Kręgosłup – budowa, funkcje, biomechanika i choroby

Kręgosłup tworzy silną, a jednocześnie elastyczną podstawę ciała człowieka, w związku z czym bywa porównywany z jego rusztowaniem, na którym wszystko się opiera. Obok funkcji podporowej, kształtującej sylwetkę i umożliwiającej pionową postawę ciała kluczową funkcją kręgosłupa jest ochrona rdzenia kręgowego. Kręgosłup widziany od boku przypomina nieco wyciągniętą literę S, którą tworzą naturalne krzywizny: lordoza szyjna, kifoza piersiowa, lordoza lędźwiowa i kifoza krzyżowa. Funkcja podporowa i związane z nią duże obciążenia dla kręgosłupa sprawiają, że jest on narażony na zwyrodnienia i liczne urazy.

Kręgosłup człowieka składa się z 7 kręgów szyjnych (C), 12 kręgów piersiowych (Th), 5 kręgów lędźwiowych (L), 5 kręgów krzyżowych (S) (w fazie rozwoju płodowego łączą się w jedną kość krzyżową) i 4 do 5 kręgów guzicznych (Co). W sumie człowiek posiada więc od 33 do 34 kręgów, w tym 24 kręgi w ścisłym znaczeniu tego słowa (niezrośnięte, mobilne) oraz dwie kości powstałe ze zrośniętych kręgów – krzyżową i guziczną.

Kręgosłup tworzy więc 26 kości (24 kręgi oraz kości krzyżowa i guziczna) połączonych krążkami międzykręgowymi (23, ponieważ między głową a pierwszym kręgiem szyjnym, a także między pierwszym i drugim kręgiem szyjnym krążki międzykręgowe nie występują; podobnie między kością krzyżową i guziczną) oraz stawami międzywyrostkowymi, które są dodatkowo stabilizowane przez więzadła i torebki stawowe.

Ale w skład anatomiczno-funkcjonalnego kompleksu zwanego potocznie kręgosłupem wchodzą też elementy układu nerwowego (rdzeń i korzenie nerwowe), które korzystają z ochrony kręgosłupa kostnego (kanał kręgowy stanowi właśnie ochronę dla rdzenia), a także liczne grupy mięśniowe odpowiedzialne zarówno za stabilizację, jak i za mobilność kręgosłupa.

Spis treści

1. Kręgosłup – budowa i funkcje
2. Budowa kręgu
3. Budowa krążka międzykręgowego
4. Biomechanika kręgosłupa na przykładzie kręgosłupa lędźwiowego

Kręgosłup – budowa i funkcje

Jak wskazuje nazwa – kręgosłup to słup zbudowany z kręgów. I faktycznie, oglądany od przodu tworzy linię prostą. W płaszczyźnie strzałkowej wyraźnie widoczne są jednak cztery krzywizny: lordozy (wygięcie do przodu) szyjna i lędźwiowa oraz kifozy (wygięcie do tyłu) piersiowa i krzyżowa. Nieprecyzyjny jest także drugi człon nazwy, ponieważ między kręgami znajdują się krążki międzykręgowe, które po zsumowaniu stanowią około jednej czwartej długości całego kręgosłupa. Są też nieznacznie szersze od trzonów kręgów, w związku z czym wykraczają poza ich obrys, nadając kręgosłupowi charakterystyczny kształt bambusa.

Jako całość kręgosłup pełni kilka istotnych dla całego organizmu funkcji:

• stanowi oś podporową, która pozwala osiągnąć pionową sylwetkę i utrzymać w niej równowagę;
• amortyzuje wszelkie obciążenia w osi długiej ciała;
• chroni wrażliwą tkankę nerwową rdzenia kręgowego, który biegnie wewnątrz kanału kręgowego;
• stanowi rusztowanie dla układu nerwowego wegetatywnego;
• stanowi rusztowanie dla narządów wewnętrznych klatki piersiowej i brzucha;
• jest elementem stabilnym w stosunku do ruchliwych kończyn, a także miejscem przyczepu mięśni kończyn;
• umożliwia wykonywanie ruchów szyi i tułowia we wszystkich trzech płaszczyznach;

