Compressie van de Wervelkolom

Introductie

Wat doen exoskeletten eigenlijk voor ons mensen? Het woord 'exoskelet' impliceert dat ze ons menselijk skelet helpen, toch? Ja, sommige soorten exoskeletten doen dat inderdaad. Echter, de meeste romp-ondersteunende exoskeletten (die voorwaartse buiging en tillen ondersteunen) ondersteunen voornamelijk de rugspieren. Door dit te doen, verminderen exoskeletten ook de belasting op onze wervelkolom. Ben je benieuwd hoe dit werkt?

Op deze pagina zullen we meer leren over de basisstructuur van onze wervelkolom, hoe we onze wervelkolom belasten, en wat er gebeurt wanneer we deze overbelasten. We zullen deze pagina afsluiten met richtlijnen over de grenzen van de wervelkolomcompressiekracht, wat een startpunt is voor de volgende leerpagina waar we de wervelkolomcompressiekrachten zullen schatten met en zonder verschillende soorten exoskeletten.

De volgende hoofdstukken zullen we op deze pagina bespreken:

1. Structuur van de wervelkolom

2. Spier Skelet Aandoeningen

3. Oorzaken van wervelkolomcompressie

4. Veelvoorkomende wervelkolomletsels

5. Limieten van wervelkolomcompressie

6. Conclusie

1. Structuur van de wervelkolom

Op deze pagina zullen we wat basis anatomische terminologie gebruiken met betrekking tot de wervelkolom. Omdat niet alle lezers bekend zullen zijn met deze termen, beginnen we met een overzicht van de structuur van de wervelkolom, zoals hieronder gevisualiseerd.

Je kunt zien dat de menselijke wervelkolom is verdeeld in 5 secties. Van boven naar beneden: de Cervicale, Thoracale en Lumbale Wervelkolom, gevolgd door het Sacrum en het Staartbeen (de Coccyx). In de bovenstaande figuur is elke sectie in een andere kleur weergegeven. Het Sacrum maakt deel uit van het Bekken, dat verbonden is met de benen, en het Staartbeen is ons stuitje. De tussenwervelschijven, weergegeven in het wit, bevinden zich zoals de naam al aangeeft tussen elke wervel. Deze relatief zachte schijven maken het buigen van onze wervelkolom mogelijk in meerdere richtingen.

Op basis van de specifieke sectie en de locatie in de sectie heeft elke wervel een letter en een nummer. Bijvoorbeeld, elke wervel in de Cervicale Wervelkolom begint met 'C' (voor Cervicaal) en wordt genummerd van boven naar beneden (C1, C2, enz.). Je kunt de volledige lijst met namen van de wervels zien in de bovenstaande figuur. De tussenwervelschijven worden genoemd naar de wervels waar ze tussen liggen. Dus de schijf tussen C1 en C2 wordt de C1C2-schijf genoemd.

De meeste rugpijnklachten als gevolg van zwaar tillen komen voor in de Lumbale Wervelkolom, de onderrug, wat het belangrijkste onderwerp van deze pagina zal zijn. De lumbale wervelkolom bestaat uit 5 wervels, genaamd L1 tot L5, waarbij L5 de laagste wervel is. Onder L5 bevindt zich de bovenkant van het Sacrum, genaamd S1. Omdat er geen schijven zijn tussen de Sacrum-wervels, is de laagste schijf de L5S1-schijf.

Zoals weergegeven in de onderstaande figuur, bestaat de schijf zelf uit de Nucleus en de Annulus. De Annulus is een stevige bandachtige structuur die een gelachtig centrum, de Nucleus, omhult. De Annulus verbetert de rotatiestabiliteit van de wervelkolom en helpt bij het weerstaan van drukkrachten. Hier komen we later op deze pagina op terug.

