Kręgosłup jest
częścią układu szkieletowego spełniającą takie funkcje jak układ podporowy
dla całego organizmu, jako narząd ruchu dający nam dość ograniczony zakres
ruchów oraz jako narząd ochrony rdzenia kręgowego.
Kręgosłup połączony jest
w części szyjnej z czaszką mieszczącą w sobie wiele ważnych i bardzo wrażliwych
narządów takich jak mózg, ucho wewnętrzne, oko. Narządy te muszą być chronione
przed nadmiernymi wstrząsami. Taką funkcje obronną spełnia dla nich kręgosłup,
dzięki swojemu ukształtowaniu tzn. dzięki lordozie szyjnej, kifozie piersiowej
i lordozie lędźwiowej.
Taki sposób ukształtowania
kręgosłupa czyni z niego element sprężysty, w którym rozkład sił osiowych
jest dobrze rozłożony i przenoszony.
Przez
wiele milionów lat postawa człowieka kształtowała się żeby osiągnąć postawę
wyprostowaną. Kiedy właściwie już kręgosłup przystosował się do takiej
postawy teraz gwałtownie próbujemy znów zmienić jego przeznaczenie. Dziś
wymagamy od naszego kręgosłupa, aby przystosował się do pracy w pozycji
siedzącej. Już od najmłodszych lat wykorzystujemy kręgosłup w tej pozycji.
W szkołach program jest tak opracowany, że uczniowie spędzają w ławkach
kilka godzin dziennie. Krzesła w szkolnych ławkach nie są przygotowane
dla konkretnych uczniów i dlatego na standardowym krześle siedzą uczniowie
o wzroście 130 cm i 170 cm co nie pozostaje bez wpływu na ukształtowanie
postawy. Następnym etapem siedzącym w życiu człowieka jest odrabianie
lekcji w domu, zapominając o sporcie, który tak doskonale kształtuje postawę.
Dalszy tryb siedzący wymusza na nas studiowanie, a potem często praca.
Nawet praca fizyczna jest też często prowadzona z krzywdą dla kręgosłupa.
Listonosz nosi ciężką torbę, murarz nosi cegły i inne ciężary często w
pozycji niewłaściwej z dużą szkodą dla kręgosłupa.
I
praktycznie zawsze to lekceważymy, a kręgosłup jest jak bomba zegarowa
z opóźnionym zapłonem... odwdzięcza się nam w późniejszym wieku, a robi
to w sposób nieprzyjemny.
Mówiąc
o kręgosłupie często ograniczamy nasze wyobrażenie na jego temat do kręgów
i krążków międzykręgowych. Ale z punktu widzenia biomechaniki nie jest
on narządem niezależnym od innych układów. Jego praca związana jest z
budową oraz współpracą wiązadeł i mięśni bezpośrednio związanych z kręgosłupem
i pośrednio współpracujących z kręgosłupem (prosty brzucha, skośny zewnętrzny
brzucha, poprzeczny brzucha, czworoboczny lędźwi). Dodatkowo wspomaga
kręgosłup jest ciśnienie brzuszne.
W skład kręgosłupa (columna vertebralis) wchodzi 7 kręgów szyjnych (vertebrae
cervicales), 12 kręgów piersiowych (vertebrae thoracicae), 5 kręgów lędźwiowych
(vertebrae lumbales), pięć kręgów krzyżowych (vertebrae sacrales) oraz
4-5 kręgów ogonowych, czyli guzicznych (vertebrae coccygeae).
Kręgosłup
stanowi ruchomy słup kostny, rozciągający się od podstawy czaszki do dolnego
końca tułowia i położony jest w linii pośrodkowej po grzbietowej stronie
ciała. Spełnia on trzy zasadnicze funkcje:
-ochrony rdzenia kręgowego
-narządu ruchu
-narządu podpory ciała.
Jednakże tak naprawdę właściwie spełnia tylko pierwsze zadanie, czyli
ochronę rdzenia kręgowego. Kręgosłup tworzy podporę dla górnej części
ciała przez co w miarę postępowania ku dołowi zwiększają się jego wymiary
i wzmaga się masywność budowy tworzących go elementów.
