Sinh cơ học của đĩa đệm

1.Đĩa đệm như là một hệ thống thẩm thấu

Hệ thống trao đổi chất và chất lỏng ở khoang trong đĩa đệm, mâm sụn, vòng sợi và những tổ chức cạnh đốt sống như phần xốp của những đốt sống kế cận được coi như là một hệ thống thẩm thấu. Những lớp tổ chức ở vùng riểm biên của khoang gian đốt sống có đặc tính của một màng bán thấm. Ở đây, chất lỏng và những chất liệu tan trong nước được thẩm thấu qua vùng biên giới đĩa đệm không phải đều như nhau ở tất cả các lớp tổ chức.

Những công trình nghiên cứu của Maroidas (1975) và Urban (1976) đã chứng minh rằng glucose khuếch tán phần lớn qua bản vận động (plaque motrice) và những ion sulfat ưa qua vòng sợi. Vòng sợi và tấm sụn có một thiết bị mắt lưới (maschenwerker) siêu hiển vi, được cấu tạo bằng sự móc khớp và đan kết của những phân tử đơn lẻ với mạng lưới ba chiều của những sợi ở phần ngoài của vòng sợi và tấm sụn. Chỉ có những phân tử nhỏ mới thấm qua được thiết bị mắt lưới này. Ngoài ra còn có nước và những phân tử nhỏ của cơ chất chuyển ` hoá và những chất cặn chuyển hoá thấm qua thiết bị siêu hiển vi đó. Như vậy bằng tổ chức của những tấm sụn và vòng sợi của đĩa đệm đã hình thành một hàng rào thẩm thấu giữa hai khoang tổ chức tế bào hoàn toàn khác nhau về sinh học và cơ học là khoang trong đĩa đệm với tổ chức tế bào cạnh đốt sống và phần xốp của thân đốt sống.

Sự khác biệt của những khoang này trước tiên là do áp lực trọng tải (áp lực thuỷ tĩnh). Bình thường áp lực của mô (pression tissulaire) chỉ có mấy mmHg trong điều kiện cấu trúc đặc biệt mà một bên là những phần mềm bên cạnh đĩa đệm với một bên là hệ thống hốc (système de cavité) của đốt sống do những cột xương (trabeculae osseux) tựa đỡ, tạo nên. Ở khoang gian đốt sống, tùy theo từng tư thế của thân đốt và trọng lượng chịu đựng, áp ì lực trọng tải (pression de charge) sẽ tăng lên, thậm chí có thể trên 1000kg. Để chống lại áp lực này, buộc một dòng chất lỏng phải chảy vào hướng đĩa đệm để trong một thời gian ngắn nhất cũng không bị chèn ép và làm khô ở trong khoang gian đốt. Mặt khác ngoài sự gia tăng chất lỏng đó, lực thẩm thấu cũng được tăng cường. Những phân tử lớn hiện có trong khoang đĩa đệm, nhất là mucopolysaccharide, có một sức hút nước rất mạnh, nên chất lỏng được giữ vững hoặc tăng lên, kể cả trường hợp áp lực trọng tải cao.

Áp lực hút, thực hiện bằng những dung dịch cô đặc, kéo nước hay những chất hoà tan về, xuyên qua màng bán thấm, được coi như áp lực thẩm thấu, sự chuyển động chất lỏng thẩm thấu cốt để chống lại áp lực trọng tải và được tiếp diễn kéo dài cho đến khi nào xuất hiện sự cân bằng giữa áp lực trọng tải và áp lực thẩm thấu.

Áp lực thẩm thấu keo (pression colloide osmotique) là áp lực thẩm thấu được tiến hành từ những dung dịch phân tử lớn. Ở trong cơ thể, đặc biệt ở trong đĩa đệm, áp lực căng phông (pression intumescent) lại có ý nghĩa quan trọng hơn. Xuất hiện áp lực căng phổng ở đó do một thể căng phồng (corps intumescent) giãn nở để phòng chống lại sự chướng ngại ở trong điều kiện sẵn nước. Áp lực giãn nở của đĩa đệm trên thực nghiệm đã được công bố.

Khi người ta ép một đĩa đệm thì nó trỗi dậy trở lại cho tới lúc áp lực giảm mới thôi. Tốc độ trỗi dậy trở lại và sức căng phồng này phụ thuộc vào đặc tính co giãn và khả năng tăng chất lỏng của tổ chức tế bào đĩa đệm. Đĩa đệm của những người trẻ không những có sức trỗi dậy trở lại mạnh mẽ hơn mà còn nhanh hơn ở những người già.