Het is ook goed om te weten over de belangrijkste rugspieren die betrokken zijn bij tillen: de Erector Spinae, oftewel de rugspieren. Dit zijn de spieren die worden gebruikt om, je raadt het al, de wervelkolom te strekken. Hun namen zijn Spinalis, Longissimus en Illiocostalis, en ze worden hieronder weergegeven. De Illiocostalis en Longisimus worden over het algemeen bestudeerd in wetenschappelijk onderzoek wanneer bijvoorbeeld spieractiviteit wordt vergeleken met en zonder exoskeletondersteuning.

Het is goed om te weten dat individuele spieren alleen kunnen trekken en niet kunnen duwen. Daarom werken spieren altijd samen rond een gewricht om bewegingen in beide richtingen mogelijk te maken. Voor één bewegingsrichting trekt een bepaalde spier, en voor de andere richting trekt een andere spier. De trekkende actie van de spier staat bekend als spiercontractie omdat de spier probeert te verkorten in dit proces.

In de figuur hieronder zie je een mens in een voorovergebogen positie met een gebogen wervelkolom en een rechte wervelkolom. Let op dat de bekkenhoek hetzelfde blijft. Omdat de zwaartekracht de romp naar beneden trekt, zal het ontspannen van de rugspieren (oranje) de spieren langer maken en de wervelkolom naar voren buigen. Het samentrekken, en dus verkorten, van de rugspieren (rood) zal de wervelkolom oprichten en recht maken als er voldoende spiercontractiekracht wordt gegenereerd. Hoeveel contractiekracht er nodig is, hangt af van het gewicht van de romp, de buigingshoek en het extra gewicht dat wordt opgetild.

Wanneer de wervelkolom wordt rechtgetrokken met behulp van de rugspieren, zullen andere spieren in de billen en dijen ook moeten samentrekken om het bekken ten opzichte van de benen te draaien, zodat we weer helemaal rechtop kunnen staan. De rugspieren (Erector Spinae) zijn slechts een paar van de vele spieren die worden gebruikt tijdens buigen en tillen. Echter, zoals we op deze pagina zullen leren, spelen de Erector Spinae een sleutelrol bij letsel aan de wervelkolom.

2. Spier-Skelet Aandoeningen

Rugpijn is een Spier-Skelet Aandoening (SSA). SSA's worden typisch gekenmerkt door (vaak aanhoudende) pijn en beperkingen in mobiliteit en behendigheid, waardoor mensen minder goed in staat zijn om te werken en deel te nemen aan de samenleving. Rugpijn is de meest voorkomende SSA wereldwijd, en verwondingen veroorzaakt door zwaar tillen kosten Amerikaanse werkgevers jaarlijks meer dan $13 miljard, zoals te zien is in deze infographic van de National Safety Council (NSC) van Amerika over het jaar 2020.

Zoals de naam al doet vermoeden, vallen zowel spier- als skeletletsels onder de spier-skelet aandoeningen:

(Rug)spierletsels

Na een enthousiaste sportsessie hebben de meesten van ons waarschijnlijk wel eens ervaren dat het overbelasten van spieren spierpijn veroorzaakt. Misschien wel belangrijker, de meesten van ons hebben ook ervaren dat spieren verbazingwekkende herstelvermogens hebben. Na één of twee dagen rust zal de spierpijn grotendeels verdwenen zijn, en als de spieren regelmatig worden belast, zullen ze na verloop van tijd groter en sterker worden. Het menselijk lichaam is geweldig, niet waar? De problemen beginnen wanneer je spieren niet genoeg tijd krijgen om te herstellen, of de overbelasting te ernstig is. Dan kan de spier beschadigd raken, wat beperkingen in mobiliteit veroorzaakt die veel langer zullen duren dan de gebruikelijke spierpijn.

