Biomeccanica del passaggio lombo-sacrale

April 23, 2016

Di Eugenio Occhi 

ANATOMIA FUNZIONALE E BIOMECCANICA 

Il rachide, o colonna vertebrale, può essere nel suo insieme paragonato a una colonna flessibile a snodi ancorata alla base (sacro), sottoposta a carichi di varia natura (compressione assiale ed eccentri- ca, trazione, taglio, flessione, torsione) e sostenuta da tiranti muscolari e legamentosi ad azione equilibrante le forze e i momenti esterni generati da questi carichi.

Poiché l’assetto della base (sacro) influenza ed è influenzato dall’assetto dei segmenti sovra e sot- tostanti, il segmento lombosacrale va sempre considerato all’interno di un sistema funzionale più com- plesso costituito da rachide e bacino.

La mobilità coordinata del rachide nei diversi piani dello spazio è consentita dal movimento sin- crono e coordinato di tutti i segmenti che lo compongono (segmenti di movimento) (fig. 1).

 

Fig. 1

 

Ogni segmento di movimento, che costituisce l’unità funzionale del rachide, è composto da due vertebre adiacenti e dai tessuti molli interposti (il segmento di movimento più caudale è costituito dalla quinta vertebra lombare e dalla prima sacrale)

Come si può vedere nelle figure 2 e 3, in ogni segmento si distinguono:
a) una porzione anteriore di sostegno (pilastro anteriore), costituita da due corpi vertebrali adiacenti, dal disco intervertebrale interposto, e dai legamenti (legamento longitudinale anteriore e legamento longi- tudinale posteriore);

b) una porzione posteriore, di guida al movimento (pilastro posteriore), costituita dai peduncoli, dalle lamine, dai processi trasversi e spinosi, dalle articolazioni interapofisarie, dai legamenti giallo, sovra- spinoso, interspinoso, intertrasverso e dai muscoli.

 

Fig. 2 - Segmento di movimento. A: pilastro anteriore; B: pilastro posteriore (da Kapandji, 1974).

 

 

 Fig. 3 - Rappresentazione schematica dei particolari anatomici di una vertebra. Si noti nella porzione anterio- re il corpo vertebrale e il disco (1), nella porzione posteriore i peduncoli (8-9), le lamine (10-11), le apofisi articolari (3-4), le apofisi trasverse (5-6), l’apofisi spinosa (7), i vari legamenti. I peduncoli e le lamine forma- no nel loro insieme l’arco vertebrale (2); questo costituisce la parete postero laterale del canale vertebrale, sede di passaggio del midollo spinale (che termina a livello di L2) e delle radici dei nervi periferici (da Ka- pandji, 1974).

 

 

 

CORPO VERTEBRALE

Il corpo vertebrale è una robusta struttura costituita da una corticale di osso denso che racchiude osso spugnoso. La corticale delle facce superiore e inferiore di ogni corpo vertebrale è chiamata piatto vertebrale; questo è particolarmente ispessito al centro, dove è ricoperto da tessuto cartilagineo; nella sua parte periferica presenta un rilievo marginale (orletto marginale) che origina da un nucleo di ossificazione epifisario a forma di anello che si salda col resto del corpo vertebrale alla pubertà (fig. 4). Le alterazioni della ossificazione di questo nucleo epifisario danno origine alla epifisite vertebrale o morbo di Sheuermann.

 

Fig. 4 - Vertebra lombare. Sono evidenziati il piatto cartilagineo (p) e l’orletto marginale (l).

 

Con l’età, il corpo vertebrale diventa più rigido (minore deformabilità) e in grado di immagazzina- re una minore quantità di energia (minore resistenza alla frattura). Questo spiega da un lato la maggior predisposizione a fratture nell’anziano (crolli osteoporotici), dall’altro la maggior gravità delle fratture nel giovane (per la maggior quantità di energia liberata al momento della frattura).

 

IL DISCO INTERVERTEBRALE

Costituisce il fulcro attorno a cui avviene gran parte dei movimenti intervertebrali. Si comporta come una sorta di cuscinetto situato tra due corpi vertebrali in grado di sostenere, distribuire e ammor- tizzare i carichi (Caillet, 1992; Adams, 1981; Kapandji, 1974; Nachemson, 1976). E’ costituito da una parte centrale fluida, il NUCLEO POLPOSO, che occupa il 50-60% della sezione trasversa del disco, e da una parte periferica fibroelastica ancorata ai piatti cartilaginei, l’ANULUS FIBROSUS, che racchiude il nucleo (Fig.5).

 

Fig . 5 - Disco intervertebrale

 

Il nucleo è composto essenzialmente da acqua (85%) e da poteoglicani, famiglia di macromolecole la cui funzione è quella di legare notevoli volumi di acqua (effetto osmotico), limitandone la fuoriuscita quando il disco è posto sotto pressione (Caplan, 1984); questa funzione consente di limitare la de- formazione a compressione del disco.

