eeft als enige struktuur binnen et menselijk licaam de evolutie niet bij kunnen benen? Overigens ben ik er van overtuigd, dat wanneer iemand met lage rugklacten zic zou gaan voortbewegen als een viervoeter, de problemen eerder zullen toenemen dan afnemen. Zolang de discus gezien wordt als een zwakke scakel binnen et licaam, wordt weinig inzict verkregen in de vorm en funktie ervan. Deze discus intervertebralis nu, kan onder verscillende invalsoeken bekeken worden, ij kan gezien worden als een scokdemper, een stootkussen, als potentiële HNP kweker, maar bijvoorbeeld ook als een stuurder, als bewegingsgeleider van twee wervels ten opzicte van elkaar, etgeen in dit artikel bescouwd zal worden. De bewegingsmogelijkeden van twee wervels ten opzicte van elkaar, moet te erleiden zijn uit de vormgeving van de intervertebrale gewricten. Hieraan zal in een later te publiceren artikel aandact worden besteed. De vormgeving van de discus intervertebralis moet ecter zodanig zijn, dat de bewegingssturingen die worden opgedrongen door de intervertebrale gewricten, niet door de discus worden tegengewerkt, maar door de discus worden ondersteund, en omgekeerd. De armonie in vorm tussen discus intervertebralis en intervertebrale gewricten zal dan ook zodanig moeten zijn, dat ook uit de vorm en bouw van de discus, de bewegingssturing van twee wervels ten opzicte van elkaar te begrijpen moet zijn. nders gezegd: Bewegingsassen die door de intervertebrale gewricten worden gedikteerd, moeten ook door de discus intervertebralis worden opgedrongen. In dit artikel wordt vanuit een teoretisce kinematisce analyse gepoogd, de wisselend gekruist, met veranderende ricting verlopende collagene vezels in de anulus fibrosus, te begrijpen, als mede ook et "ongedifferentieerde" collageen in de nucleus pulposus.
Kinematisce nalyse Dat de collagene vezels in de lagen van de anulus fibrosus om en om gekruist verlopen (fig.1) (3), valt direkt te begrijpen uit et feit, dat in een wervelkolom vanuit een "middenstand" zowel rectsom als linksom geroteerd kan worden. Indien collagene vezels in de lagen van de anulus fibrosus niet vertikaal verlopen maar scuin, dan zullen ze scuin moeten lopen in twee rictingen, om zowel de rectsom als linksom rotatie van de wervelkolom te kunnen sturen. Figuur 1. Naar Kapandji (3). In de nu volgende analyse wordt van een "gemiddelde" discus uitgegaan (fig. 2), waarna specifikaties in vorm en funktie worden aangegeven. R Gegevens: R = 2 cm = 1 cm Figuur 2. "Gemiddelde discus". Verder wordt er van uitgegaan, dat de collagene vezels in de buitenste anulus laag vertikaal lopen (3), en dat et collagene bindweefsel tijdens een beweging van twee wervels ten opzicte van elkaar niet meer kan verlengen dan: 3 % (relatieve vervorming), (6). In eerste instantie wordt uitgegaan van transversale rotaties om een longitudinale as, die door et middelpunt van de "gemiddelde" discus gaat.
