spierfunkties bij de - Versus, Tijdschrift voor Fysiotherapie

Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 14e jrg 1996, no. 1 (pp. 42 - 53)
Auteur(s): H. Faber
Titel: De belaste discus
Jaargang: 14
Jaartal: 1996
Nummer: 1
Oorspronkelijke paginanummers: 42 - 53
Deze online uitgave mag, onder duidelijke bronvermelding, vrij gebruikt worden voor
(para-) medische, informatieve en educatieve doeleinden en ander niet-commercieel
gebruik.
Zonder kosten te downloaden van: www.versus.nl
Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 14e jrg 1996, no. 1 (pp. 42 - 53)
DE BELASTE DISCUS
H. Faber
Herre Faber, Bewegingstechnoloog, Voorburg
Inleiding
H
et bewegen van een gewricht in zijn fysiologische bewegingsrichting kost over het algemeen zeer
weinig moeite. Er behoeft door externe krachten, zoals spieren of zwaartekracht maar zeer weinig
energie toegevoerd te worden om een gewricht te laten bewegen. Dit soepele bewegingsgedrag vereist een nauwkeurige afstemming van gewrichtsvorm en geometrie van kapsel en banden. De door
deze strukturen geleverde krachten moeten zodanig gericht zijn dat zij de beweging niet belemmeren,
maar juist netjes sturen. Dit geldt voor ieder gewricht, inclusief de gewrichten van de wervelkolom. De
discus en de facetgewrichten zorgen er samen voor dat de wervels soepel ten opzichte van elkaar
kunnen bewegen. Ook bij belasting op de wervelkolom door zwaartekracht en spieren moet het zo zijn
dat de wervels zonder al teveel moeite ten opzichte van elkaar kunnen bewegen.
In dit tijdschrift is eerder betoogd dat de discus intervertebralis niet, zoals algemeen wordt aangenomen, op druk wordt belast(5). Er werd aannemelijk gemaakt dat niet de discus, maar de
facetgewrichten zorgen voor het krachten- en momentenevenwicht tussen twee wervels. In dit artikel
zal hier nader op ingegaan worden.
Evenwicht van de wervelkolom
Om gewrichtsstanden te handhaven zijn statische spierkontrakties nodig. Iemand die bijvoorbeeld 45°
voorover gebogen staat, moet zijn erector spinae aanspannen om
ervoor te zorgen dat door de zwaartekracht de wervelkolom niet in
flexie beweegt (figuur 1). De zwaartekracht (Fz) en de spierkracht
van de erector spinae (Fs) zorgen samen voor een belasting van
de verbinding tussen de wervels. Om deze belasting te kompenseren, ontstaat in de wervelverbinding een reaktiekracht (Fr) die
zorgt dat er evenwicht ontstaat. Als deze drie krachten precies
door één punt gaan is evenwicht van de romp mogelijk. Dit is overigens een algemene eis voor het evenwicht van drie krachten.
Figuur 1.
Iemand staat 45 graden gebogen. In de wervelkolom ontstaat een reaktiekracht (Fr) welke de zwaartekracht (Fz) en de spierkracht van de erector spinae (Fs) in evenwicht houdt. De drie krachten moeten door één
punt gaan om evenwicht te maken.
We zullen nu wat preciezer gaan kijken naar de evenwichtssituatie van de romp ter hoogte van een
lumbale wervel (figuur 2a). Het bovenlichaam staat net als in figuur 1 voorover gekanteld evenals de
wervel die we hier beschouwen. De zwaartekracht op de romp grijpt ventraal van de wervelverbinding
aan en levert dus een flecterend moment. Om dit te compenseren moet de erector spinae aanspannen
welke een extenderend moment levert. Met alleen deze twee krachten is er geen evenwicht mogelijk.
De erector spinae levert een kracht naar dorsaal en caudaal. De zwaartekracht is naar caudaal
gericht. De zwaartekracht en de spierkracht van de erector spinae belasten dus samen de
wervelkolom in caudaal/dorsaalwaartse richting. In de wervelverbinding moet daarom een
reaktiekracht optreden die juist de andere kant op gericht is: naar ventraal en craniaal. In de
Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 14e jrg 1996, no. 1 (pp. 42 - 53)
verbinding van twee wervels zijn twee duidelijk verschillende kompartimenten te onderscheiden: de
facetgewrichten en de discus intervertebralis.