Rug-skelet-blessures

Rug-skelet-blessures vormen een ander geval. Vooral de laagste schijven, L5S1 en L4L5, zijn vaak slachtoffers als het gaat om zwaar tillen. In vergelijking met de spieren is de bloedtoevoer naar de schijven zeer laag, waardoor het herstel erg langzaam verloopt. Aangezien schijfblessures en hun bijwerkingen erg pijnlijk kunnen zijn, kan het herstel een moeizaam proces zijn. In de ergste gevallen is de schade onomkeerbaar en maakt mensen ongeschikt voor werk voor de rest van hun leven, en ook de vermindering van de kwaliteit van hun privéleven.

3. Oorzaken van wervelkolomcompressie

Je zou kunnen zeggen dat het menselijk skelet het structurele frame is dat het lichaam ondersteunt. Onze wervelkolom is een heel bijzonder 'frame' omdat het zoveel bewegingsvrijheid biedt en toch in staat is om vele complexe belastingen te verwerken. Zoals eerder vermeld, spelen de tussenwervelschijven een cruciale rol bij het bieden van deze hoge mate van mobiliteit. In de 4 illustraties hieronder zie je de belangrijkste verschillende belastingen die de schijven ondergaan.

Aan de linkerkant staat de meest ideale belasting: rechte compressie. De rubberachtige buitenwand (Annulus) van de schijf wordt gelijkmatig samengedrukt over het hele oppervlak en de gelachtige binnenkant (Nucleus) van de schijf blijft gecentreerd tussen de wervels.

Voorover buigen of achterover buigen is een ander verhaal. Zoals je kunt zien in de middelste figuren hieronder, wordt één kant van de buitenwand uitgerekt terwijl de andere kant wordt samengedrukt. De zachte gel (Nucleus) binnenin de schijf wordt naar de uitgerekt kant gedrukt waar het meer ruimte heeft, zoals aangegeven door de rode pijlen in de schijven hieronder.

Aan de rechterkant belast het draaien van de wervelkolom ook de schijf omdat de buitenwand (Annulus) van de schijf aan de wervels is bevestigd en daarom gespannen is wanneer de wervels in verschillende richtingen worden gedraaid.

De figuren hierboven kunnen er misschien angstaanjagend uitzien, maar de schijven zijn gemaakt om een behoorlijke hoeveelheid stress aan te kunnen. Wat zijn mogelijke oorzaken van overbelasting van de schijven? Meestal is het te wijten aan een combinatie van de onderstaande factoren:

1. Het gewicht van het bovenlichaam

Terwijl je rechtop staat, comprimeert de zwaartekracht onze wervelkolom verticaal door het gewicht van de lichaamsdelen erboven. Als je een zwaarder bovenlichaam hebt, zal je wervelkolom meer worden samengedrukt. Het gewicht van het bovenlichaam inclusief het hoofd en de armen is ongeveer 65-70% van het totale lichaamsgewicht. Dit kan significant zijn omdat dit gewicht meestal meer is dan het gewicht van de extra gedragen last.

2. Het gewicht van de extra gedragen last

Terwijl je een extra last draagt in de armen, op de schouders of het hoofd, wordt onze wervelkolom extra samengedrukt. Natuurlijk zal een zwaardere gedragen last onze wervelkolom meer samenpersen.

3. spiercontractie

Zoals uitgelegd in hoofdstuk 1, wanneer een persoon naar voren buigt, moeten de spieren aan de achterkant samentrekken om te voorkomen dat de wervelkolom te ver naar voren buigt. Zoals de onderstaande figuur illustreert, liggen de rugspieren parallel aan de wervelkolom, dus hun samentrekking zal de wervelkolom direct comprimeren. En omdat de spieren zeer dicht bij de wervelkolom liggen, zijn dit aanzienlijke krachten. Het tillen van een object van 20 kg vanaf vloerniveau zal gemakkelijk 350 kg compressie op je wervelkolom veroorzaken vanwege de vereiste samentrekking van de rugspieren. Hoewel het lijkt alsof het onmogelijk is om 350 kg op je schouders te tillen, leggen je rugspieren eigenlijk deze last op je tussenwervelschijven wanneer je iets zwaars van de vloer optilt.