L’anulus è formato da fibre collagene organizzate in lamelle concentriche disposte a strati attorno al nucleo (Holm, 1996, ha contato 15-20 strati di lamelle in ciascun disco); ciascuna lamella è composta da fasci di fibre a decorso parallelo. Poiché la direzione dei fasci varia da una lamella all’altra (i fasci di ciascuna lamella sono disposti perpendicolarmente a quelli della lamella adiacente), il collagene forma nel suo complesso una rete fibrosa che, oltre a contenere rigidamente il nucleo, è in grado di deformarsi elasticamente in risposta ai carichi, assorbendo e distribuendo i carichi stessi attraverso il movimento reciproco delle lamelle (fig. 11; fig. 6). 

 

Fig. 6 - Schema illustrante la organizzazione a strati dell’anulus fibrosus (da Kapandji, 1974)

 

La composizione chimica e la organizzazione strutturale del disco (nucleo ad alto contenuto idrico racchiuso in una struttura elastica a rete ad elevata rigidezza) fa sì che il nucleo sia mantenuto sotto co- stante pressione e la rete di collagene sotto costante tensione, la qual cosa consente ai corpi vertebrali di non venire compressi l’uno sull’altro sottocarico (vedi figura 5). Questo meccanismo, ovviamente, perde di efficacia se si riduce la pressione intranucleare per esposizione prolungata al carico (che, come ve- dremo più avanti, provoca una fuoriuscita di acqua dal nucleo), per riduzione della quantità di proteoglicani, o per cedimento delle fibre dell’anulus e/o dei piatti cartilaginei con penetrazione al loro in- terno di materiale nucleare.

 

STUDI DI LABORATORIO

Il comportamento meccanico del disco è stato ampiamente studiato in laboratorio sottoponendo un segmento di movimento isolato da cadavere a una serie di test simulanti le condizioni presenti in vivo (carichi statici, carichi dinamici, di compressione, di torsione, di flessione, a diverse velocità di applicazione).

Sottoponendo un segmento di movimento lombare a un carico di compressione assiale a crescita progressiva, ad esempio, si è osservata dapprima una deformazione del disco; col crescere del carico è seguita la frattura del corpo vertebrale, che ha inizio a livello del piatto cartilagineo e, infine, la frattura del disco (Markolf e Morris, 1974; Morris, 1973; Radin et al., 1984) (Fig. 7).

 

Fig. 7 - Comportamento del segmento di movimento sotto carico compressivo assiale. A causa della diversa rigidezza e della diversa resistenza a rottura del disco e dell’osso (l’osso è più rigido ma meno resistente del disco), la prima risposta osservabile è la deformazione del disco; segue la deformazione del corpo vertebrale, la rottura del corpo vertebrale (che ha inizio a livello del piatto cartilagineo) e, infine, la rottura del disco (da Radin, 1984). 

 

 

L'aplicazione del carico è superiore ai due secondi (Turek, 1977). Nel primo caso il cambiamento di forma del disco non è accompagnato da un cambiamento di volume, e alla rimozione del carico il recupero del- la forma originaria è immediato, o quasi (comportamento elastico); nel secondo caso si ha sempre una riduzione di volume del disco, proporzionale alla quantità di acqua spremuta all’ esterno, e il recupero della forma originaria alla rimozione del carico richiede sempre un certo tempo.

Gli studi di Adams et al. (1994) hanno evidenziato che il disco, mantenuto sotto un carico compressivo di 1000 Newton per due ore, si riduce in altezza di circa mm.2 .

 

NUTRIZIONE DEL DISCO

Poiché, a differenza della parte periferica (porzioni periferiche dell’anulus), la parte centrale del disco è completamente sprovvista di vasi , il nutrimento di quest’ultima avviene per processi di osmosi, di diffusione e, soprattutto, grazie a un meccanismo di pompa per il quale una diminuzione di pressione facilita l’ingresso di sostanze nutritizie e rallenta l’espulsione di cataboliti mentre il suo incremento de- termina la condizione inversa (Caillet, 1973; Kapandji, 1974; Kroemer, 1985) (Fig. 8). Per garantire la salute del disco, l’ optimum del processo nutritivo è determinato dal costante alternarsi di condizioni di carico e scarico attorno a un valore soglia che si aggirerebbe intorno agli 80 Kg di pressione intradi- scale lombare (il valore soglia è l’ elemento discriminante tra condizioni di sovraccarico e condizioni di sottocarico). Per contro, condizioni prolungate di sovraccarico e sottocarico, quali sono quelle che pos- sono realizzarsi nelle posture fisse prolungate, ostacolano il ricambio nutritizio e possono a lungo termine favorire processi di degenerazione discale (Grieco, 1986, Kapandji, 1974).

 

Fig. 8 - Mentre il carico, comprimendo il nucleo polposo, produce la fuoriuscita di liquidi e l’espulsione di ca- taboliti, lo scarico produce la condizione inversa (imbibizione del nucleo e ingresso di sostanze nutritizie) (da Kapandji, 1974).