Probleemstelling 1 Hoe groot is de maximale eenzijdige rotatie in et transversale vlak, opdat et collagene bindweefsel in de buitenste anulus fibrosus, met vertikaal georiënteerde vezels, niet meer verlengt dan maximaal 3%? φ R Gegevens: R = 2 cm = 1 cm bg = x B bg x C α Figuur 3. Bovenzijde van discus geroteerd over een oek φ Bij een eenzijdige rotatie, bijvoorbeeld linksom, van de bovenliggende wervel ten opzicte van de onderliggende, over een oek φ, nemen de collagene vezels in de buitenste anulus een scuine stand in ten opzicte van de oorspronkelijke vertikaal (fig. 3). Indien een vezel over een oekɑ van positie is veranderd, eeft ij een verlenging ondergaan van 3 % waarmee de lengte is gekomen op 1.03. De orizontale verplaatsing van de bovenste wervel wordt in et transversale vlak bg genoemd en in et frontale vlak x. De afstanden bg en x zijn in principe niet aan elkaar gelijk, maar bij kleine rotatieoeken φ is de fout zeer klein en wordt ier verwaarloosd. Gezien ook de zeer geringe volume veranderingen van de discus tijdens een rotatie van de wervelkolom, wordt de oogte van de discus konstant geouden. De drieoek BC wordt er nu uitgelict (fig. 4), om de afstand x te kunnen berekenen. B x Met beulp van de stelling van Pytagoras wordt de afstand x berekend, etgeen oplevert: x = 0.25 cm. 1.03 Zodat de boog bg, gelijk is aan: bg = x = 0.25 cm. De rotatieoek φ is nu te berekenen: Figuur 4. ϕ = bg R = 0.25 = 0.125 2 rad Dit komt overeen met ongeveer 7 rotatie. Indien disci een kleinere diameter ebben dan de bescreven "gemiddelde" discus, maar dezelfde oogte, neemt de oek φ toe, bij een gelijk blijvende verlenging van 3 % van et collagene bindweefsel in de buitenste laag. Indien namelijk de straal van de discus niet 2 cm. bedraagt maar 1 cm., wordt de oek φ:
ϕ = bg R = 0.25 = 0.25 1 rad en dit komt overeen met ongeveer 14 rotatie. Van toracaal naar cervicaal nemen de disci in diameter af (2), en blijft de oogte ongeveer gelijk, zodat op basis van de afmetingen van de disci is te begrijpen, dat cervicaal meer rotatie mogelijk is dan toracaal. Van toracaal naar lumbaal neemt de diameter van de discus toe (2) en blijft de oogte ongeveer gelijk, zodat ook ier te begrijpen valt, dat lumbaal minder rotatie mogelijk is dan toracaal. In figuur 5 staat et verband weergegeven tussen de diameter van de discus en de maximale eenzijdige rotatieoek, bij een maximale verlenging van 3% van de vezels in de buitenste laag van de anulus fibrosus. In werkelijkeid neemt vanuit een "gemiddelde discus", de oogte ervan naar cervicaal af en naar lumbaal toe. De oogte van de discus is wel degelijk van invloed op de rotatie mogelijkeden van een wervelkomplex maar de invloed is relatief gering en lineair. Dat wil zeggen, dat bij afnemende oogte de rotatieoek afneemt, en bij toenemende oogte neemt de rotatieoek toe. Indien de oogte van een cervicale discus op 0.8 cm. wordt gesteld in plaats van 1.0 cm, bij een straal van 1 cm, dan bedraagt de rotatieoek volgens figuur 5 niet 14.3 maar 11.5. Indien de oogte van een lumbale discus op 1.2 cm wordt gesteld bij een straal van 3.0 cm, bedraagt de rotatieoek niet 4.8 maar 5.7. Φ [ ] 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 R [cm] Φ [ ] 1.0 14.3 1.2 11.9 1.4 10.2 1.6 9.0 1.8 8.0 2.0 7.1 2.2 6.5 2.4 6.0 2.6 5.5 2.8 5.1 3.0 4.8 R [cm] Figuur 5. Verband tussen rotatieoek en discus diameter. Gemiddeld gezien (uitgaande van een discus diameter van 4 cm. en een oogte van 1 cm.) zou bij een wervelkolom met 23 disci een eenzijdige maximale rotatie mogelijk zijn van 23 x 7. Dus ongeveer 160, afgezien van de rotaties tussen C0 en C1 en C1 en C2. Deze 160 komt goed overeen met de werkelijke rotatie mogelijkeden van de wervelkolom. Het probleem ad ook vanaf de andere zijde aangepakt kunnen worden, namelijk: Indien een wervelkolom van oofd tot en met sacrum eenzijdig ongeveer 180 kan roteren, wat is dan de ierbij orende maximale verlenging van de buitenste vezels van de anulus fibrosus? Het resultaat zou zo'n 3 % ebben opgeleverd. Tot dusver is alleen gekeken naar de vezels in de buitenste laag van de anulus fibrosus zodat nu aandact wordt besteed aan vezels in lagen die meer centraal in de discus zijn gelegen. Stel nu, dat in de binnenste lagen van de anulus, de collagene vezels ook vertikaal lopen, dan is een voor de and liggende vraag: Probleemstelling 2 Indien ter plaatse van de "gemiddelde" discus de wervels eenzijdig 7 ten opzicte van elkaar roteren, en de buitenste vezels vervormen daarbij 3 %, oe groot is dan de vervorming van vezels die liggen in een laag met een straal van 1 cm. (fig. 6)? Bij een eenzijdige rotatie van 7 (fig. 6 en 7) is de boog (B naar C) die een bovenste punt van een vezel, in een laag met een diameter van 2 cm, overspant, gelijk aan:
Gegevens: R = 1 cm = 1 cm bg = x φ.= 7 R φ B bg x C α B x Figuur 6. Rotatie van centraal gelegen lagen in de anulus fibrosis. bg = φ.r = x 1 Dit levert: x = 0.122 cm. De lengte van de vezel 1 is nu te berekenen met beulp van de stelling van Pytagoras: 1 = 1.007 cm. Figuur 7. V [%] 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 R [cm] R [cm] V [%] 0.0 0.00 0.2 0.03 0.4 0.12 0.6 0.27 0.8 0.48 1.0 0.74 1.2 1.07 1.4 1.45 1.6 1.89 1.8 2.39 2.0 3.00 Figuur 8. Verband tussen verlenging van vezels en anulus diameter. Dit betekent, dat de vezels in deze laag slects 0.7 % verlengen terwijl de vezels in de buitenste laag 3% moeten verlengen bij een zelfde rotatie.
In figuur 8 is de procentuele verlenging van de vertikaal lopende vezels, uitgezet tegen de plaats van de vezels in een anulus laag, uitgedrukt in de straal R van de "gemiddelde" discus. Samengevat: Indien in alle lagen van de anulus fibrosus de collagene vezels vertikaal zouden verlopen, dan zouden bij 7 eenzijdige rotatie van twee wervels ten opzicte van elkaar, alleen de vezels in de buitenste laag op maximale spanning staan en de vezels in alle andere lagen, naar centraal, progressief minder verlengen. Een dergelijke discus zou wel eel erg gevoelig zijn voor traumata, omdat alleen et collagene bindweefsel in de buitenste lagen op maximale spanning zou komen te staan, bij 7 eenzijdige rotatie. Dit betekent, dat bij 8 rotatie de eerste collagene vezels in de buitenste laag reeds sceuren, terwijl de vezels in centraal gelegen lagen nog geen 3% verlengd zijn. De vezels in centraal gelegen lagen zouden dan niet samenwerken met perifeer gelegen vezels, voor wat betreft de bescerming tegen traumata. De trauma-gevoeligeid van de discus zou dan wel erg groot zijn. Een en ander is in strijd met et optimum principe van biologisce strukturen. Weefsels vertonen namelijk een uitermate sociaal gedrag. Gezien dit optimaal gevormd zijn van biologisce strukturen mag verwact worden dat bij 7 eenzijdige rotatie, alle vezels in alle lagen tegelijkertijd 3% vervormen, waarmee een volledige samenwerking van alle vezels voor rotatie sturing van de wervelkolom wordt bereikt en bij rotaties van 7 en meer, een maximum aan collageen bindweefsel onder spanning staat. Hiermee wordt een optimale bescerming van de discus tegen traumata bereikt en zijn er geen voorkeursplaatsen voor ruptureren van collagene vezels aanwijsbaar. Dit mecanisme van maximale bescerming tegen traumata geldt in principe voor alle gewricten. In een eindstand van een gewrict namelijk wordt een positie bereikt waar een zeer groot gedeelte van et totale band- kapsel-apparaat op maximale spanning staat (4,8). Hiermee zijn we toe aan de volgende probleemstelling: Probleemstelling 3 Indien de vezels in de buitenste lagen van de anulus fibrosus vertikaal lopen en 3% verlengen bij een eenzijdige rotatie van 7, oe moeten dan in meer centraal gelegen lagen de vezels georiënteerd zijn opdat ook zij 3% vervormen bij 7 rotatie? nders gezegd, is er een oriëntatie van vezels in centraal gelegen lagen mogelijk, zodat zij evenzeer meedoen aan de rotatiesturing van de wervelkolom. Uit berekeningen blijkt, dat wanneer vezels niet vertikaal lopen maar een oek maken met de vertikaal, de relatieve verlenging toeneemt bij eenzelfde rotatieoek φ (fig. 9). In de scuine grondvorm-positie is de lengte van een bundeltje collageen bindweefsel B, en in verlengde positie, dus na een rotatie van twee wervels ten opzicte van elkaar, D. De nodige wiskundige tecnieken staan ons nu ten dienste bij de berekening van de ricting van de collagene vezels in een anulus laag met een straal R, opdat deze vezels bij 7 rotatie, 3% verlengen. φ R 1 R 2 Gegevens: R 1 = van 0 tot R. R = 2 cm. BC = DE = = 1 φ = 7 BD = bg =. R 1 D = 1. 03 B cm B bg D α C E Figuur 9. Scuine orientatie van vezels en positie na rotatie.