Pierwszoplanowymi zadaniami kręgosłupa są stabilizacja, ochrona i utrzymywanie konstrukcji szkieletu, a dopiero w dalszej kolejności występują jego funkcje związane z ruchomością. Za pomocą przykładów uzasadnia to Jerzy Stodolny: „Z praktyki wiadomo, że ze sztywnym kręgosłupem można doskonale funkcjonować. Przykładem są dzieci z wszczepionymi metalowymi dystraktorami po niektórych operacjach skoliozy czy chorzy z zesztywniającym zapaleniem stawów kręgosłupa. Natomiast z kręgosłupem niestabilnym, np. po przebytych urazach, zwichnięciach, złamaniach, nie wspominając już o porażeniach mięśniowych, niestety aktywnie żyć się nie da. Stąd bardzo ważny wniosek: czynność kręgosłupa to kompromis pomiędzy jak największą stabilizacją a pożądaną ruchomością”.

Można wskazać szereg mechanizmów, które umożliwiają skuteczne ograniczanie i kontrolowanie ruchomości kręgosłupa:

• system mięśni, które utrzymują go w pozycji pionowej;
• cztery krzywizny (lordozy szyjna i lędźwiowa oraz kifozy piersiowa i krzyżowa), które zwiększają odporność kręgosłupa na obciążenia od góry aż 17-krotnie w porównaniu do takiej samej, lecz zupełnie prostej konstrukcji;
• żebra, które ograniczają ruchomość odcinka piersiowego kręgosłupa;
• system więzadeł i pierścieni włóknistych krążków międzykręgowych, które kontrolują bierne i czynne ruchy między kręgami;
• jądra miażdżyste krążków międzykręgowych, które umożliwiają trzonom kręgów zmianę ustawienia płaszczyzn w różnych kierunkach, ale w ograniczonym zakresie kątowym;
• odmienna w zależności od poziomu kręgosłupa budowa wyrostków stawowych i stawów międzykręgowych z powierzchniami stawowymi umożliwiającymi ruchy tylko w określonych kierunkach i właściwym zakresie;
• budowa kości krzyżowej i jej połączenie szerokimi stawami krzyżowo-biodrowymi z miednicą, dzięki czemu konstrukcja ta stanowi najsilniejszy amortyzator organizmu człowieka, niwelujący obciążenia w osi pionowej.

Funkcje ruchowe poszczególnych odcinków kręgosłupa są zróżnicowane pod względem zakresu i kierunków ruchu. Największy zakres ruchomości występuje w odcinku szyjnym, następnie w lędźwiowym, a najmniejszy w krzyżowym. Więcej możliwości ruchów dają też tzw. miejsca kluczowe kręgosłupa, czyli połączenia międzyodcinkowe:

• głowowo-szyjne (Co-C1), gdzie występują ruchy zginania, prostowania, zgięcia bocznego, rotacji oraz kombinacje wymienionych kierunków;
• szyjno-piersiowe, gdzie występują te same ruchy, co w połączeniu głowowo-szyjnym, ale o większym zakresie;
• piersiowo-lędźwiowe z ruchami zginania, prostowania, zgięcia bocznego i rotacji;
• lędźwiowo-krzyżowe z ruchami zginania, przeprostu i zgięcia bocznego.

Na podwyższenie ruchomości i zakresów ruchu wymienionych miejsc mają wpływ kąty ustawienia powierzchni stawowych stawów międzywyrostkowych oraz wysokość krążków międzykręgowych w poszczególnych punktach. Wymienione miejsca zwiększonej ruchomości są, przy dodatkowych obciążeniach, szczególnie narażone na uszkodzenia przeciążeniowe (w tym m.in. dyskopatię).

W związku z tym, że kręgosłup pełni jednocześnie dwie przeciwstawne funkcje – stabilizującą i ruchową – jego struktury muszą być odpowiednio zróżnicowane pod względem morfologicznym i czynnościowym. Do zrozumienia biomechaniki całego układu niezbędne jest zapoznanie się z budową jego poszczególnych części.

Budowa kręgu

Między kręgami poszczególnych odcinków kręgosłupa występują różnice ze względu na odmienne funkcje typowe dla różnych odcinków kręgosłupa.

