Biomechanische Prinzipien in Diarthrosen und Synarthrosen - Teil IV: Zur Mechanik der Wirbelsäule im Lendenbereich. Eine Pilotstudie

Zusammenfassung

Ausgehend von theoretischen Überlegungen werden die Anforderungen präzisiert, die an eine Apparatur zu stellen sind, die in der Lage ist, die momentanen Schraub-(Dreh-)achsen axialer Rotationen lumbaler Bewegungssegmente zu lokalisieren. Ergebnis: Da der Rotationsbereich dieser Segmente nur ≈ ± 1,5° beträgt, müssen die Drehwinkelintervalle, die zur Achsenbestimmung verwendet werden, kleiner als 0,3° sein bei einer Auflösung <0.03°. Es werden erstmalig in vitro Messungen vorgestellt, die dieser Präzision genügen. Sie beweisen, daß die Wirbelgelenke die Lage der axialen momentanen Schraubachsen (MS) entscheidend beeinflussen. Die Gelenkführung bedingt, daß die MS, unabhängig von Vorlasten, dorsal der Bandscheibe liegen und daß sie in Abhängigkeit vom Drehwinkel curvilinear von einem Gelenk zum anderen wandern (Wegstrecke ≈s3 - 4 cm). Die MS liegen außerdem fast parallel zum axialen Drehmoment.

Entfernt man die Gelenke, so liegt MS ortsfest und durchstößt den zentralen Bereich der Bandscheibe. Die Schraubsteigung ändert sich proportional zum Drehwinkel. Je nach Drehrichtung erhält man deswegen eine rechts- bzw. linkshändige Schraubung. Axiale Torsionsbelastung der Bandscheibe führt zu einer Vergrößerung der Bandscheibendicke. Im in takten Segment sind bei Extensionsvorlasten die Rastpolkurven (Pfade der Achsenwanderung) dorsal, bei Flexionsvorlasten aber ventral ausgebeult. Die Achsen wandern dann durch den Canalis vertrebralis, mit Hilfe des Konzeptes der dimeren Gelenkkette wird dieses Verhalten modellhaft gedeutet.

Die ausprägte Nichtlinearität der Drehwinkel-Drehmoment-Kennlinien (s-förmiger Verlauf der α = α(T_z) Funktion) und die damit gegebene Rotationsversteifung des Gelenkes hängen eng mit der Wanderung der MS zusammen. Die Bänder und die Bandscheibe haben damit vergleichsweise wenig zu tun. Aus den Messungen läßt sich darüber hinaus die Hypothese begründen, daß die Hysterese der Drehwinkel-Drehmoment-Kennlinien (neutrale Zone) ein Artefakt ist, der in vivo nicht auftreten sollte.

Insgesamt beweisen die Experimente, daß die Lagen der MS durch das Zusammenspiel von Vorlast, Struktur des angreifenden Kraftsystems und der Krümmungsmorphologie der Gelenkoberflächen gegeben sind. Damit eröffnet sich klinisch die Möglichkeit, nach in vivo Vermessung der Gelenkmorphologie (z.B. mit Hilfe von NMR) auf dem Computer in Abhängigkeit der denkbaren Muskelkonstellationen die Gesamtheit der möglichen Bewegungsvorgänge individuell zu simulieren. Eine physikalisch fundierte biomechanische Klassifikation einschlägiger Pathologien ist damit begründet und meßtechnisch möglich.

Abstract

Theoretical considerations help define the requirements for an apparatus that is to localize the instantaneous helical axes (IHA) of axial rotations of lumbar segments. Result: Since the range of axial rotation of an L3/4 segment is in only = ±1.5° the rotational angle intervals have to be smaller than 0.3° with an resolution less than 0.03° in order to be able to determine the loci of the IHAs. For the first time in vitro measurements are presented that satisfy this requirement. The data prove that the guidance by the artt. zygapophysiales critically influence the possible positions of the IHA. Comparatively, ligaments and intervertebral disk play a marginally role. During axial torques T, the IHAs lie dorsal to the intervertebral disk and migrate from one joint to the other depending on axial rotation (length of migration: ≈ 3 - 4 cm). The IHAs lie almost parallel to the axial torque vector.

When the joints are removed the IHA is stationary and almost perpendicular to the intervertebral disk and intersects the disk's central region. The screw inclinalion (pitch) of the instantaneous screw movement is proportional to the rotational angle. Therefore, depending on the direction of rotation. one obtains left or right handed screw movements. This means: axial torsional load leads to an increase in thickness of the intervertebral disk.

During preloads that produces extensions the fixed centrodes (paths of axis migration) of intact segments are dorsally beaten out, whereas during flexional loads they are ventrally beaten out. Then. the IHAs migrate through the canalis vertebralis. By the concept “dimeric link chain” the different shapes of the fixed centrode are traced back to the morphology of curvature of the articulating surfaces.

The measurements suggest the hypothesis that the distinct nonlinearity of the load displacement curves (s-shape of α = α (T_z) funktion is an affection of IHA migration. Comparatively. the influence of ligaments can be neglected. The measurements suggest the hypothesis that the hysteresis of the load displacement curves (neutral zone) is an artefact that does not appear in vivo. Altogether, the experiments prove that the loci of the IHAs are determined by the interplay of preload, structure of the applied force system and morphology of curvature of the articulating surfaces. By that the possibility is clinically given to calculate the multitude of possible movements as function of muscle activity when in the individual the shape and the position of the articulating surfaces are measured in vivo (by NMR-methods e.g.). A physically based classification of pathological cases seems to be possible.