A gerinc biomechanikája
A gerinc funkciói és szerepe
A két lábon járó ember gerince sokrétű feladatot lát el. Statikus funkciói közé sorolhatjuk, hogy egyfelől a törzs szilárd vázát képezi, másfelől a felsőtest gravitációból adódó axialis terhelését a medenceövön keresztül átviszi az alsó végtagokra. Ugyanakkor dinamikus funkciókat is ellát, hiszen a gerincoszlop által valósulnak meg a törzsmozgások. Az emberi gerinc kettős S alakú görbülete egyrészt igen hajlékony struktúra, ugyanakkor pedig, rendkívüli merevséggel áll ellen még a túlzott terhelésnek is a fiziológiás mozgáspálya végpontján túl. Az axiális terheléssel szemben úgy viselkedik, mint egy autó futóműve, a kettős S alakú görbület mint egy rugó csillapítja a gravitációból adódó rezgéseket, míg a porckorongok rugalmasságának eredője úgy működik, mint egy nagy lengéscsillapító. Az egész szerkezetet mozgató aktív elemek, vagyis törzsizomzat jelentős mozgások kivitelezésére képes, míg az egyes csigolyákat összekötő passzív elemek - a gerinc szalagrendszere - ezeket a mozgásokat igyekeznek a fiziológiás határok közé szorítani. Fontos további feladata gerincoszlopnak, hogy csontos-szalagos struktúrája óvja benne futó idegelemek épségét.
Amennyiben a gerincet alkotó passzív és aktív elemek működésének egyensúlya megbomlik, a rendszer egyes elemeinek túlterhelése révén a nociceptív reflex utakon keresztül fájdalomérzet keletkezik. A gerinc különböző patológiás folyamatainak megértéséhez, így azok gyógyításához elengedhetetlen a gerinc biomechanikája alapjainak ismerete.
Funkcionális szegmentális egység
Az emberi gerinc kettős S alakú görbülete hét nyaki, tizenkét háti, öt ágyéki csigolyából és a keresztcsontból áll össze, létrehozva a fiziológiás nyaki és ágyéki lordosis és a háti kyphosis kompenzált egységét (1. ábra). A gerincoszlop biomechanikai működésének megértéséhez azonban azt további egységekre kell bontanunk. Amikor a működést próbáljuk modellezni, nem elegendő a gerinc egyes építőköveire, a csigolyákra szorítkoznunk, hiszen a mozgások alapvetően két csigolya között mennek végbe. Így gerinc mozgáselemzése szempontjából a legkisebb egység, az ún. funkcionális szegmentális egység (functional spinal unit = FSU), másnéven mozgásszegmentum, mely nem más, mint két szomszédos csigolya, és az azokat összekötő passzív és aktív elemek (2. ábra).
A passzív elemek közül a legfontosabbak a két csigolyát összekötő intervertebrális porckorong, a kisízületek és a számtalan szalagos összeköttetés, melyek közül kiemelkedő mechanikai és funkcionális szereppel bírnak a ligamentum longitudinale posterior és anterior (elülső és hátulsó hosszanti szalag), a ligamentum flavum (a csigolyák hátsó elemit összekötó ún. "sárga szalag"), és az interpinosus ligmentumok (a tövisnyúlványokat összekötő szalagok). Az aktív elemek természetesen a szegmentumot átívelő és azok mozgatását kivitelező paravetebrális izmok rendszere. A továbbiak megértéséhez ismernünk kell, hogy a saggitalis síkban a gerincet három oszlopra szokás osztani, az elülső oszlop a csigolyatest, a középső oszlop a pediculusok és a gerinccsatorna, a hátulsó oszlop pedig a laminák és vele együtt a kisízületek sora.
Korábbi vizsgálatok eredménye alapján ismert tény, hogy az axiális terhelésből adódó erők eredőjének 80%-a az elülső oszlopon halad keresztül (3. ábra). Az FSU forgáspontja fiziológiás körülmények között valahol a porckorong hátulsó harmadára tehető, így érthető, hogy ezen terhelésmegoszlás, tehát az elülső oszlopra ható nagy kompressziós erő a hátulsó oszlopban disztrakciót, a laminák egymástól való eltávolítását eredményezné. Ezt kompenzálja a szegmentális aktív izomrendszer normál tónusával, mint egy feszítőhurokként antagonizálva ezen disztrakció irányába ható erőket (ld. 2. ábra). Fontos még tudnunk, hogy az FSU fiziológiás működéséhez a fenti tényezők optimális működésén túl még elengedhetetlen a korábban említett szalagos összekötőrendszer megfelelő "előfeszítettsége".
Ez a Bagby által leírt "kompresszió-disztrakció" elve, miszerint az FSU akkor képes fiziológiás körülmények között tartani saját mozgástartományát, amennyiben a rá ható kompressziós erőket a szalagrendszer megfelelő feszítettségével (disztrakció) tudja kompenzálni. Amennyiben a degeneratív (kopásos) folyamatok következményeképpen a szegmentumok előfeszítettsége csökken, a szalagok meglazulnak, és az aktív rendszer, az izomzat, már nem képes fiziológiás értékek közé szorítani az FSU mozgástartományát, és létrejön az ún. szegmentális instabilitás.