Każdy krąg składa się z dwóch podstawowych części: masywnego, walcowatego trzonu oraz cieńszego i bardziej zróżnicowanego łuku. Każdy łuk ma 7 wyrostków: od tyłu kolczysty, po bokach poprzeczne, a od góry i od dołu parzyste wyrostki stawowe górne i dolne. Między skrzydłami łuku a tyłem trzonu pozostaje wolna trójkątna przestrzeń – kanał kręgowy. Właśnie tędy przebiega rdzeń kręgowy.

Przystosowane do dźwigania dużej masy płaskie trzony kręgów spełniają funkcję podporową. Poza istotą gąbczastą za ich część można też uznać chrzęstne płytki graniczne, które chronią ją przed uciskiem oraz pośredniczą w wymianie płynów między trzonami a krążkami międzykręgowymi. Natomiast łuki stanowią mechaniczną ochronę dla rdzenia kręgowego oraz mają powierzchnie stawowe, które łączą ze sobą poszczególne kręgi i umożliwiają ich ruchomość względem siebie. Dodatkowo wyrostki poprzeczne są miejscami przyczepów więzadeł międzykręgowych oraz mięśni kręgosłupa.

Budowa krążka międzykręgowego

Krążki międzykręgowe łączą ze sobą trzony kręgów (wchodzą w skład stawów międzytrzonowych), przenoszą masę ciała, a także określają kształt kręgosłupa (w lordotycznych odcinkach szyjnym i lędźwiowym krążki są wyższe z przodu) i umożliwiają jego ruchomość. Największą wysokość w stosunku do trzonów kręgów krążki międzykręgowe osiągają w najbardziej ruchomych odcinkach szyjnym (około 4 mm) i lędźwiowym (około 10 mm). Od góry i od dołu krążki międzykręgowe przylegają do płytek granicznych, które oddzielają je od istoty gąbczastej trzonów kręgowych.

Poza płytkami chrzęstnymi w skład krążka międzykręgowego wchodzą dwa charakterystyczne i kluczowe ze względu na funkcje całego układu elementy: pierścienie włókniste oraz jądro miażdżyste. Pierścienie są zbudowane z nakładających się na siebie płytek. Włókna poszczególnych warstw pierścienia włóknistego mają przebieg skośny w naprzemiennych kierunkach, co daje tzw. efekt liny. Między płytkami znajduje się luźna tkanka włóknista. W odcinku lędźwiowym na pierścień włóknisty składa się 10-12 płytek – grubych po bokach, a cieńszych z przodu i od tyłu. Każdy pierścień włóknisty jest silnie przymocowany od przodu i po bokach do trzonu kręgu. Dodatkowo od przodu łączy się z więzadłem podłużnym przednim. Przyczepy tylne są nieco słabsze. Włókna warstw wewnętrznych łączą się międzykomórkowym rusztowaniem z jądrem miażdżystym, w związku z czym trudno wyznaczyć ścisłą granicę między pierścieniem a jądrem.

Z funkcjonalnego punktu widzenia pierścień włóknisty jest najważniejszym elementem stabilizującym kręgosłup. Łączy poszczególne kręgi w czynnościową całość i odgrywa rolę hamulca bezpieczeństwa w przypadku próby wykonania ruchu kręgosłupa w zbyt dużym zakresie. Nie ogranicza jednak zupełnie ruchomości tzw. rusztowania ciała, bo dzięki swojej (pierścienia) rozciągliwości pozwala na wykonywanie ruchów w pewnym zakresie. W mniejszej niż czynnościowa całość skali pierścień włóknisty otacza, a więc chroni, jądro miażdżyste – główny amortyzator kręgosłupa.

Znajdujące się wewnątrz pierścienia włóknistego jądro miażdżyste zajmuje w płaszczyźnie poprzecznej około 50-60 procent objętości krążka międzykręgowego. Jest białe, błyszczące i ma półgalaretowatą konsystencję. Nie stanowi idealnego centrum krążka międzykręgowego, ponieważ leży bliżej tylnej części trzonu kręgu (m.in. stąd tendencja do tylno-bocznego kierunku tzw. wypadania dysku). U noworodka składa się głównie ze śluzu poprzetykanego chrzęstno-włóknistymi nitkami. Wraz z upływem lat zmienia się stosunek składników jądra, ponieważ śluz jest zastępowany przez tkankę chrzęstno-włóknistą. Proces ten trwa przez całe życie. Wraz z upływem lat coraz bardziej zacierają się też różnice między jądrem a pierścieniem włóknistym.