Figuur 2.
a. De situatie indien de discus de reaktiekracht levert. Fz: zwaartekracht, Fs: spierkracht, Fr: reaktiekracht, n: nucleus pulposus, s: snijpunt van de krachten.
b. De situatie indien de facetgewrichten de reaktiekracht leveren. Fz: zwaartekracht, Fs: spierkracht, Fr: reaktiekracht, s: snijpunt van de krachten. De reaktiekracht bestaat uit een komponent loodrecht op de facetgewrichten
(Fn) en een komponent geleverd door het kapsel van de facetgewrichten (Fk).
De vraag is nu wie de benodigde reaktiekracht levert: de discus of de facetgewrichten of wellicht een
kombinatie van beiden. De meest gangbare mening is dat de discus de reaktiekracht levert(2). Dit
wordt geïllustreerd in figuur 2a. Riezebos en Koes(5) betogen echter dat niet de discus maar de
facetgewrichten de reaktiekracht leveren. Aangezien de discus uit type I bindweefsel bestaat, dat juist
bedoeld is om trekkrachten op te vangen, concluderen zij dat de discus in vivo niet op druk wordt
belast. Hoe de reaktiekracht volgens deze auteurs geleverd wordt is te zien in figuur 2b. In dit geval
bestaat de reaktiekracht uit een komponent loodrecht op de facetgewrichten (Fn) en een komponent
geleverd door het kapsel van de facetgewrichten (Fk). De kracht Fr is de resultante van Fn en Fk.
Aangezien Fz, Fr en Fs door één punt gaan wordt er evenwicht gemaakt zonder dat de discus daarbij
nodig is. Het model in figuur 2b is kwalitatief van aard. Er wordt een uitspraak gedaan over het aantal
krachten en hun richtingen. Over de grootte van de krachten wordt echter niet gesproken. Daarom is
een model ontwikkeld waarmee de grootte van de krachten die op de wervels werken bepaald kunnen
worden.
Modelbeschrijving
In het model is er vanuit gegaan dat de discus geen kracht opneemt. Een tweede voorwaarde in het
model is dat de kracht Fk (geleverd door het kapsel van de facetgewrichten) zodanig gericht is dat het
draaipunt van de wervel gesneden wordt. Het draaipunt wordt
gevormd door de nucleus pulposus(6) en wordt in figuur 2 weergegeven met punt n. Als (Fk) niet door het draaipunt zou lopen,
zou hij een moment leveren ten opzichte van het draaipunt (figuur 3).
Figuur 3.
Als de kapselkracht (Fk) niet door het draaipunt verloopt, maar craniaal daarvan verloopt, wordt een flecterend moment (Mk) geleverd,
zodat het gewricht niet soepel kan bewegen.
Daarmee zou de in de inleiding genoemde eis, dat een gewricht soepel moet kunnen bewegen,
geweld aangedaan worden. Voor de reaktiekracht loodrecht op de facetgewrichten (Fn) is automatisch
aan deze eis voldaan, omdat deze gewrichten zodanig gericht staan dat een loodlijn op hun oppervlak
Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 14e jrg 1996, no. 1 (pp. 42 - 53)
de nucleus pulposus snijdt (figuur 4). De kracht Fn is
altijd door het draaipunt gericht en levert geen moment
opzichte hiervan.
altijd
dus
ten
Figuur 4.
Een loodlijn op de facetgewrichten snijdt het draaipunt. De reaktiekracht op de gewrichtsoppervlakken levert dus
geen moment ten opzichte van het draaipunt.
De spierkracht (Fs) wordt in het model verondersteld in de lengterichting van het wervellichaam te lopen met een momentsarm b ten opzichte van het draaipunt. Er zijn nog enkele parameters van belang
voor het model. Dit zijn de hoek die het kapsel van de facetgewrichten maakt met de bovenkant van
het wervellichaam (ß), de vooroverkanteling van het wervellichaam ten opzichte van de grond (μ), de
momentsarm van de zwaartekracht op de
romp ten opzichte van het draaipunt (α),
de stand van de facetgewrichten ten opzichte van het wervellichaam (σ) en de
grootte van de zwaartekracht (Fz). Figuur
5 laat een overzicht van de situatie zien.
Met deze informatie kunnen de evenwichtsvergelijkingen voor de romp opgesteld worden.
Figuur 5.
Een overzicht van de krachten, hoeken en afstanden die van belang zijn voor het model.
De onbekende krachten in het model zijn de spierkracht (Fs), de reaktiekracht op de gewrichtsoppervlakken (Fn) en de kapselkracht (Fk). Omdat de richting van deze krachten bekend is, levert dit drie
vergelijkingen met drie onbekenden op, wat wiskundig oplosbaar is.
Resultaten
De hoeken α, ß en σ in het model bedragen respektievelijk 30, 15 en 10 graden. De momentsarmen
van de zwaartekracht en de spierkracht worden gesteld op respektievelijk 15 cm en 6 cm. In tabel 1
staat vermeld hoe groot de spier- en kapselkracht moeten zijn om te zorgen dat er evenwicht rond de
wervelverbinding bestaat.