Najniższą częścią kręgosłupa jest część lędźwiowa (lumbarc), następnie
część piersiowa (thorac), a podparcie głowy stanowią kręgi szyjne. Kręgi
połączone są ze sobą za pomocą tkanek miękkich, więzadeł oraz mięśni.
Budowa kręgu na każdym kręgu możemy wyróżnić część przednią i tylną.
Część przednia to trzon kręgu, a tylna to łuk kręgu.
Trzon kręgu ma kształt niskiego krążka z dwiema wklęsłymi powierzchniami
po przeciwległych stronach górnej i dolnej. Pomiędzy trzonem, a łukiem
znajduje się otwór kręgowy. Kręgosłup zbudowany jest z 24 kręgów nałożonych
na siebie, a otwory każdego kręgu tworzą kanał kręgowy. W kanale tym znajduje
się część ośrodkowego układu nerwowego , zwana rdzeniem kręgowym.
Łuk
kręgu jest znacznie węższy od trzonu. Od łuku kręgu odchodzi 7 wyrostków:
nieparzysty wyrostek kolczysty, parzyste wyrostki poprzeczne i dwie pary
wyrostków stawowych - górne i dolne.
Wyrostki stawowe służą do stawowego połączenia kręgów między sobą, wyrostki
kolczyste i poprzeczne są miejscami przyczepów mięśni i wiązadeł.
Kręgi szyjne (C 1-7) charakteryzują się innym niż w pozostałych
ukształtowaniem wyrostka poprzecznego, który składa się z dwóch listewek
kostnych zrastających się na końcach i obejmujących otwór wyrostka poprzecznego.
Listewki te zakończone są guzkami, które tworzą rowek przeznaczony dla
przedniej gałęzi szyjnego nerwu rdzeniowego.
Kręg szczytowy nie posiada trzonu , a zamiast niego znajduje się
listewka kostna tzw. łuk kostny.
Na górnej powierzchni łuku tylnego, która zamiast wyrostka kolczystego
posiada guzek tylny, znajduje się bruzda tętnicy kręgowej. W bruździe
tej biegną tętnica i żyła kręgowa oraz pierwszy nerw szyjny.
Kręg
obrotowy jest drugim kręgiem szyjnym i ma zupełnie odmienną budowę
od pozostałych kręgów. Posiada nadmiernie rozwinięty trzon kręgowy . Jego
część wyrasta ku górze i układa się pomiędzy łukiem przednim kręgu szczytowego,
a więzadłem poprzecznym. Ta część kręgu nosi nazwę zęba obrotowego.
Kręg
wystający jest siódmym, czyli ostatnim kręgiem kręgosłupa szyjnego,
a zarazem przejściowym kręgiem pomiędzy kręgosłupem szyjnym, a piersiowym.
Charakterystyczną cechą kręgu C-7 jest łatwość jego odnalezienia. Uwypukla
się on pod skóra grzbietu podczas zgięcia głowy do przodu.
Kręgi
piersiowe Th 1-12. W tej części z kręgosłupem łączą się żebra. Kręgi
te charakteryzują się obecnością na powierzchni stawowych. Powierzchnie
te nazywamy dołkami stawowymi i znajdują się one na bocznych powierzchniach
trzonów. Przez te powierzchnie głowy kręgów łączą się z kręgami piersiowymi.
Na kręgach Th 2-9 leżą one na górnej i dolnej krawędzi trzonu. Kręgi Th
11-12 mają tylko po jednej powierzchni stawowej. Zatem kręgi Th 1,11 i
12 łączą się tylo z jednym żebrem.
Kręgi
lędźwiowe L 1-5 nie posiadają otworów w wyrostkach poprzecznych, ani
powierzchni stawowych dla żeber. Wyrostek poprzeczny kręgu lędźwiowego
jest szczątkowym żebrem. Właściwy wyrostek poprzeczny występuje na kręgach
lędźwiowych jako tzw. wyrostek dodatkowy.