Met beulp van de stelling van Pytagoras kunnen de volgende vergelijkingen worden opgesteld: Drieoek BC: Drieoek DE: 2 2 C + BC = 2 2 E + DE = B D 2 2 Voor een aantal waarden van de straal van een anulus laag (R 1 ), is dit een oplosbaar stelsel van twee vergelijkingen met twee onbekenden, zijnde: B en C. De noodzakelijke wiskundige andelingen zullen ier vanwege de leesbaareid van et artikel, niet worden opgenomen. Er zal volstaan worden met vermelding van de resultaten: Indien de collagene vezels in een anulus laag met een diameter van 2 cm, een oek van ongeveer 80 maken met de orizontaal, bedraagt bij een rotatie oek van 7, de verlenging.van de vezels 3%. Figuur 10 geeft een overzict van grondvormposities (de oek α) van vezels in verscillende anulus lagen. Hieruit blijkt dat in meer centraal gelegen lagen de vezels steeds scuiner moeten lopen om toc 3% te kunnen verlengen bij 7 rotatie. α [ ] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.5 1 1.5 2 R [cm] Figuur 10. Verband tussen vezel stand en plaats in een anulus laag. R [cm] α [ ] 0.5 53.0 0.6 64.6 0.7 70.1 0.8 73.8 0.9 76.5 1.0 78.7 1.1 80.5 1.2 82.0 1.3 83.4 1.4 84.5 1.5 85.6 1.6 86.6 1.7 87.4 1.8 88.3 1.9 89.0 2.0 89.9 Uit de berekeningen blijkt, dat bij R < 0.5 et systeem instabiel wordt, etgeen betekent, dat bij kleinere stralen, dus in et midden van de discus, geen vezels kunnen worden neergelegd zodanig dat zij evenzeer meedoen aan de rotatie- sturing van twee wervels ten opzicte van elkaar. De minimale ricting van de collagene vezels is dan ongeveer 50 (fig. 10). Dit betekent, dat et gebied voor R < 0.5 een instabiel gebied is, een instabiel gebied met onvoldoende informatie om gedifferentieërd gezond weefsel neer te leggen: vezels zoeken een oriëntatie om 3% te kunnen verlengen, ter ondersteuning van et overige weefsel, maar vinden deze niet! Zie ier de nucleus pulposus voor de dag komen; et gebied van de discus dat een verdunning van collagene vezels vertoont met onduidelijke rictingen. De minimale gedifferentieërde grondvormpositie van de collagene vezels in de binnenste anulus is dus zo'n 50 en dat blijkt een goed toetsbare waarde (fig. 1). In figuur 1 staan zeer strakke grenzen aangegeven tussen anulus lagen onderling en de nucleus pulposus. In werkelijkeid zijn de grenzen veel moeilijker te erkennen dan dat ze op papier te tekenen zijn. De nucleus pulposus kan dan ook worden opgevat als een gebied, waar de informatie voor gedifferentieërde groei van collageen bindweefsel minimaal is. nders gezegd: de nucleus is een gebied met minimale verplaatsingen, etgeen et zelfde is als et gebied van liggingen van rotatie-assen. Nu de verscillende rictingen van vezels in verscillende anulus lagen begrepen zijn uit de transversale rotaties, wordt nu nog gekeken naar een flexie beweging van twee wervels ten opzicte van elkaar vanuit een anatomisce stand. Er wordt ook ier weer uitgegaan van een "gemiddelde" discus, met een vertikale oriëntatie van vezels in de buitenste anulus fibrosus.