Główne funkcje jądra miażdżystego to:

• pośredniczenie w wymianie płynów między krążkiem a trzonami kręgów;
• podpieranie kręgu znajdującego się nad krążkiem międzykręgowym;
• amortyzacja napięć i nacisków, przenoszenie ich równomiernie na wszystkie strony: na pierścień włóknisty i płytki chrzęstne trzonów kręgowych;

Skuteczność amortyzacji jądra zależy od właściwości wchodzącego w jego skład żelu, a konkretnie od możliwej siły wchłaniania przezeń wody. W czasie ucisku woda jest bowiem wyciskana z jądra miażdżystego, a gdy nacisk się zmniejsza, ponownie nią nasiąka. W miarę starzenia się organizmu zdolności absorpcji i resorpcji jądra maleją, w związku z czym starszy kręgosłup jest w stanie wytrzymać mniejsze naciski. Funkcję amortyzacyjną poważnie upośledzają też uszkodzenia pierścienia włóknistego, które mogą zakłócać równomierne przenoszenie obciążeń przez jądro miażdżyste.

Biomechanika kręgosłupa na przykładzie kręgosłupa lędźwiowego

W skład odcinka lędźwiowego kręgosłupa wchodzi 5 kręgów o masywnych trzonach. Ostatni spośród nich, łączący się z przeciwlegle wygiętą kością krzyżową i ma klinowaty kształt (jest wyraźnie wyższy od przodu). Łuki kręgów są w tym odcinku najmocniejsze, a otwory kręgowe największe w przebiegu całego kręgosłupa. Wyrostki stawowe są ustawione niemal pionowo (pod kątem 45 stopni do płaszczyzny czołowej), w związku z czym znajdujące się na nich powierzchnie stawowe przebiegają w płaszczyźnie strzałkowej. W efekcie ograniczają rotację, a poszerzają zakres zgięcia i wyprostu (w młodym wieku to około 80 stopni, w starczym zwykle około 25 stopni).

Funkcjonalną jednostkę kręgosłupa stanowią dwa kręgi połączone krążkiem międzykręgowym. Przednia część (z trzonami i krążkiem) dźwiga masę ciała, tylna (z wyrostkami i powierzchniami stawowymi) odpowiada za ruchy. Ważną rolę odgrywa też silny układ więzadłowy, który przeciwdziała rozpierającej sile krążków. O działaniu tych przeciwstawnych sił najlepiej świadczy fakt, że dzienne różnice długości kręgosłupa dochodzą do 12 mm u kobiet i 18 mm u mężczyzn (wiąże się to głównie ze zmianami nawodnienia żelu jąder miażdżystych). Efektem działania tych sił jest stabilizacja kręgosłupa (wspierana dodatkowo przez mięśnie kręgosłupa i tułowia).

W przekroju poziomym kręgosłup przypomina literę T, a więc układ znany z dużej wytrzymałości. Zwiększają ją dodatkowo (17-krotnie w stosunku do takiej samej, lecz pozbawionej krzywizn konstrukcji) naturalne krzywizny kręgosłupa, który poddawany jest licznym naciskom i obciążeniom działającym w różnych płaszczyznach. W największym stopniu dotyczą one właśnie odcinka lędźwiowego, który ma też największą wytrzymałość. Jego siła nośna wynosi przeciętnie około 400 kg (dla porównania: przeciętna siła nośna odcinka szyjnego – 113 kg; odcinka piersiowego – 210 kg). Oczywiście standardowe obciążenia kręgosłupa w pozycji wyprostowanej są znacznie mniejsze i wynoszą około 125 kg w odcinku lędźwiowym, 75 kg w piersiowym i 50 kg w szyjnym.

Wytrzymałość kręgosłupa jest odwrotnie proporcjonalna do czasu trwania obciążenia. W przypadku długotrwałego nacisku zwiększa się sztywność tkanek i odporność na uszkodzenia maleje. Podobnie negatywny wpływ na wytrzymałość na urazy mają drgania, które utrudniają strukturom kręgosłupa przystosowanie się do wzmożonego nacisku.

