دنیای جذاب بیومکانیک مفاصل – ستون فقرات

به دنیای جذاب بیومکانیک خوش آمدید. مقاله پیش رو پنجمین مقاله‌ از مجموعه مقالات بیومکانیک مفاصل است. در این شماره از «ماهنامه مهندسی پزشکی و تجهیزات آزمایشگاهی» به سراغ ستون فقرات رفتیم اما به دلیل پیچیدگی و جزئیات فراوان، مبحث در دو قسمت ارائه خواهد شد. بخش اول این مقاله را در این شماره از ماهنامه می‌خوانید که امیدواریم مورد توجه شما همراهان قرار گرفته و مفید واقع شود.

ستون فقرات شامل پنج بخش کلی است که عبارتند از: 7 عدد مهره گردنی (Cervical)، 12 عدد مهره سینه‌ای (Thoracic)، 5 عدد مهره کمری (Lumbar)، خاجی یا ساکروم (Sacrum) و دنبالچه (Coccyx). حرکات اصلی که با ستون فقرات می‌توان انجام داد در بخش‌های مختلف آن و حتی در حرکات بالاتنه نیز تأثیر گذار هستند. این حرکات عبارتند از: فلکشن/اکستنشن (Flexion/Extension)، خمش جانبی یا لترال فلکشن (Lateral Flexion)، چرخش محور یا رتیشن (Rotation). البته خمش جانبی به لترال بندینگ (Lateral Bending) نیز معروف است (شکل ۱ را ببینید).

شکل ۱ – استخوان‌ها و درجات آزادی حرکت ستون فقرات

نکته مهم این است که در بررسی درجات آزادی حرکت ستون فقرات، باید به درجات آزادی و محدوده حرکت تک تک مفاصل بین مهره‌ای (دیسک‌ها) توجه داشت که تقریباً در مقیاس کوچک، هر ۶ درجه آزادی حرکت را دارند (۳ انتقال خطی و ۳ چرخش دورانی) اما محدوده حرکت هر یک از دیسک‌ها در بخش‌های مختلف ستون فقرات متفاوت است. به عنوان مثال دیسک ناحیه گردنی یا کمری محدوده حرکت بیشتری نسبت به دیسک ناحیه سینه‌ای دارد. خود دیسک بین مهره‌ای از سه بخش کلی هسته مرکزی (Nucleus Pulposus)، لایه‌های فیبروزی حلقوی (Annulus Fibross) و صفحات غضروفی فوقانی و تحتانی (Upper/Lower Endplate) تشکیل شده ‌است. نکته جالب توجه در مورد بیومکانیک دیسک بین مهره‌ای این است که لایه‌های حلقوی اطراف هسته، شامل فیبرهای کلاژنی هستند که به صورت مایل و زاویه‌دار قرار گرفته‌اند و فیبرهای هر لایه نسبت به لایه بعدی به صورت ضربدری قرار دارد. این فیبرها خاصیت کشسانی (فنریت) دارند و نیروی کششی را تحمل می‌کنند. در عوض هسته مرکزی دیسک حالت مایع ژلاتینی دارد و فشار را تحمل می‌کند. با اعمال بار خارجی (ناشی از وزن بالاتنه یا هر نوع بار دیگری)، هسته مرکزی تحت فشار قرار می‌گیرد و آن را به لایه‌های حلقوی فیبردار اطرافش انتقال می‌دهد و لذا فیبرهای مذکور در لایه‌های مختلف و در جهات مختلف تحت کشش قرار می‌گیرند تا بار خارجی را تحمل کنند و ساختاری بهینه ایجاد کنند. لذا در برخی مواقع، هسته مرکزی مانند المان کروی تحمل فشار و لایه‌های حلقوی مانند المان فنر تحت کشش مدلسازی می‌شود. در این رابطه می‌توانید شکل‌های 2 و 3 را مشاهده کنید.