4. Buigen van de wervelkolom

Zoals we hebben gezien in de figuren hierboven, kan het buigen van de wervelkolom extra druk uitoefenen op de tussenwervelschijven. Wanneer een persoon rechtop staat en de wervelkolom in zijn natuurlijke vorm is, wordt de druk die de wervels uitoefenen op de tussenwervelschijven (relatief) gelijkmatig verdeeld. Het buigen van de wervelkolom naar voren comprimeert de schijf aan de voorkant en rekt de schijf aan de achterkant uit. Het combineren van zwaar tillen met het buigen van de wervelkolom verhoogt daarom de piekbelasting in de schijven aanzienlijk. Dit is de reden waarom we leren om te tillen met een 'rechte' rug. Tillen met een rechte rug zorgt voor het scenario van 'Rechte compressie' zoals getoond in de figuren hierboven, in plaats van het scenario 'Voorover buigen' of 'Achterover buigen'.

5. draaien van de wervelkolom

Zoals hierboven vermeld, belast ook het draaien van de wervelkolom de tussenwervelschijf. Het combineren van draaien, buigen en zwaar tillen is het recept voor de hoogst mogelijke belasting van een schijf. Daarom wordt zwaar tillen met gedraaide schouders ten opzichte van de heupen als absoluut af te raden beschouwd.

4. Veelvoorkomende wervelkolomletsels

Er zijn veel verschillende wervelkolomletsels. In de afbeelding hieronder worden er een aantal weergegeven.

Een hernia is één van de meest bekende wervelkolomletsels. Een hernia treedt op wanneer de druk op de schijf hoog genoeg wordt waardoor de buitenwand van de schijf (annulus) beschadigd raakt en de zachtere binnenkant van de schijf (nucleus) naar buiten wordt gedrukt. In veel gevallen wordt er elders in het lichaam ernstige pijn gevoeld omdat de naar buiten geduwde nucleus zenuwen in het wervelkanaal bekneld, zoals hieronder geïllustreerd.

Adams, een bekende onderzoeker en auteur van ‘Biomechanics of Back Pain’ heeft veel kadaverstudies uitgevoerd gericht op de wervelkolom. Hieronder staan doorsnedefoto's van schijven die verschillende stadia van degeneratie laten zien, waarbij het witte gedeelte de schijf is en het rode gedeelte de wervels. De bovenste schijf en wervels zijn nog in goede staat, met een mooie en zachte nucleus. De onderstaande afbeeldingen tonen schijven in steeds verder verslechterende omstandigheden. Je kunt je voorstellen dat er niet veel mobiliteit overblijft in de onderste.

Adams heeft zelfs een foto kunnen maken van een aangedane tussenwervelschijf (door een Hernia) , die zie je hieronder.

5. Limieten van wervelkolomcompressie

We hebben de basis over de wervelkolom en de belasting nu geleerd. Maar hoeveel kunnen we onze tussenwervelschijven belasten voordat er iets misgaat?

De waarheid is: hoeveel compressie een menselijke wervelkolom kan verdragen, verschilt tussen mensen. Brinkmann et al. publiceerden in 1989 onderzoek waarbij tussenwervelschijven kunstmatig werden samengedrukt tussen hun wervels totdat er een breuk optrad. Omdat de dichtheid en het oppervlak van de wervels verschillen tussen mensen, werden deze factoren meegenomen bij het presenteren van de onderstaande resultaten.

You can see the ultimate compression force ranges from 2000 to 9000N: a very wide range. Apparently, some people are more resistant to spine compression than others, making it hard to set universal loading limits.

Je kan in deze afbeelding zien dat de uiteindelijke compressiekrachtrange tussen de 2000 en 9000 N ligt: een zeer breed bereik. Blijkbaar zijn sommige mensen meer bestand tegen compressie van de wervelkolom dan anderen, waardoor het moeilijk is om universele belastingslimieten vast te stellen.