Oś poszczególnych ruchów kręgosłupa znajduje się w środku jądra miażdżystego i przemieszcza się wraz z tym jądrem – do przodu podczas przeprostu i do tyłu w czasie zgięcia. W związku z tym zaburzenie funkcji podporowej jądra to zawsze początek patologii kręgosłupa. Obok nadmiernych obciążeń wywołuje je także zmniejszające się wraz z upływem lat nawodnienie jądra (po urodzeniu zawiera ono około 88 proc. wody, w wieku 18 lat 80 proc., a na starość poniżej 70 proc.). Przenoszony przez jądro nacisk na włókna krążka międzykręgowego często rozkłada się asymetrycznie, co ma związek z kształtem krążka. Napięcie w części tylno-bocznej (tam najczęściej dochodzi do tyłowypchnięcia jądra) może przewyższać występujący nacisk nawet 5-krotnie.

Mechanizm chroniący jądro przed uszkodzeniem polega na tym, że potrafi ono wchłaniać wodę mimo działających na nie nacisków. Dzieje się to jednak wyłącznie w przypadku nacisku przerywanego. Podczas stałego nadmiernego nacisku jądro traci tę właściwość i ulega zniszczeniu. Pozycją, w której krążek międzykręgowy poddawany jest największemu naciskowi (często stałemu), jest siedzenie z tzw. przygarbieniem (zaokrąglone plecy, prostownik brzucha skrócony, prostownik grzbietu w elongacji, zmniejsza się jego napięcie). Niemal równie szkodliwą dla krążka pozycją jest zginanie odcinka lędźwiowego kręgosłupa podczas stania na nogach prostych w kolanach. Jak pisze Artur Dziak: „Przyjmuje się, że u osoby ważącej 70 kg – na 3 krąg lędźwiowy działa w pozycji siedzącej siła 142 kg, w pozycji stojącej 99 kg, w pozycji leżącej (w uśpieniu) – 20 kg. Ciśnienie wewnątrzlędźwiowej tarczy międzykręgowej wynosi 1-1,5 MPa (145-210 psi) w pozycji siedzącej (pozycja spoczynkowa dająca największe naciski). Podczas stania ciśnienie to spada o około 30 proc., przy leżeniu na boku o 50 proc. W pozycji leżenia płasko na plecach ciśnienie wewnątrz krążka międzykręgowego wynosi zaledwie 10-20 proc. tego, co przy siedzeniu i 25 proc. tego, co w pozycji stojącej. Oczywiste jest więc, że chorzy z dyskopatią powinni przede wszystkim ograniczyć pozycję siedzącą”.

Ale skala napięć i obciążeń kręgosłupa nie zależy wyłącznie od pozycji, lecz także w dużym stopniu od wszelkich czynności, które pobudzają pracę mięśni. Każdemu ruchowi towarzyszy bowiem zmiana napięcia mięśni oraz wydłużenie dźwigni sił padających na odcinek lędźwiowy kręgosłupa. Bardzo długie ramię dźwigni dla kręgosłupa lędźwiowego tworzą tułów i kończyny górne. Równowagę zapewnia króciutkie ramię dźwigni od jądra miażdżystego do prostowników grzbietu. Stosunek tych dźwigni to 15:1, co oznacza, że wznos ciężaru o masie 40 kg musi zostać zrównoważony skurczem mięśni grzbietu o wartości około 600 kg.