Kość krzyżowa ma kształt klina . W górnej swojej części łączy się
z ostatnim kręgiem lędźwiowym L5. Dolny wierzchołek łączy się z kością
guziczną. Przednia wklęsła powierzchnia kości krzyżowej nazywana jest
miednicą. Kość ta powstała ze zrośnięcia się pięciu kręgów krzyżowych.
Kość
guziczna składa się z kręgów ogonowych występujących u człowieka w
postaci szczątkowej. U osób starszych kręgi guziczne zrastają się w pojedynczą
kość zwaną kością guziczną.
Poszczególne kręgi połączone są ze sobą
w ten sposób, że zapewniają zachowanie własności statycznych kręgosłupa,
a przy tym umożliwiają ruchy pomiędzy sąsiednimi kręgami. Połączenia te
dzieli się na połączenia między trzonami i na stawy między wyrostkami
stawowymi kręgów. W połączeniach stawowych wprowadzamy pojęcia połączeń
ścisłych (trzony łuków, łuki, wyrostki poprzeczne i wyrostki kolczyste)
i połączeń wolnych (pomiędzy wyrostkami stawowymi).
Połączenia trzonów kręgów realizowane
są za pomocą włóknistych krążków międzykręgowych. Tak samo jak niejednakowa
jest grubość kręgów tak również krążki międzykręgowe mają różna grubość
i zwiększa się ona w miarę schodzenia w dół kręgosłupa. W poszczególnych
partiach kręgosłupa również wysokość przedniej części krążka i tylnej
znacznie się różnią co jest przyczyną powstania krzywizn kręgosłupa. Krążek
zbudowany jest z miażdżystego jądra oraz oraz otaczających go pierścieni
włóknistych. Przy samych powierzchniach trzonów krążek ma budowę szklistą.
Jest to chrząstka która ściśle przylega do trzonów kręgosłupa. Człowiek
posiada 23 krążki międzykręgowe. Pierwszy krążek znajduje się pomiędzy
drugim, a trzecim kręgiem szyjnym, a ostatni pomiędzy odcinkiem lędźwiowym
kręgosłupa, a kością krzyżową.
Stawy międzykręgowe są to stawy
pomiędzy wyrostkami stawowymi kręgów. Tworzą je stykające się ze sobą
powierzchnie stawowe wyrostków stawowych.
Więzadła kręgosłupa. Więzadła dzielimy
na dwie główne grupy, czyli na grupę więzadeł rozciągających się pomiędzy
sąsiednimi kręgami i na więzadła biegnące wzdłuż całego kręgosłupa.
Więzadła
wiążące sąsiednie łuki kręgów nazywamy więzadłami międzyłukowymi. Więzadła
łączące wyrostki poprzeczne noszą nazwę więzadeł międzypoprzecznych, a
więzadła wyrostków kolczystych to więzadła międzykolcowe.
Więzadła międzyłukowe (więzadła żółte) rozpinają się pomiędzy brzegami
łuków kręgów . Tworzy je błona zbudowana z tkanki łącznej sprężystej.
Wzmacniają one torebki stawów międzykręgowych, przylegając bezpośrednio
do ich tylnych powierzchni .
Więzadła międzypoprzeczne rozciągają się pomiędzy wyrostkami poprzecznymi.
Najwyraźniej zaznaczone są w lędźwiowej części kręgosłupa. W części szyjnej
zaznaczone są bardzo słabo, lub wręcz ich nie ma. Tworzy je tkanka łączna
włóknista.
Więzadła międzykolcowe przebiegają między wyrostkami kolczystymi kręgów
i identycznie jak więzadła międzypoprzeczne najlepiej zaznaczone są w
strefie lędźwiowej kręgosłupa, słabiej w piersiowej, a najsłabiej w części
szyjnej. W części szyjnej więzadło to przechodzi w silną błonę zwaną więzadłem
karkowym.