شکل ۲ – ساختار دیسک بین مهره‌ای (هسته مرکزی، لایه‌های حلقوی فیبردار و صفحات غضروفی) به همراه مدلسازی بیومکانیکی دو قسمت هسته مرکزی و لایه‌های حلقوی

همانطور که ذکر شد، هسته مرکزی دیسک، حالت مایع ژلاتینی دارد و فشار را تحمل می‌کند که می‌توان از آن به عنوان فشار هیدرواستاتیکی نام برد زیرا از جهات مختلف اطراف به طور عمود بر سطح لایه‌های حلقوی آن را انتقال می‌دهد (مانند فشار سیال که از جهات مختلف عمود بر سطح جسم وارد می‌شود). لذا اگر یک توزیع فشار بر روی سطح غضروفی فوقانی دیسک در نظر بگیریم، عمده فشار آن به هسته مرکزی دیسک وارد می‌شود که به فشار درون دیسکی (Intradiscal Pressure) موسوم است.
در بارگذاری خمشی بر روی یک جزء حرکتی ستون فقرات (Motion Segment: شامل یک دیسک و دو مهره فوقانی و تحتانی آن) بسته به جهت گشتاور خمشی، یک سمت دیسک تحت فشار و سمت دیگر تحت کشش قرار می‌گیرد، منتهی باید به این نکته توجه کرد که دیسک در تحمل فشار مقاومتر از کشش است. در بارگذاری پیچشی بر روی یک جزء حرکتی نیز که گشتاور پیچشی بر دیسک وارد می‌شود، این گشتاور به لایه‌های حلقوی مختلف منتقل می‌شود که با افزایش شعاع لایه، گشتاور و تنش پیچشی آن نیز افزایش می‌یابد. این نکته نیز قابل توجه است که تحمل دیسک در پیچش و برش به طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از فشار است (شکل ۳).

شکل ۳ – نحوه توزیع و اثر بارگذاری‌های مختلف فشاری، خمشی و پیچشی در قسمت‌های مختلف دیسک بین مهره‌ای

ستون فقرات شامل لیگامان‌های مختلفی نیز است که محدودیت حرکت و پایداری آن را در جهات مختلف تنظیم می‌کنند. برخی از لیگامان‌های مهم ستون فقرات عبارتند از: لیگامان‌های طولی قدامی و خلفی (Anterior/Posterior Longitudinal Ligaments)، لیگامان‌های بین زوائد خلفی مهره‌ها (Interspinous Ligaments)، و لیگامان‌های بین زوائد عرضی مهره‌ها (Intertransverse Ligaments). به عنوان مثال، در محدودیت حرکات فلکشن/اکستنشن ستون فقرات، لیگامان‌های طولی نقش مهمی ایفا می‌کنند. به عبارتی، لیگامان طولی قدامی از اکستنشن بیش از حد مهره‌ها و لیگامان طولی خلفی از فلکشن بیش از حد مهره‌ها جلوگیری می‌کند. شکل ۴ این موضوع را به خوبی نشان می‌دهد.

شکل 4 – لیگامان‌های مهم ستون فقرات و نقش آن‌ها در پایداری و محدودیت حرکات مهره‌های ستون فقرات

یکی از مهمترین بخش‌های ستون فقرات، مفاصل مشترک یا فاست بین مهره‌ای (Facet Joints) هستند. این مفاصل که در هر مهره 4 عدد (2 عدد فوقانی و 2 عدد تحتانی) هستند در محدودیت حرکت بخش‌های مختلف ستون فقرات به روش‌های مختلف تأثیر دارند. در واقع زاویه قرارگیری مفاصل فاست در هر بخش تعیین می‌کند که در کدام نوع حرکت انتقالی یا دورانی بین مهره‌ها محدودیت حرکت ایجاد شود. همانگونه که در شکل ۵ این موضوع به خوبی مشاهده می‌شود، زاویه جهت‌گیری مفاصل فاست نواحی گردنی، سینه‌ای و کمری با یکدیگر از هر دو نمای آناتومیک ساجیتال و ترنسورس تفاوت‌های قابل ملاحظه‌ای دارند و عمده محدودیت حرکتی که ایجاد می‌کنند در جهات عمود بر زاویه مفاصل فاست است (به ویژه از نمای ترنسورس یا افقی). لذا هنگام ایجاد محدودیت حرکت در جهت عمود بر سطح مفاصل فاست، نیروی فشاری اعمال می‌شود. به عنوان مثال از نمای ساجیتال هنگام اکستنشن ستون فقرات، با برخورد مفاصل فاست به هم، نیروی فشاری بر سطح آن‌ها اعمال می‌شود و محدودیت حرکت ایجاد می‌کنند تا از اکستنشن بیش از حد جلوگیری کنند (شکل ۵).