Áp lực thẩm thấu keo và áp lực căng phổng đã cùng tạo nên áp lực keo (pression oncotique).

Khoang trong đĩa đệm khác biệt với vùng kế cận của khoang gian đốt sống ở hai điểm là: khoang trong đĩa đệm có một áp lực thủy tĩnh cao và áp lực beo, ở đó hai lực đã tác động đối lập nếu có dòng dịch lỏng đi vào trong khoang đĩa đệm và từ trong đĩa đệm đi ra.

Trên cơ sở của sự khác nhau về độ cô đặc và sự khác nhau về áp lực, sự tương quan đã được xác lập như sau:

Đứng về một bên có áp lực tổ chức ở bên ngoài ‹ đĩa đệm và lực hút của tổ chức đĩa đệm, ở bên kia có áp lực tổ chức tế bào trong đĩa đệm và lực hút của tổ chức bên ngoài đĩa đệm. Nếu một bên nào chiếm ưu thế trội lên thì sẽ dẫn đến một sự di chuyển của những dịch lỏng và những chất liệu. Sự luân chuyển giữa úp lực thuỷ tĩnh với úp lực keo có ý nghĩa tác dụng cho nuôi dưỡng của tổ chức đĩa đệm cũng như cho chức phận của đoạn vận động của cột sống. Hệ thẩm thấu của khoang gian đốt không những chỉ do phần cơ học mà còn do phần sinh hoá tác động, ảnh hưởng tới. Trước hết, những cấu tử cơ học (composant mécanique) chịu đựng được những biến đổi tức khắc trong phương cách này là do sự tăng cao hay sự giảm thấp áp lực thuỷ tĩnh trong đĩa đệm. Áp lực trọng tải đĩa đệm này, được gọi là áp lực trong đĩa đệm ngắn, sẽ có những dao động lớn khi tư thế cơ thể thay đổi. Có thể nói rằng, không có một cơ quan khác nào lại giữ được tình trạng căng thẳng của tổ chức tế bào trong những quy trình lớn như ở trong đĩa đệm.

Nachemson (1966) đã xác định được cụ thể sự phụ thuộc của áp lực trong đĩa đệm vào tư thế cơ thể bằng những công trình nghiên cứu đo trên người. Áp lực trọng tải của những đĩa đệm cột sống thắt lưng phần dưới: ở tư thế nằm là từ 15 đến 25kg lực (kilogramme - force), ở tư thế đứng là 100kg lực, ở tư thế ngồi là 150kg lực và còn tăng hơn nữa ở tư thế nghiêng, nâng lên và mang vác, có thể hàng trăm cân.

Những công trình nghiên cứu bằng chất màu và chất phóng xạ, Jurgen Kramer đã chứng minh rằng, tăng áp lực lên trên 80kg lực dẫn đến sự phân tán dịch lỏng, giảm áp lực xuống dưới 80kg lực thì sẽ tăng dịch lỏng bắt đầu ở một áp lực trọng tải (pression de charge) từ 70 đến 80kg lực.

Ở một áp lực keo hằng định, đồng dịch lỏng ở vùng biên giới đĩa đệm sẽ cân xứng với sự giảm thấp áp lực. Điều đó có nghĩa là trọng tải lớn như khi ngồi, nâng, mang vác sẽ thúc đẩy nhanh sự phân tán dịch lỏng và trái lại, sự trút bớt trọng tải mạnh mẽ như kéo giãn cột sống hoặc trường hợp có sự suy giảm áp lực ở khoang gian đốt thì lại thúc đẩy mạnh sự gia tăng nhập địch lỏng.

Trong điều kiện sinh lý, sự di chuyển địch lỏng bị phụ thuộc vào áp lực trong khoang gian đốt. Do đó mà quy luật đã được xác định là: nếu sự gia tăng nhập nước xảy ra thì đồng thời dẫn đến sự pha loãng những hỗn hợp phân tử lớn, nên lực hút của đĩa đệm tự giảm xuống. Trái lại, trong điều kiện áp lực trọng tải cao, chỉ tới một mức nhất định thì đĩa đệm có thể bị chèn ép vì khi có sự phân tán nước thì hỗn hợp phân tử lớn bị cô đặc lại, tất nhiên sẽ làm tăng lực hút của đĩa đệm.