 

FISIOPATOLOGIA DEL DISCO

Il disco, così come l’osso, può andare incontro a lesioni progressive da fatica a seguito di carichi cumulativi inferiori al carico di rottura o a seguito di carichi mantenuti nel tempo. Queste consistono es- senzialmente in :

 

a)  fissurazioni all’interno dell’anulus, specie nella sua porzione posteriore, più sottile e meno robusta, o a livello dei piatti vertebrali, con penetrazione al loro interno di materiale nucleare (Fig. 9); questo fenomeno è molto frequente nelle persone giovani e di mezza età mentre è raro nell’anziano a causa della bassa pressione intranucleare

b)  penetrazionedellelamelleinternedell’anulusnelnucleo(fenomenofrequentenell’anziano)

Con l’usura e l’invecchiamento si riduce anche il contenuto di proteoglicani del nucleo; ne consegue una perdita di gran parte della capacità ammortizzante del disco (riduzione della capacità di tratte- nere acqua, riduzione della compattezza del nucleo, riduzione della pressione intradiscale e dell’elasticità del disco) e la riduzione dei meccanismi di spremitura dei liquidi e degli scambi nutritizi (vedi figura 5). 

 

Fig. 9 - A: Penetrazione di materiale nucleare nelle brecce createsi all’interno dell’anulus per usura, trauma- tismo o invecchiamento - B: Penetrazione di materiale nucleare nella spongiosa vertebrale a seguito dell’interruzione della continuità del piatto vertebrale (ernia intraspongiosa per frattura stellata del piatto da sovraccarico).

 

I PEDUNCOLI sono processi arcuati brevi e spessi che originano dalle porzioni postero laterali di ciascun corpo vertebrale e si proiettano all’ indietro continuandosi con le LAMINE, larghe piastre ossee dirette posteriormente verso la linea mediana, dove si congiungono. Dal punto di unione delle la- mine originano i PROCESSI SPINOSI, che si dirigono posteriormente e in basso. In corrispondenza del punto di unione dei peduncoli con le lamine originano i PROCESSI TRASVERSI, diretti late- ralmente, e le FACCETTE ARTICOLARI.

I peduncoli e le lamine di ciascuna vertebra costituiscono nel loro insieme l’ARCO POSTERIO- RE. Lo spazio delimitato dalla faccia posteriore di un corpo vertebrale in avanti e dall’arco posteriore di lato e all’ indietro è chiamato ORIFIZIO SPINALE. La successione degli orifizi lungo il decorso del rachide costituisce il CANALE SPINALE. All’ interno del canale decorrono il midollo spinale (che termina in corrispondenza di L1-L2) e le radici dei nervi spinali.

ARTICOLAZIONI INTERAPOFISARIE. Sono articolazioni sinoviali formate dalla giunzione tra i processi (o faccette) articolari inferiori di una vertebra e quelli superiori della vertebra immediata- mente sottostante. Originano in corrispondenza del punto di congiunzione tra peduncoli e lamine. Come tutte le articolazioni sinoviali comprendono i capi articolari (faccette), ricoperti di cartilagine ialina, la membrana sinoviale e la capsula articolare.

A livello del rachide lombare i processi articolari inferiori (a superficie convessa) della vertebra soprastante sono situati medialmente a quelli superiori (a superficie concava) della vertebra sottostante

Mentre il ruolo principale delle faccette articolari delle prime vertebre lombari, orientate essenzial- mente sul piano sagittale, è quello di limitare i movimenti di rotazione e di flessione laterale, il ruolo principale delle faccette articolari L4-L5-S1, orientate essenzialmente sul piano frontale, è quello di con- trastare scivolamento in avanti della vertebra soprastante su quella sottostante per effetto di forze di ta- glio (Radin, 1984) ) (Fig.10).

 

Fig. 10 - A: Sezione sagittale del segmento di movimento lombo-sacrale. Si noti la funzione “antiscivola- mento” delle faccette articolari (da Radin, 1984) 

 

 

FORAMI INTERVERTEBRALI (O CANALI DI CONIUGAZIONE)

Sono gli spazi intervertebrali attraverso cui fuoriescono i nervi spinali. Ciascun forame è delimitato al davanti dal disco intervertebrale e dalla parte adiacente dei corpi vertebrali, al di sotto dal pedun- colo della vertebra sottostante, al di sopra dal peduncolo della vertebra sovrastante, al di dietro dalle ar- ticolazioni interapofisarie e il bordo esterno del legamento giallo (Fig. 11).

Il forame intervertebrale è occupato per 1/5 dal nervo spinale, per 4/5 da altri tessuti molli (vasi, tessuto adiposo, ecc.). Questi ultimi possono andare incontro a fenomeni infiammatori con conseguente edema e riduzione dello spazio foraminale utile (spazio attraverso cui passa i nervo spinale). Una ridu- zione dello spazio foraminale utile può anche essere causato da protrusione discale, spondilosi, lesioni infiammatorie o artrosiche delle faccette, ipertrofia del legamento giallo.