Probleemstelling 4 Indien de rotatieas bij een flexie beweging- van twee wervels ten opzicte van elkaar door et midden van de discus gaat, oe groot is dan de maximale flexieoek, opdat de vezels in de buitenste anulus fibrosus niet meer verlengen dan 3% (fig. 11)? Bij een flexie beweging over een oek ϕ verplaatst punt naar '. De lengte van een vezel in de buitenste laag verlengd ierbij van naar '. Indien nu 100 % = 3%, oe groot is dan de flexie oek ϕ? Na enige rekenkunst op dit probleem losgelaten te ebben, blijken twee wervels ten opzicte van elkaar niet meer te kunnen flecteren dan zo'n 0.6 en dat is veel te weinig voor een umane wervelkolom. Gegevens: RC = 1 cm R = 2 cm = 1.03 φ = flexie oek φ RC R Figuur 11. Standsverandering van buitenste vezels tijdens flexie. Hieruit blijkt, dat de veronderstelde rotatieas voor flexie onmogelijk door et midden van de discus kan gaan.
Probleemstelling 5 Bij welke oriëntatie van de gemiddelde flexie-as vervormt et collagene bindweefsel in de buitenste anulus laag 3%, bij een flexie oek van 6? De matematisce oplossing van dit probleem levert op dat de flexie-as aanzienlijk naar dorsaal moet verplaatsen om toc een flexie van twee wervels ten opzicte van elkaar van zo'n 6 mogelijk te kunnen maken. Ook deze teoretisce benadering blijkt aardig toetsbaar: Flexie-assen liggen dorsaal in de discus (fig. 12), (1,7). Figuur 12. Dorsaal in de discus gelegen assen tijdens flexie. Lumbale wervels ebben afmetingen in et frontale vlak die groter zijn dan die in et sagittale vlak (fig. 13). Een gevolg iervan is, dat oekuitslagen van wervels ten opzicte van elkaar in et sagittale vlak groter kunnen zijn dan die in et frontale vlak. De berekeningen bij probleemstelling 4 leveren namelijk op dat wanneer R kleiner is, de mogelijke maximale flexieoek groter is, bij een zelfde vervorming van et collagene bindweefsel van 3%. De nucleus pulposus ligt meer naar dorsaal en is zoals duidelijk is geworden een gebied voor rotatiecentra. De rotatiecentra voor flexie van de wervelkolom liggen optimaal indien ze wat dorsaal in de discus zijn gelegen, en wel in de nucleus pulposus (fig. 12), (1,7). a b Figuur 13. Vormgeving van een lumbale discus in transversaal vlak. Konklusies 1. Weefsels vertonen een uitermate sociaal gedrag. 2. De discus intervertebralis eeft een zodanige morfologie, dat ij volledig is gebouwd voor de sturing van bewegingspatronen van de wervelkolom.
LITERTUURLIJST 1. Gertzbein, S.D., et al.. Determination of a locus of instantaneous centers of rotation of te lumbar disc by Moiré fringes. Spine. Vol. 9, No 4, 1984. 2. Gray's natomy. Norwic, Longman, 1973. 3. Kapandji, I.., Te pysiology of te joints. Vol. III. Curcill Livingstone, Edinburg, 1974. 4. Oonk, H.H.N., et al., Osteo- en rtrokinematika. Sticting Haags Tijdscrift voor Fysioterapie, Den Haag, 1985. 5. Pilippen, H., Statistiek en Normering Rugbelasting. V.U. msterdam, natomie en Biomecanica, 1982. 6. Riezebos, C.J.W., Beperkt bewegen; een literatuurstudie naar et morfologisc substraat van de bewegingsbeperking. Utrect, Sticting Scool voor Manuele Terapie, 1979. 7. Seligman, J.V., et al.. Computer analysis of spina segment motion in degenerative disc disease wit and witout axial loading. Spine, Vol. 9, No 6, 1984. 8. Kismans, J.S.H.H., tree-dimensional matematical model of te uman knee joint. Tesis, Tecnisce Hogescool Eindoven, 1980.