Trọng tải không cân đối của khoang gian đốt đã gây nên một sự di chuyển của những chất lỏng và những chất liệu ở trong đĩa đệm. Nước và những chất đã hoà tan chuyển từ khu vực trọng tải lớn tới khu vực trọng tải nhỏ hơn. Một số những công trình đo áp lực đã chứng minh rằng mỗi động tác cúi gập thân mình ra trước hoặc nghiêng sang một bên cũng làm thay đổi tổng áp lực trọng tải. Vận động cơ thể đã giúp cho sự di chuyển chất lỏng giữa khoang trong và ngoài đĩa đệm cũng như ở trong bản thân đĩa đệm.

Sự trao đổi chất lỏng do áp lực trong khoang gian đốt sống của người biểu hiện một cơ chế bơm, nước và những chất chuyển hoá phân tử nhỏ từ biên giới đĩa đệm chuyển đi và chuyển về. Cơ chế này không những đã cải tiến sự nuôi dưỡng tế bào của đĩa đệm bằng những cơ chất mà còn cả chuyển đi những chất cặn chuyển hoá. Mỗi lần tư thế của cột sống thay đổi là dẫn đến một sự dao động áp lực trong khoang gian đốt, có khả năng hoặc làm nhanh lên hay chậm lại với sự thay đổi hướng hay không của dòng chất lỏng và của tổ chức đĩa đệm. Sự chuyển tư thế giữa tư thế thẳng đứng và nằm ngang, bình thường cũng là cải thiện được sự chuyển vận chất liệu, khi cơ thể ở một tư thế không đổi, sự trao đổi chất liệu trong khoang gian đốt bị trở ngại và áp lực trong đĩa đệm sẽ rất lớn.

2. Sự thay đổi chiều cao của khoang gian đốt sống

 

Sự di chuyển chất lỏng do áp lực trong khoang gian đốt sẽ dẫn đến sự thay đổi về khối lượng và chiều cao của đĩa đệm. Vấn đề này có ý nghĩa không nhỏ trong điều trị bệnh do đĩa đệm.

Người ta có thể kiểm tra sự thay đổi chiều cao của khoang gian đốt một cách trực tiếp bằng X quang và gián tiếp bằng đo chiều cao của cơ thể.

Tương ứng với sự di chuyển chất lỏng do áp lực, chiều cao của khoang gian đốt có thể thay đổi tuỳ theo tư thế cơ thể. Trường hợp cột sống chịu đựng trọng tải như khi ở tư thế đứng và ngồi thì chiều cao khoang gian đốt sẽ giảm, trái lại khi cột sống ở tư thế thư giãn như nằm và kéo giãn cột sống thì chiều cao đó sẽ tăng lên. Những thay đổi chiều cao này ở tất cả đĩa đệm cộng lại sẽ làm cho chiều cao ở cơ thể thay đổi ở mức đáng kể. Ỏ người, chiều cao cơ thể vào buổi sáng lớn hơn vào buổi chiều.

Ở người, chiều dài cơ thể giảm đi trong ban ngày trung bình là 17,6mm, tương ứng với chiều dài cơ thể, tỷ lệ trung bình là 1,13%. Theo Pukys, ban ngày khi có sức ép lớn nhất, chiều cao khoang gian đốt sống giảm ở nam giới là 18mm, ở nữ là 12mm. Tuổi đời càng tăng lên thì sự khác nhau về chiều dài cơ thể giữa buổi sáng và buổi chiều càng ít hơn.

Chiều dài cơ thể bình thường cũng thay đổi tùy theo cơ thể chịu đựng trọng tải được bổ.sung tăng thêm hay ở trạng thái được thư giãn tạm thời. Một giờ thư giãn ở tư thế nằm ngang vào buổi trưa có tác dụng làm tăng chiều dài cơ thể trung bình là 4,5mm (tức là 0,2%).

Sự di chuyển chất lỏng trong khoang gian đốt tương xứng với sự giảm sút áp lực và phụ thuộc vào tình trạng xuất phát (áp lực keo) hoặc tình trạng căng phông của đĩa đệm. Một đĩa đệm đang ở trạng thái thật căng phông, sau khi đã chịu đựng trọng tải và được chuyển sang tư thế nằm ngang một thời gian dài, sẽ mất chiều cao rõ ràng hơn là khi ở đĩa đệm khi đang ở trạng thái bị ép. Trái lại, một đĩa đệm đã bị mất nước do chèn ép sẽ căng phồng nhanh hơn là một đĩa đệm đã hoàn toàn bị hút cạn. Sự thay đổi độ cô đặc của những hỗn hợp phân tử lớn trong khoang đĩa đệm với lực hút nước khác nhau đã có tác dụng không những giúp cho đĩa đệm thoát khỏi được tình trạng bị chèn ép hoàn toàn đo áp lực trọng tải lớn kéo đài ở trong tư thế đứng thẳng mà còn ngăn cản được sự tăng quá mức khối lượng đĩa đệm do thư giãn (ví dụ như trong khi ở khoảng gian không trọng lượng). Cũng vì lẽ đó nên giảm chiều cao cơ thể do trọng tải không phải cứ tiếp diễn mãi mà dần dần tới một mức nhất định quá trình đó sẽ tự kết thúc.