Biomechanikai alapok
Mint ahogy azt fent említettük, a degeneratív gerincbetegségek lefolyásában kulcskérdés a szegmentális instabilitás, nem csoda hát, ha a szegmentumok in vitro vizsgálata során elsősorban arra keressük a választ, hogy bizonyos körülmények között a fiziológiás erők hatására az egy szegmentumot alkotó csigolyák között milyen irányú és mekkora mértékű elmozdulások jönnek létre. Gyakorlatilag tehát, biofizikai szemlélettel megközelítve, a szegmentumok vizsgálatának alapja kinetikai vizsgálat, amely során terhelés-elmozdulás közötti összefüggéseket keresünk.
A legegyszerűbb ilyen összefüggés, amennyiben nem élő anyagról beszélünk, az acélrugó viselkedése adott terhelésre. Ha a koordináta rendszer egyik tengelyén a kifejtett erőt, a másikon pedig az ennek hatására bekövetkező elmozdulást jelöltük, akkor a kapott "görbe" egyenes, ugyanis a terhelés növekedésével egyenes arányban nő a létrehozott elmordulás is. Az egyenes meredeksége jelzi a vizsgált anyag merevségét, és ez az adott anyagra jellemző tulajdonság.
Élő anyag (pl. az általunk vizsgálat FSU) esetén ez az összefüggés nem lineáris és időfüggő. A terhelés-elmozdulás görbe meredeksége ebben az esetben folyamatosan változik: a görbe kezdetén kis erőhatásokra viszonylag nagy elmozdulások következnek be, majd a görbe ellapul. Ugyanakkor azt is megfigyelhetjük, hogy ha hosszabb ideig teszünk ki egy élő anyagot egy adott erőnek, akkor az idővel annak az elmozdulása növekszik, az anyag folyamatosan "továbbnyúlik". Ezt a továbbnyúlást (kúszás) az angol terminológia "creeping"-nek nevezi, és csak az élő anyagokra jellemző tulajdonság, hiszen a rugó elmozdulása mit sem változik az idővel, amennyiben az ugyanakkora erőnek van kitéve.
A szegmentumok vizsgálata során leggyakrabban az azt alkotó csigolyatestek egymáshoz viszonyított elmozdulását vizsgáljuk adott erő hatására. Ez az ún. flexibilitás vizsgálat. Főelmozdulások alatt érjük az adott erőhatás irányában, míg járulékos elmozdulás alatt az egyéb irányokban bekövetkező mozgásokat. Általában a kísérletek során csak a főelmozdulások értékeinek detektálására törekszünk. A kísérletek során különböző mozgásanalizáló, térbeli nyomkövető rendszerekkel mérhetjük az ismert mértékű forgatónyomaték hatására létrejövő elmozdulást (load controlled vizsgálat), míg feszültségmérő érzékelőkkel mérhetjük az adott elmozdulás létrehozásához szükséges erőt. Méréseink során a következő paramétereket értékeljük (4. ábra): a neutrális zóna (NZ) a szegmentum lazaságára jellemző érték, az elasztikus zóna (EZ) gyakorlatilag a fiziológiás mozgáspálya jellemzője. A kettő összege adja a szegmentum teljes mozgásterjedelmét (ROM = range of motion). Bizonyos terhelés után az elmozdulás minimálissá válik, ez a szegmentum végterhelése, ez után, az erő növelésével a szegmentum törése következik be.
A flexibilitási tesztek tehát alkalmasak arra, hogy vizsgáljuk az FSU-n belül létrejövő mozgásokat fiziológiás és különböző patológiás körülmények között. Össze tudjuk hasonlítani tehát, hogy az egészséges szegmentumhoz képest milyen mozgások alakulnak ki a degeneratív folyamatok során, valamint a szegmentális instabilitás különböző fázisaiban, illetve szimulálni tudjuk bizonyos műtéti beavatkozások hatását is. Mérni tudjuk, hogy milyen változásokat eredményeznek a szegmentum stabilitásában a különböző műtéti beavatkozások, pl. hogyan változik a ROM discectomia (porckorongsérv műtét), különböző dekompressziós, és különböző rögzítéses műtétek után.
Számos patológia megoldására a gerincsebészetben valamilyen belső rögzítést kell alkalmazni. A különböző stabilizáló implantátumok használatának az elmúlt évtizedekben megfigyelhető elterjedése kapcsán egyre fontosabb szerep jut azoknak a biomechanikai vizsgálatoknak, amelyek ezen implantátumok tesztelésével adatokat szolgáltatnak azok viselkedéséről, stabilizáló hatásukról és megbízhatóságukról. Ma legalább száz féle, többé-kevésbé különböző belső gerincrögzítő implantátum van forgalomban a világpiacion. Az implantológia térhódításával ilyen vizsgálatok nélkül ma már egy új eszköz nem kerülhet forgalomba. Az implantátum-tesztelésnek három fő formáját különböztetjük meg. A legelterjedtebb a fenti flexibilitási teszt, mely ugye arra keresi a választ, hogy az implantátum mennyiben képes rögzíteni az érintett szegmentumot, vagyis milyen mértékben tudja csökkenteni annak mozgástartományát az egyes irányokban (flexió-extenzió, axiális rotáció, oldalhajlás) a fiziológiás vagy éppen a patológiás értékekhez képest. A szilárdsági teszt azt hivatott meghatározni, hogy mekkora az a terhelés (failure load), amit az implantátum még károsodás nélkül képes elviselni. A fáradási teszt során az implantátumot ciklikus terhelésnek teszik ki a normálishoz közeli erőkkel, és így vizsgálják, mikor következik be az implantátum fáradásos törése.