ZWAARTEKRACHT (N)
300
800
1300
1800
2300
SPIERKRACHT (N)
428
1143
1857
2571
3285
KAPSELKRACHT (N)
1241
3311
5380
7449
9518
Tabel 1.
Krachten in de rugspieren en gewrichtskapsels bij verschillende belastingen.
Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 14e jrg 1996, no. 1 (pp. 42 - 53)
De grootte van de zwaartekracht wordt gevariëerd van 300 N (30 kg) tot 2300 N (230 kg). De laagste
belasting komt ongeveer overeen met voorover gebogen staan zonder gewicht. De hoogste belasting
staat ongeveer gelijk aan voorover gebogen staan met een gewicht van 200 kg in de handen. Voor
veel body-builders en powerlifters is dit een relatief makkelijk te tillen gewicht. Uit de tabel blijkt dat de
benodigde krachten in het kapsel variëren van 1241 N tot 9518 N.
Discussie
In de literatuur wordt er altijd van uitgegaan dat het de discus intervertebralis is die de reaktiekracht levert en daarbij voornamelijk op druk belast wordt. De facetgewrichten worden geen rol toebedeeld bij
het opvangen van de druk. In de hedendaagse literatuur wordt hierover niet meer getwijfeld. Om te onderzoeken of alleen de facetgewrichten in staat zijn de benodigde reaktiekracht te leveren werd een
statisch model van de wervelkolom ontwikkeld. De resultaten laten zien dat als de facetgewrichten
verantwoordelijk zouden zijn voor de reaktiekracht, de krachten in het kapsel op kunnen lopen tot ruim
9000 N (900 kg). Deze waarden zijn onaanvaardbaar hoog. Riezebos en Koes(5) vermelden dat het
kapsel van de facetgewrichten 1200 N op kunnen nemen. Dat is voor powerlifters dus een faktor acht
te weinig. De konklusie moet naar aanleiding van deze analyse luiden dat de facetgewrichten niet in
staat zijn de belasting op de wervelkolom op te vangen. De enige struktuur die dan nog overblijft is de
discus intervertebralis. Uit een aantal onderzoeken blijkt dat deze hier uitstekend toe in staat is(2,3,4).
Behalve deze beschouwing zijn er nog minstens twee argumenten die het idee ondersteunen dat het
de discus is die de druk opvangt en niet de facetgewrichten.
De eerste die het onderzoek naar de mechanische belasting op de discus systematisch heeft aangepakt is Alf Nachemson(3,4) geweest. Hij belastte
wervels in zijn laboratorium met een uitwendige
vertikaal gerichte drukkracht en registreerde
daarbij de druk in de nucleus pulposus (figuur 6).
Figuur 6.
De proefopstelling van Nachemson. Met een drukgevoelige sensor werd de druk in de nucleus pulposus
bepaald bij een uitwendige vertikale drukkracht (Fu).
Het bleek dat er een recht evenredig verband bestond tussen de uitwendige kracht en de hydrostatische druk in de nucleus pulposus. Om nu te testen wat de bijdrage was van de facetgewrichten bij het
opvangen van de uitwendige kracht herhaalde hij het experiment nadat de facetgewrichten en pediculi
verwijderd waren. Het bleek dat dit nauwelijks effekt had (figuur 7).
Figuur 7.
Resultaten van de experimenten van Nachemson. Op de x-as staat de uitwendige kracht uitgezet, op de y-as de druk in de nucleus pulposus.
Grafiek a: met facetgewrichten. Grafiek b: zonder
facetgewrichten. Er blijkt nauwelijks verschil te
bestaan tussen beide grafieken. Dit betekent dat
de facetgewrichten niet bijdragen aan de opvang
van de uitwendige drukkracht (vrij naar
Nachemson).
Hier kan tegenin gebracht worden dat de uitwendige kracht in deze experimenten niet voor precies dezelfde belasting zorgt als in vivo. Immers, de belasting in vivo bestaat uit de zwaartekracht op de romp
Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 14e jrg 1996, no. 1 (pp. 42 - 53)
en de spierkracht van de erector spinae en niet uit één zuivere drukkracht. Echter, als de
facetgewrichten een rol zouden spelen bij het opvangen van de drukbelasting, zou er ook bij de
experimenten van Nachemson tenminste enig effekt verwacht mogen worden van het verwijderen van
de facetgewrichten.