Kluczowe dla przenoszenia obciążeń działających na kręgosłup jest miejsce, w którym ostatni krąg lędźwiowy łączy się z kością krzyżową. Ma ona kształt wygiętego ku przodowi klina zbudowanego z 5 zrośniętych ze sobą kręgów (ostateczny zrost następuje zazwyczaj między 20 a 25 rokiem życia). Razem z dwiema kościami biodrowymi kość krzyżowa tworzy miednicę – podstawę i rusztowanie kręgosłupa – na którą przenoszone są wszystkie obciążenia (przebiegające przez kręgosłup lędźwiowy, a następnie kość krzyżową). Optymalny kąt przejścia kręgosłupa lędźwiowego w odcinek krzyżowy wynosi 30 stopni. Przenoszenie obciążeń odbywa się w specyficznym miejscu, ponieważ lordoza lędźwiowa przechodzi tu w kifozę krzyżową. Zmiana ustawienia kręgosłupa i klinowaty, bardzo wysoki od przodu krążek międzykręgowy zapewniają temu miejscu duży zakres ruchomości. Jednocześnie kumulują się tu obciążenia przenoszone przez cały kręgosłup. W związku z tym zmiany pozycji, wykonywane czynności i wydłużanie ramienia dźwigni są w tym rejonie najwyraźniej odczuwalne. Przykładem służy Artur Dziak: „w pozycji stojącej wyprostnej zawodnika o masie ciała 105 kg, wzroście 195 cm, trzymającego na piersiach sztangę o masie 150 kg, obciążenie odcinka L5-S1 wynosi 220 kg. W przypadku pochylenia tułowia ku przodowi pod kątem 30 stopni naciski te osiągają wartość aż 990 kg, w związku z przesunięciem środka ciężkości i wydłużeniem ramienia siły. Trzeba dodać, że siła ta rozkłada się na dwie składowe, z których jedna działa równolegle do powierzchni stawowej kości krzyżowej, druga zaś prostopadle; np. przy nachyleniu podstawy kości krzyżowej pod kątem  52 stopni składowe te wynoszą 348 i 509 kg. Wynika z tego, że połączenie lędźwiowo-krzyżowe jest poddawane bardzo znaczącym naciskom, przy czym jedna z sił zmierza do zsunięcia do przodu 5 kręgu lędźwiowego z kości krzyżowej”.

Do powstania zmian przeciążeniowych narządu ruchu nie trzeba zaś wcale obciążeń przekraczających wytrzymałość tkanek. Wystarczą przeciążenia występujące ze znaczną częstotliwością. Jeżeli będą wystarczająco silne i częste, to bez przekraczania progu wytrzymałości tkanek mogą doprowadzić nawet do pęknięcia pierścienia włóknistego – czyli patologii, której nie można zatrzymać ani cofnąć.

Jak to się więc dzieje, że podczas wykonywania niektórych prac czy uprawiania sportów, które wiążą się podnoszeniem dużych ciężarów lub wydłużaniem ramienia dźwigni, nie dochodzi (a przynajmniej nie od razu) do uszkodzenia kręgosłupa? Okazuje się, że zabezpieczają, odciążają i stabilizują go sprawne mięśnie (zwłaszcza posturalne) oraz ciśnienie wytwarzające się w jamach ciała (brzuch, klatka piersiowa). Mało tego, jak pisze Artur Dziak: „Czynność mięśni i ciśnienie w jamach ciała wzrasta wraz z masą podnoszonego ciężaru. W wyniku przejmowania części nacisków przypadających na kręgosłup, odcinek piersiowy może zostać odciążony aż o 50 procent, a odcinek lędźwiowy kręgosłupa o 30 procent (pomiar na poziomie krążka międzykręgowego L5-S2)”. Na tym przykładzie wyraźnie widać, jak ważną kompensacyjną rolę odgrywają mięśnie posturalne, które – odpowiednio silne i sprawne – nie tylko chronią kręgosłup przed uszkodzeniami, lecz także częściowo przejmują jego funkcje.

Bibliografia:

• Bochenek A., Reicher M., Anatomia człowieka, tom I, Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, Warszawa 1997 oraz Sobotta J., Atlas anatomii człowieka, tom 1: Ogólne pojęcia anatomiczne. Narządy ruchu. Wyd. Urban&Partner, Poznań 2012.
• Dziak A., Bóle i dysfunkcje kręgosłupa, Medicina Sportiva, Kraków 2007.
• Sobotta J., Atlas anatomii człowieka, tom 1: Ogólne pojęcia anatomiczne. Narządy ruchu. Wyd. Urban&Partner, Poznań 2012.
• Stodolny J., Choroba przeciążeniowa kręgosłupa, ZL-Natura, Kielce, 2000 oraz Dziak A., Bóle i dysfunkcje kręgosłupa, Medicina Sportiva, Kraków 2007.

Bartosz Wróblewski