Có tới 2/3 trường hợp thay đổi chiều cao cơ thể xảy ra trong ba giờ đầu buổi sáng. Ở những người có trọng lượng cơ thể (cân nặng) cao thì sự giảm chiều cao cơ thể còn nhanh hơn nữa.

3. Chức năng cơ học của đĩa đệm

 

Cột sống con người không phải chỉ chịu những lực tĩnh mà trong quá trình vận động trong đời sống nó còn phải gánh chịu biết bao nhiêu lực động.

Cấu tạo của cột sống được hình thành bởi một chuỗi những đốt xương sống cứng xen kẽ với các đĩa đệm có tổ chức liên kết đàn hồi. Do đó cột sống đã trở thành một cơ quan mang hai đặc tính ưu việt là vừa có khả năng đứng trụ vững chắc cho cơ thể lại vừa rất linh động có thể xoay chuyển về tất cả các hướng.

Tùy theo vị trí của các khớp đốt sống mà mỗi đoạn cột sống có những biên độ vận động nhất định về các hướng.

Đĩa đệm tham gia vào các vận động này với cương vị là một tổ chức có khả năng biến dạng. Bằng sự kết hợp đặc tính chịu nén ép có giới hạn của đĩa đệm với sức co giãn của những khớp nhỏ đốt sống đã tạo cho cột sống có một trường vận động động nhất định.

Các vận động giữa những đốt sống được thực hiện xung quanh điểm quay là đĩa đệm và được chuyển từ những khớp nhỏ đốt sống. Những khớp này chịu những lực chuyển trượt nhiều hơn là những lực tĩnh.

Tuỳ theo những vị trí khác nhau của các diện khớp trong không gian mà mỗi đoạn đốt sống có những trung tâm xoay và khả năng vận động khác nhau.

Tư thế xuất phát điểm của đoạn vận động cột sống có giá trị quyết định biên độ vận động của từng hướng.

Ở đây cần phải tính đến tác động của sự thay đổi chiều cao đĩa đệm do trọng tải theo từng thời điểm trong ngày. Chiều cao đĩa đệm càng về chiều và tối thì càng giảm mạnh so với buổi sáng. Do vậy động tác ngả lưng ra phía sau kèm theo ưỡn quá mức cột sống cổ và cột sống thắt lưng trong thời điểm chiều và tối sẽ đè ép rễ thần kinh ở lỗ liên đốt mạnh hơn là ở đĩa đệm có chiều cao bình thường trong những giờ buổi sáng.

Trong điều kiện sinh lý, những thành phần khác của đoạn vận động sẽ thích nghi với sự thay đổi chiều cao đĩa đệm và những tư thế vận động ở khoang gian đốt.

Những rối loạn chức năng và những biến đổi từ từ về hình dáng như vẹo lệch cột sống cũng dần dần được thích nghi. Những đau đớn chỉ xuất hiện khi có những thay đổi đột ngột. :

Bên cạnh sự tham gia đảm bảo vận động, dĩa đệm của người còn phải đảm bảo chức năng cho cột sống trong điều kiện tĩnh (không vận động). Trên cơ sở của sức đàn hồi lớn, các đĩa đệm có chức năng "giảm xóc", làm giảm nhẹ chấn động theo dọc trục cột sống do trọng tải. Ở đây, nhân nhầy còn đảm nhận chức năng như một bọc chứa dịch lỏng, có khả năng chuyển tiếp các lực dọc trục để trải đều và cân đối tới mâm sụn và vòng sợi.

Dưới lực trọng tải cân đối theo dọc trục, nhân nhầy bị nén ép nên đã bè ra, áp vào vòng sợi đàn hồi ở tất cả các phía; khi lực tác động không còn thì chúng lại được đầy trở lại ngay về trung tâm của đĩa đệm.