Więzadło podłużne przednie. Swój początek bierze już na kości potylicznej,
i biegnąc na przednich częściach trzonów kręgów wzdłuż całego kręgosłupa
kończy się na powierzchni miednicznej kości krzyżowej.
Podobnie jak kręgosłup, przystosowane jest do przenoszenia coraz większych
sił i w miarę postępu w dół jest ono coraz grubsze, a przez to coraz silniejsze.
Więzadło podłużne tylne. Zaczyna się na kości potylicznej, wyściela
przednią ścianę kanału kręgowego , a kończy się w górnej części kanału
krzyżowego. Dodatkowo więzadło to zrasta się też z krawędziami krążków
międzykręgowych.
Żeby móc omawiać mechanikę kręgosłupa
należy uzmysłowić sobie jak wiele sił działa na ten podstawowy narząd.
Można zatem podzielić siły działające na kręgosłup na statyczne i dynamiczne.
Do statycznych zaliczymy (patrząc od góry) ciężar głowy, ciężar ramion,
ciężar tułowia, oraz momenty występujące gdy zakłócimy symetrię strzałkową
ciała, np. gdy wyciągniemy przed siebie jedną rękę. Siły dynamiczne powstają
podczas poruszania się. Występują tu siły bezwładności i odśrodkowe. Siłom
tym przeciwdziałają (równoważą je) mięśnie dynamicznie reagujące na zmiany
obciążeń w kręgosłupie.
Należy też zwrócić uwagę na fakt, że nieco inne siły działają na kręgosłup
gdy stoimy w pozycji wyprostowanej, a inne gdy pochylamy się do przodu.
Dlatego też każda zmiana równowagi układu
kręgosłupa powoduje rozwój zniekształceń w tym miejscu jak również jest
przyczyną powstawania zniekształceń w innych miejscach kręgosłupa. Kręgosłup
ma dwojaką statykę, wewnętrzną wynikającą bezpośrednio z właściwości wytrzymałościowych
kolumny kręgosłupa oraz zewnętrzną wynikającą z własności mięśni brzucha,
klatki piersiowej i mięśni pleców.
Kręgosłup jest w stanie przenosić bardzo
duże obciążenia i są to obciążenia od 4,5 kN ( 450kg) dla trzeciego kręgu
szyjnego C3, aż do 8,3 kN (830kg) dla kręgu L4 (opracowanie wg Bella 1967r.).
Z badań przeprowadzonych przez dr Zbigniewa
Bilińskiego (ordynator Wojskowego Szpitala Klinicznego we Wrocławiu) Prof.
Dr hab. Gerwazego Świderskiego (Federacja Chirurgów Kręgosłupa) oraz dr
hab. Inż. Romualda Będzińskiego (Laboratorium Badań Doświadczlnych Konstrukcji
Mechanicznych PWr.) polegających na zbadaniu zależności pomiędzy siłą
ściskająca a skróceniem preparatu, którym był fragment między częścią
piersiową a lędźwiową (Th11-L3) kręgosłupa ludzkiego siły niszczące kręgosłup
zawierały się w granicach od 4480N do 7500N przy czym skrócenie kręgosłupa
wynosiło odpowiednio w granicach 7-10mm.
W stabilności zewnętrznej wspomagają kręgosłup mięśnie. Są to grupy mięśni
przykręgowych przyczepionych do boków i wnętrz komór tj. jamy brzusznej
i klatki piersiowej (obie jamy oddzielone są od siebie przeponą).
Jama brzuszna wypełniona jest płynami i powietrzem, natomiast jama klatki
piersiowej jest wypełniona powietrzem. Siła mięśni powoduje powstanie
w obu komorach ciśnienia które wspomaga zdolne jest do przenoszenia części
obciążeń odciążając i wspomagając w ten sposób kręgosłup.
Podnosząc jakiś ciężar rękami zmuszamy
do wspomagania kręgosłupa przez mięśnie pasa barkowego, a w szczególności
mięsień czworoboczny i miednicę. Im większy ciężar się podnosi tym większe
jest działanie mięśni tułowia, piersi i brzucha. Występuje też zwiększenie
ciśnienia w jamie brzusznej i piersiowej. Wg Bartelnika "działanie
jam ciała odciąża część lędźwiową o 30%, a część piersiową nawet o 50%
w stosunku do przyłożonego obciążenia".