شکل 5 – زاویه قرارگیری مفاصل مشترک یا فاست بین مهره‌ای در نواحی گردنی، سینه‌ای و کمری ستون فقرات

در مقالات گذشته نیز به این موضوع اشاره شده بود که اغلب مفاصل بدن محور دوران ثابتی ندارند، مفاصل ستون فقرات نیز از این موضوع مستثنی نیستند. همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده ‌است، جهت محاسبه محور آنی دوران دیسک بین مهره‌ای، محل تقاطع عمود منصف‌های جابجایی دو نقطه از مهره متحرک بررسی می‌شود. مکان هندسی محور آنی دوران دیسک بین مهره‌ای از نمای ساجیتال تا حدی شبیه حرف یونانی آلفا (α) است. منتهی در حالت ناهنجار (به طور مثال آسیب یا تخریب دیسک بین مهره‌ای) این مکان هندسی ممکن است شکل خطوط نامنظم به خود بگیرد (شکل ۶).

شکل 6 – نحوه محاسبه و مکان هندسی محور آنی دوران مفصل دیسک بین مهره‌ای به همراه مقایسه حالت طبیعی و ناهنجار

یک نکته مهم دیگر در مورد انواع انحناهای ستون فقرات و تأثیر آن در بیومکانیک مفاصل بین مهره‌ای است. از نمای ساجیتال دو نوع انحنای مهم قوز یا کایفوز (Kyphosis) و گودی یا لوردوز
(Lordosis) وجود دارد. در حالت ایستاده طبیعی، ناحیه سینه‌ای دارای کایفوز و نواحی کمری و گردنی دارای لوردوز هستند، منتهی اگر این انحنا بیش از حد کم یا زیاد شوند شخص دچار هیپو کایفوز/هیپو لوردوز یا هایپر کایفوز/هایپر لوردوز شده ‌است. از نمای فرونتال ستون فقرات طبیعی قاعدتاً صاف و مستقیم است، منتهی در حالت ناهنجار اگر انحنای جانبی (بیش از 10 درجه) پیدا کند ناهنجاری اسکولیوز (Scoliosis) است. تغییر هر یک از انحناهای مذکور در وضعیت (پاسچر) ایستاده منجر به تغییر بیومکانیک ستون فقرات و فعالیت عضلات اطراف آن می‌شود. زیرا در حالت ایستاده راستای عکس العمل زمین (یا راستای وزن بدن که از مرکز ثقل می‌گذرد) از قسمت‌های مختلف ستون فقرات فاصله گشتاور متفاوتی دارد که این امر منجر به فعالیت عضلات متفاوت جهت تولید گشتاور مقابله کننده با آن می‌شود. شکل ۷ این موضوع را به خوبی نشان داده ‌است.

شکل 7 – انواع انحناهای ستون فقرات و تأثیر آن در بیومکانیک پاسچر ایستاده بدن

اگر بخواهیم کمی دقیقتر به مبحث بیومکانیک انحنای ستون فقرات نگاه کنیم، در حالت ایستاده طبیعی از نمای ساجیتال، نیروی وزن بدن از جلوی ستون فقرات عبور می‌کند و لذا یک گشتاور خمشی (فلکسور) رو به جلو ایجاد می‌کند که فاصله گشتاور مشخصی از مفاصل (دیسک‌های) بین مهره‌ای دارد. تغییر انحنای گودی یا لوردوز کمری موجب تغییر این فاصله گشتاور می‌شود و در نتیجه بر روی فعالیت عضلات کمری و نیروی وارد بر دیسک‌های کمری تأثیر می‌گذارد. البته تغییر گودی کمر در هر وضعیتی (ایستاده، نشسته و…) موجب این پدیده می‌‌شود. حتی چرخش لگن نیز می‌تواند بر روی تغییر گودی کمر و تغییر فعالیت عضلات کمری تأثیر بگذارد. شکل ۸ را مشاهده کنید.