Een ander argument betreft de richting van de vezels in de anulus fibrosis. De collagene vezels in de
anulus lopen niet vertikaal van de onderliggende naar de bovenliggende wervel, maar onder een hoek van 20-30
graden(2). Dit is geïllustreerd in figuur 8. McNally(2) heeft een
wiskundig model van de discus gemaakt waarmee de invloed
van deze hoek op de mechanische stabiliteit van de discus
onderzocht kan worden.
Figuur 8.
De vezels in de anulus fibrosus lopen onder een hoek α schuin van
wervel naar wervel. Hoek α bedraagt 20-30 graden.
Hij gaat er daarbij vanuit dat de discus op druk belast wordt. In het model worden de volgende gegevens ingevoerd:
* de diameter van de discus
* de hoek van de collagene vezels in de anulus
* de druk in de nucleus pulposus
* de uitwendige drukkracht
Met deze gegevens kan precies de vorm van de discus uitgerekend worden. De vormen die uit deze
berekeningen komen vertonen zeer veel gelijkenis met de vormen die men bij een echte discus ziet.
Ook bleek uit de berekeningen dat de discus alleen maar stabiel is bij bepaalde hoeken van de
anulusvezels, nl. bij hoeken van 20-30 graden. Dit komt precies overeen met de hoeken die in
werkelijkheid gezien worden en is daarmee een sterke aanwijzing dat de discus gebouwd is om
drukkrachten te weerstaan.
Krachten rond de discus
Het krachtenspel rond de discus wordt enigszins versimpeld weergegeven in figuur 9. De bovenste
wervel wordt door de zwaartekracht op de romp en de
rugspieren naar beneden geduwd. Als gevolg hiervan
wordt druk opgebouwd in de nucleus pulposus die de bovenste wervel weer terug duwt. Door de druk in de nucleus worden ook de vezels in de anulus opgespannen.
Figuur 9.
Bij de belasting van de discus in vertikale richting spelen drie
krachten een rol. De uitwendige belasting (Fz) en de vertikale
komponent van de kracht in de anulusvezels (Fay) werken naar
beneden. Deze worden gekompenseerd door de druk in de
nucleus pulposus (Fnc), die een kracht naar boven uitoefent.
De kracht in de vezels kan ontbonden worden in een
vertikale en een horizontale komponent. De vertikale komponent trekt de bovenste wervel naar
beneden en belast daarmee de nucleus extra. Er werken dus twee krachten naar beneden (de
uitwendige belasting en de vertikale komponent van de anulusvezels) en één kracht naar boven (de
druk in de nucleus). Deze drie krachten moeten wel in evenwicht zijn. De hoek van de anulusvezels is
in hoge mate belangrijk voor het krachtenspel omdat deze bepaalt hoe groot de vertikale komponent is
van de trekkracht naar beneden.
Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 14e jrg 1996, no. 1 (pp. 42 - 53)
Tot besluit nog dit. De discus intervertebralis wordt in vivo op druk belast. De facetgewrichten vangen
geen druk op. Dit beantwoordt nog niet de vraag waarom de natuur in de wervelkolom voor de discus
heeft gekozen als drukopvangende struktuur. In alle andere gewrichten zorgt het hyaliene kraakbeen
van de gewrichten voor de drukopvang. Waarom is dat in de wervelkolom niet zo? Kennelijk hebben in
de wervelkolom gedurende de evolutie omstandigheden geheerst die het ontwikkelen van de discus
als drukopvanger hebben bespoedigd. Welke omstandigheden dat zijn geweest zal voorlopig wel een
raadsel blijven. Wij waren er tenslotte niet bij om onze eigen evolutie te bestuderen op het moment dat
deze plaats vond.
LITERATUUR
1.
Gertzbein, R. et al.
Determination of a locus of instantaneous centers of rotation of the lumbar disc by Moiré fringes.
Spine, vol. 9, nr. 4 (1984).
2.
McNally, D.S., Arridge, R.G.C.
An analytical model of intervertebral disc mechanics.
J. Biomechanics, vol. 28: 53-68 (1995).
3.
Nachemson, A.
Lumbar intradiscal pressure.
Acta orthopaedica scandinavica, suppl. 43 (1960).
4.
Nachemson, A.
The influence of spinal movements on the lumbar intradiscal pressure and on the tensile stresses in the
annulus fibrosis.
Acta orthopaedica scandinavica, vol. 33: 183-207 (1963).
5.
Riezebos, C., Koes, E.
Druk versus trek op de lumbale disci intervertebrales.
Versus, tijdschrift voor fysiotherapie, vol. 11: 76-106 (1993).
6.
Seligman, S.D.
Computer analysis of spinal segment motion in degenerative disc disease with and without axial loading.
Spine, vol. 9, nr. 6 (1984).