Jednakże główne obciążenia w kręgosłupie przenosi krążek międzykręgowy
w szczególności pierścień włóknisty. Wyrostki stawowe przenoszą tylko
około 20% obciążeń i włączają się w proces przenoszenia obciążeń dopiero
gdy siły są większe niż 2000N (teoria wg Hirsch i Nachemson).
Kręgosłup jest bardzo skomplikowanym
narządem nie dającym się w łatwy sposób obliczyć wzorami matematycznymi.
Jak wiemy budowa kręgu jest nieciągła i składa się z kości zbitej i części
korowej. Między nimi nie występuje wyraźna granica, co uniemożliwia zapisanie
jej w postaci matematycznej. Dodatkowo między kręgami występują krążki
międzykręgowe, przy których występują podobne problemy. Aby zapisać rzeczywisty
model kręgosłupa musielibyśmy dodać także do naszych obliczeń wszystkie
mięśnie, a właściwie siły przez nie wywoływane. Dlatego też jest to tak
skomplikowany narząd, który przy dzisiejszej technice obliczeniowej jeszcze
sprawia nam kłopoty i nie daje się w sposób rzeczywisty wyliczyć.
Mimo to stosuje się przybliżone metody wyliczeń. Polegają one na pewnym
uproszczeniu całości obliczeń. Jedną z takich metod zaproponował Stotte.
Zastąpił on siły rzeczywiste teoretycznymi siłami skupionymi w celu statycznego
wyznaczenia reakcji w krążku pomiędzy L5-S1.
Przyjął on następujące siły skupione:
-ciężar głowy i karku i części tułowia powyżej analizowanej płaszczyzny
(Qt)
-ciężar ramion (Q1)
-siła wywierana przez ciśnienie śródbrzuszne przyłożone w środku jamy
brzusznej (Pp)
-składowa siły wzdłużnej mięśni brzucha (Pm)
-składowa prostowników grzbietu (Px)
Swe obliczenia prowadził dla sylwetki wyprostowanej oraz dla zgięcia tułowia
z wyprostowanymi kolanami.
W ten sposób wyznaczył on dla mężczyzny o masie ciała 76kg (w zgięciu)
następujące wartości:
-ciężar tułowia 337 N
-ciężar ramion 73 N
-siła ciśnienia sródbrzusznego 326 N
-siła w płaszczyźnie krążka L5-S1 1662 N
-siła w płaszczyźnie krążka L4-L5 1998 N
-suma składowych sił w płaszczyźnie y-y 1882 N
-suma składowych sił w płaszczyźnie x-x 134 N
-składowa siły wzdłużnej mięśni brzucha 75 N
Najnowszą techniką wyznaczania sił występujących
w kręgosłupie jest komputerowa metoda elementów skończonych. Jest to metoda
oddająca najbardziej przybliżony stan naprężeń i odkształceń w kręgosłupie
(i innych narządach). Możliwa jest dzięki powstaniu nowych i bardzo szybkich
komputerów.
Przeciążenia kręgosłupa traktowane
jest zazwyczaj jako zaburzenie struktur kostnych, więzadłowych jak również
mięśniowych kręgosłupa.
Wyróżniamy dwa mechanizmy powstawania
przeciążeń kręgosłupa. Pierwszy wynika z normalnych funkcji życiowych
człowieka, lecz często realizowanych w nieanatomicznych warunkach. Okreśił
je Caillet:
-prawidłowe obciążenie prawidłowego układu warunkuje prawidłowe zużywanie
się tego układu
-nieprawidłowe obciążenie prawidłowego układu powoduje wcześniejsze zużywanie
się tego układu
-prawidłowe obciążenie nieprawidłowego układu warunkuje wczesne zużywanie
się tego układu
-nieprawidłowe obciążenie nieprawidłowego układu powoduje szybkie i przedwczesne
zużycie układu.