De Tilvergelijking van niosh

Hoewel mensen verschillende belastingslimieten hebben op basis van de dichtheid en oppervlakte van hun wervels, bestaan er richtlijnen om rugpijn te voorkomen. Een van de bekendste is de (herziene) NIOSH Tilvergelijking. Met behulp van deze vergelijking kun je je eigen Aanbevolen Gewichtslimiet berekenen op basis van je specifieke tiltaak. De oorspronkelijke vergelijking werd gepubliceerd in 1981 en herzien in 1991, dus hij is relatief oud. Desondanks wordt de NIOSH Tilvergelijking nog steeds opgenomen in nieuwere richtlijnen zoals ISO11228-1 en EN1005-2. Ondanks wetenschappelijke zorgen over het bepalen van de belasting van de wervelkolom, lijkt de methode nog steeds nauwkeurig het risico op rugproblemen te voorspellen.

NIOSH vermeldt dat deze grens van 3400N geldt voor 95% van de mannelijke en 70% van de vrouwelijke populatie. Als we naar de resultaten van Brinkmann hierboven kijken, kunnen we de connectie met de NIOSH-grens zien. Als we een horizontale lijn op 3,4 kN visualiseren, kunnen we schatten dat ongeveer 95% van de mannen (vierkanten) en 70% van de vrouwen (cirkels) boven deze lijn liggen.

We moeten opmerken dat de resultaten van Brinckmann eigenlijk de faalkrachten van de wervels en/of schijven zijn, dus er is geen veiligheidsmarge. Bovendien werden alle schijven in deze studie samengedrukt met 'rechte compressie', dus zonder buiging of draaiing. Daarom stelt NIOSH 3400N in als de maximale veilige waarde. Bij meer herhalingen van buigen, of wanneer het buigen van de wervelkolom een rol speelt, daalt het aanbevolen gewichtslimiet drastisch. Er zijn veel NIOSH Aanbevolen Gewichtslimiet calculators beschikbaar op internet als je je eigen limiet wilt controleren.

Laevo werkt samen met meerdere instituten, waaronder NIOSH, om te onderzoeken hoe exoskeletten geïntegreerd kunnen worden in hun formules, zodat bedrijven de gunstige effecten van exoskeletten kunnen zien in gevestigde ergonomische methoden zoals de NIOSH Lifting Equation. Veel meer wetenschappelijke validatie is nodig voordat we zover zijn, maar de eerste stappen zijn zeker gezet.

6. Conclusie

We hopen dat je iets hebt geleerd op deze eerste pagina van de serie over Wervelkolomcompressie. Als iets onduidelijk is of als je suggesties hebt om deze pagina te verbeteren, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Dus, hoeveel denk je dat je tussenwervelschijven aankunnen? Het is moeilijk te achterhalen, toch? Als rugpijn in de familie voorkomt, zit je misschien dicht bij de NIOSH-limiet van 3400N. Maar als je een familie hebt van Olympische gewichtheffers, kun je de NIOSH-limiet misschien wel veilig verdrievoudigen. De realiteit is dat je niet zeker kunt zijn van wat je rug kan dragen. Het enige wat we kunnen doen is luisteren naar de vroege signalen die ons lichaam geeft. Als je je (klein)kinderen wilt kunnen optillen, kun je maar beter aan de veilige kant blijven, toch?

Over aan de veilige kant blijven gesproken, exoskeletten kunnen een positief verschil maken als het gaat om wervelkolomcompressie en het voorkomen van SSA's in het algemeen. Exoskeletten kunnen een aanzienlijke veiligheidsmarge toevoegen. Op de volgende pagina zullen we leren hoe exoskeletten dit bereiken, en hoe verschillende soorten exoskeletten verschillen op dit gebied.

Aan de volgende pagina wordt hard gewerkt…