Bằng những kết quả nghiên cứu những đồ thị về lực nén ép và lực xô dồn trở lại (refoulement) của các đĩa đệm, Hartmann (1970) đã kết luận rằng: trương lực tổ chức (turgor) của nhân nhầy đã giữ cho những thớ của vòng sợi một trương lực nghỉ nhất định. Mỗi thớ sợi có một độ giãn căng nhất định và có một trường đàn hồi (champ d'élasticité) mà trong phạm vi giới hạn này chúng có khả năng đáp ứng được độ chun giãn tối đa. Do đó trọng tải kéo (charge de traction) cũng chỉ làm thay đổi một phần nhỏ chiều cao của khoang gian đốt. Trường hợp những dây chằng bị suy yếu, độ căng duỗi sợi sẽ bị giảm, nên trọng tải trong vận động chỉ được làm giảm nhẹ đi (giảm xóc) một phần nhỏ và ít được chuyển tiếp phân bố đều trên vòng sợi. Khi trương lực tổ chức tăng, các thớ sợi của vòng sợi sẽ chịu được độ căng lớn hơn nên độ căng duỗi tất nhiên cũng sẽ tăng lên.

Khi trọng tải không cân đối, tổ chức linh động trung tâm (nhân nhầy) sẽ di chuyển về phần đĩa đệm chịu lực trọng tải ít hơn, nghĩa là khi cúi xuống nhân nhầy trượt về phía sau, khi ưỡn lưng thì chuyển dịch ra trước và khi nghiêng người chúng lại chạy sang bên đối diện. Sự chuyển dịch mạnh nhất trong 3 giây đầu với tốc độ 0,6mm/phút, nếu vẫn giữ nguyên sự nén ép không cân đối này thì nhân nhầy sẽ tiếp tục chuyển động về phía bên nửa đĩa đệm ít chịu trọng tải hơn, với tốc độ nhỏ hơn và kéo dài trong nhiều giờ sau.

Khi cột sống bắt buộc phải duy trì lâu ở tư thế đứng liên tục với trọng tải không đều thì nhân nhầy bị đè ép, bè ra dần dần, làm tăng độ giải tỏa lực theo hướng ly tâm, gây nên triệu chứng đau do đĩa đệm.

Khi trút bỏ tức khắc trọng tải không cân đối, tổ chức nhân nhầy vô định hình lúc đầu vẫn còn duy trì ở nguyên vị trí vừa mới tới, sau đó mới từ từ với nhịp độ chậm chạp rồi chuyển trở lại về trung tâm. Khi tuổi càng cao thì khả năng chuyển dịch của tổ chức đĩa đệm linh động trung tâm, trơng điều kiện khoang gian đốt chịu áp lực trọng tải không cân đối sẽ càng giảm sút. Lực nén ép không cân đối tác động càng lâu, càng mạnh bao nhiêu thì nhân nhây càng "cố thủ" được giữ lại ở vị trí xa trung tâm với thời gian dài bấy nhiêu. Thời gian hồi chuyển về trung tâm của nhân nhầy sẽ có thể thúc đẩy nhanh lên bị tác động tích cực của kéo giãn cột sống hay lực ép cân đối. 

Trên cơ sở của khả năng chuyển dịch sinh lý uốn có của nhân nhầy và đặc tính chun giãn của vòng sợi, đĩa đệm đã thể hiện đúng là một hệ thống sinh cơ học có tính thích ứng, đàn hồi cao, có sức chịu đựng đối với trọng tải lớn (tĩnh và động) của cột sống, nếu trương lực tổ chức (turgor) và lực căng của nó còn ở trạng thái bình thường. Hệ thống này có độ vững chắc đặc biệt khiến riêng nó có sức chống đỡ được cả những chấn động mãnh liệt nhất.

Với điều kiện đĩa đệm còn nguyên vẹn bình thường, không những nó đáp ứng được những yêu cầu của vận động uốn vặn, nén ép cực đại mà còn tránh cho đĩa đệm khỏi bị tổn hại trước khi thân đốt sống bị đe doạ gãy hoặc bị gãy thân đốt :

Đĩa đệm cùng với những neo móc dây chằng quanh nó đã trở thành một mắt xích mạnh nhất trong chuỗi hàng đốt sống đĩa đệm. Chính nó đã được điều vận một cách linh hoạt hai đặc tính vừa thích ứng vừa đề kháng để tạo nên sức chống đỡ cho thân đốt sống trước những tác động của chấn thương. Nhưng nếu do rạn rách hoặc giập nát mà vòng sợi đã mất đặc tính đàn hồi làm cho nhân nhầy dễ thoát ra khỏi giới hạn sinh lý, thì đĩa đệm, tuỳ theo mức độ khác nhau, lại trở thành đối tượng dễ bị tổn thương nhất.