Dlatego tez nawet w codziennym życiu nie przeciążając nadmiernie kręgosłupa
możemy doprowadzić do zmęczeniowego pęknięcia łuku kręgowego (efektem
jest kręgozmyk) lub zwyrodnienia krążka międzykręgowego (discosis).
Drugim
rodzajem przeciazenia jest przeciążenie z doraźnym przekroczeniem wartości
granicznych wytrzymałości danych struktur kręgosłupa np. wypadki komunikacyjne
lub upadki z dużej wysokości. Jednym z ciekawych zabezpieczeń dla szyjnego
odcinka kręgosłupa wprowadziła szwedzka firma motoryzacyjna SAAB. Zastosowali
oni w swoich najnowszych modelach 9-3 i 9-5 siedzenia z zagłówkami z "ABS-em".
Ich działanie polega na przyciskaniu zagłówka do głowy podczas tylnego
uderzenia w samochód.
Jedną z najczęściej spotykanych wad kręgosłupa jest skolioza to znaczy
wielopłaszczyznowe zniekształcenie. Jest to wada cechująca się wyboczeniem
(wygięciem) kręgosłupa w płaszczyźnie czołowej, zmianą kształtu i wielkości
krzywizn strzałkowych oraz rotacją i torsją kręgów.
Rotacją nazywamy obracanie się kręgów w płaszczyźnie poziomej, a oś obrotu
leży poza linią wyrostków kolczystych kręgów.
Torsja to zakłócenie przednio tylnej osi kręgów. Torsja powstaje w skutek
asymetrii obciążeń przy stałym wzroście kręgosłupa. Prawo to dostrzegli
i opisali Heutter-Volkmann i Wolf - Delpech.
Kiedy powstaje wada kręgosłupa zwana skoliozą należy tę wadę usunąć. Odtworzenie
prawidłowego kształtu kręgosłupa warunkuje w płaszczyźnie strzałkowej
sukces operacji.
WNIOSKI:
Kręgosłup jest bardzo silnym i odpornym na przeciążenia narządem układu
szkieletowego człowieka. Jednakże i on często traktowany przez właściciela
źle i ulega uszkodzeniom. Aby zachować zdrowy kręgosłup spełniający wszystkie
swoje podstawowe funkcje należy o niego dbać. A należy robić to w sposób
następujący: po pierwsze nie obciążać kręgosłupa nadmiernymi siłami (przenosząc
ciężary należy trzymać je jak najbliżej ciała, aby momenty sił powstające
na ramionach były możliwie jak najmniejsze), należy utrzymywać mięśnie
brzucha, klatki piersiowej i pleców w dobrym stanie, tak aby mogły one
wspomagać pracę (przenoszenie obciążeń) kręgosłupa wywołując ciśnienie
jamy brzusznej i piersiowej, a mięśnie pleców mogły służyć jako przeciwwaga
dla mięśni brzucha i klatki piersiowej zapewniając równowagę momentów.
Należy unikać "hodowania" tkanki tłuszczowej na brzuchu (i na
całym ciele) która powoduje powstanie nowej siły oddalonej od kręgosłupa,
a więc powstanie nowego momentu sił. Należy używać kręgosłupa, aby zgodnie
z prawem Wolfa nie zanikał. Należy poruszać się w miarę możliwości bezpiecznymi
samochodami zapewniającymi duże bezpieczeństwo.
Ćwicząc na salach gimnastycznych należy unikać niebezpiecznych przeciążeń
i zbytnich przegięć kręgosłupa (siłownie i sporty wyczynowe). Może wydać
się to banalne, ale na prawidłowe funkcjonowanie kręgosłupa wpływ ma też
sposób naszego odżywiania.
Źródło: Praca napisana przez Bartłomieja
Stępnia na zajęcia biomechaniki kręgosłupa. Obszerniejsze dane można znaleźć
w książce prof. R. Będzińskiego pt. "BIOMECHANIKA INZYNIERSKA"
Wydawnictwa Politechniki Wrocławskiej.
|