شکل 8 – تأثیر تغییر گودی یا لوردور کمر بر بیومکانیک ستون فقرات (در ارتباط با بازو گشتاور مرکز ثقل بدن)

حالا برای درک بهتر، یک تحلیل بیومکانیکی را در ارتباط با ستون فقرات گردنی به صورت مسئله محاسباتی بررسی می‌کنیم:
مسئله: شخصی مطابق شکل در خمش رو به جلو، گردن خود را در حالت تعادل نگهداشته است. اگر وزن سر او (W) برابر 50 نیوتن باشد، با توجه به زوایا و فواصل داده شده، نیروهای لیگامان خلفی (F1)، مفصل فاست مهره 7 گردنی (F2) و دیسک بین مهره‌ای F3) C7-T1) را محاسبه کنید.

L/L1=4.6, A1=20o, A2=45o, A3=30o

حل مسئله: همیشه مسئله را به گام‌های مختلف و ساده‌تر تقسیم کنید تا حل آن آسان‌تر و قابل فهم‌تر شود. به طور معمول در ابتدا رابطه تعادل گشتاورها را حول مفصل دیسک گردنی می‌نویسیم تا نیروهای خود مفصل از رابطه حذف شوند و محاسبه نیروی لیگامان خلفی سهولت پذیرد: (گشتاور یک نیرو = حاصل ضرب نیرو در فاصله عمودی آن تا مفصل گردنی، جهت پادساعتگرد یا اکستنسور مثبت)
∑Mo(ccw+)=0⇒L1F1-WL=0⇒F1=WL/L1 =504.6=230 N
مقدار نیروی لیگامان خلفی به دست آمد. حالا رابطه تعادل نیروها را در دو راستای افقی و عمودی برای محاسبه نیروهای دیسک و فاست مهره 7 گردنی می‌نویسیم: (ناگفته نماند که زاویه نیروهای مذکور از قبل مشخص شده است). جهات مثبت محورهای x و y هم مشخص هستند. داریم:

∑Fx(→+)=0⇒F2cos45o+F3cos30o-F1cos20o=0
⇒0.707F2+0.866F3=216.13 معادله اول
∑Fy(↑+)=0⇒F2 sin45o-F3 sin30o+F1 sin20o-W=0
⇒0.707F2-0.5F3=-28.665 معادله دوم

با حل دو معادله دو مجهولی فوق به این نتایج می‌رسیم:

⇒F2=86.18 N ,F3=179.20 N

همیشه به خاطر داشته باشید که پس از محاسبه نتایج، حتماً آن‌ها را بررسی کنید و مطمئن شوید آیا منطقی هستند یا خیر؛ همچنین بسیار مهم است که آن‌ها را تحلیل و تفسیر کنید.
اکنون با تحلیل و تفسیر نتایج به موارد ذیل اشاره می‌کنیم:
– از آنجا که فاصله گشتاور وزن سر از دیسک گردنی به طور قابل توجهی بیشتر از فاصله گشتاور لیگامان خلفی است (4.6 برابر) لذا نیروی لیگامان خلفی (در واقع همان لیگامان Interspinous) به همان نسبت بیشتر شده ‌است که نسبت به وزن سر نیروی قابل توجهی است.
– بیشتر بودن نیروی لیگامان خلفی بر روی افزایش نیروی دیسک گردنی نیز تا حدی تأثیرگذار بوده ‌است. به عبارتی با افزایش فلکشن گردن، یکی از دلایل افزایش فشار دیسک گردنی، افزایش کشش در لیگامان‌های خلفی ستون فقرات گردنی است (به کششی بودن جهت نیروی لیگامان نیز دقت کنید).
– نیروی مفصل فاست گردنی به نسبت دیگر نیروها مقدار کمتری به دست آمده‌ است. از آنجا که نیروی فاست تقریباً عمود بر سطح فاست مهره گردنی است (فشار مفصل فاست)، زاویه فاست بر روی آن تأثیرگذار است و با توجه به داده مسئله، زاویه فاست به نحوی بوده ‌است که نیروی کمتری برای تعادل ایجاد کند. ضمن اینکه پیشتر نیز اشاره شد که نیروی مفاصل فاست در اکستنشن افزایش بیشتری دارد، در حالیکه صورت مسئله تا حدی در حالت فلکشن قرار دارد.
از همه مهمتر اینکه در حل مسئله یک سری فرضیات ساده کننده داشتیم:
– مسئله در حالت استاتیکی بود و شتاب حرکت را لحاظ نکردیم (مانند شتاب زاویه‌ای حرکت سر و گردن).
– فاصله مرکز جرم سر از دیسک گردن مشخص شده بود، در حالیکه می‌توان فاصله را مشخص نکرد و به جای آن با استفاده از جدول آنتروپومتری محاسبه کنیم.
– فقط نیروی یک لیگامان گردنی مهم (لیگامان خلفی) در حل مسئله لحاظ شده بود، در حالیکه لیگامان‌های دیگر و حتی بافت‌های عضلانی دیگر نیز حضور دارند. منتهی با لحاظ کردن بافت‌های دیگر، تعداد مجهولات مسئله از تعداد معادلات بیشتر می‌شود و برای محاسبات آن‌ها باید روش‌های پیچیده‌تر دیگری (مانند بهینه‌سازی) را اتخاذ کرد که در صورت امکان در مقالات آینده درباره آن بحث خواهد شد.
– زوایای نیروهای لیگامانی و مفصلی از قبل داده شده ‌است. در حالیکه می‌توان مسئله را طوری طراحی کرد که برای محاسبه زوایا نیز از روش‌های دیگر تحلیلی و یا آنتروپومتری استفاده کنیم.
– توصیه می‌شود برای تمرین بیشتر و محک زدن خود، داده‌های ورودی مسئله را تغییر دهید و مسئله را دوباره تحلیل کنید. به عنوان مثال فاصله گشتاور وزن سر را تغییر دهید یا شماره مهره گردنی را تغییر دهید (که به واسطه آن فاصله گشتاور وزن نیز تغییر می‌کند) یا زوایای داده شده را به طور معقول و منطقی عوض کنید، و مشاهده کنید تغییر هر کدام چه تأثیری بر تغییر نیروهای لیگامانی و مفصلی می‌گذارد. گاهی اوقات همین بررسی‌های به نسبت ساده می‌تواند الگوهای مفیدی برای تشخیص و تحلیل ناهنجاری‌های ستون فقرات گردنی به ما بدهد (بیومکانیک = مکانیک زندگی و سلامت).
البته نکات بسیار بیشتری در تحلیل بیومکانیکی ستون فقرات وجود دارد که در ظرفیت محدود این مقاله نمی‌گنجد. لذا در مقاله بعدی، به ادامه مبحث جذاب بیومکانیک ستون فقرات خواهیم پرداخت. امیدواریم آنچه در این مقاله به آن پرداخته شد مورد توجه علاقه‌مندان قرار گرفته باشد.
به دوستانی که در حوزه‌های مرتبط با بیومکانیک فعالیت می‌کنند توصیه می‌شود منابع زیر را که از جمله منابع اساسی و بنیادین بیومکانیک هستند، مطالعه کنند.

• Biomechanics and motor control of human movement, David A. Winter.
• Fundamentals of biomechanics, Equilibrium, Motion, and Deformation, Nihat Ozkaya, Dawn Leger, David Goldsheyder, Margareta Nordin.
• Kinesiology of the musculoskeletal system, Foundations for Rehabilitation, Donald A. Neumann.
• Biomechanical basis of human movement, Josef Hamill, Kathleen M. Knutzen, Timothy R. Derrick.
• Basic Biomechanics, Susan J. Hall.