Sinh cơ học đặc biệt của cột sống thắt lưng

1. Áp lực trọng tải của các đĩa đệm thắt lưng

Do dáng đi đứng thẳng của con người, những đoạn dưới của cột sống phải chịu đựng những tải trọng lớn. Ở đây trọng lượng của tất cả phần trên của cơ thể dồn nén xuống một diện nhỏ chỉ bằng vài cm2. Mặt khác sự thay đổi tư thế của phần trên cơ thể ra khỏi đường trục giữa còn làm áp lực trọng tải đó tăng lên gấp nhiều lần.

Lần đầu tiên năm 1964, Nachemson và Morris đã đo áp lực nội đĩa đệm tại đĩa đệm thắt lưng thứ 3 ở người trong nhiều tư thế khác nhau của cơ thể.

Các tác giả đã dùng một chiếc kim, đầu được bịt bằng một màng Polyetylen mỏng rất nhạy cảm với áp suất để đưa vào trong khoang đĩa đệm. Kim đã được nối với một dụng cụ đo theo nguyên tắc cấu tạo như một áp lực kế. Kết quả những áp lực trọng tải đã đo được biểu hiện.

Ở tư thế nằm ngửa thoải mái, chỉ riêng sức kéo của các cơ và các dây chằng đã tác động lên những đĩa đệm thắt lưng dưới một áp lực bằng 15kg lực. Chỉ cần thay đổi tư thế với động tác gấp nhẹ cột sống khi nằm nghiêng thì áp lực trọng tải cũng đã tăng lên gấp đôi rồi. Ở tư thế đứng, áp lực tăng tới 100kp (kilogam pound = kilogam lực), khi cúi xuống trước tăng lên tới 140kp, nếu cúi xuống trước và lại xách tay thêm 20kg thì nó còn tăng tới 200kp hoặc hơn. Ở tư thế ngồi không tựa thì trọng tải đĩa đệm có áp lực lớn hơn là khi ở tư thế đứng 140kp. Cúi xuống trước và nếu có mang trọng lượng thêm thì càng làm tăng áp lực lên đĩa đệm. Nếu tính ra thì áp lực tác động lên bề mặt đĩa đệm là từ 10 - 60kp/cm2. Người ta xác định rằng mỗi động tác ho, rặn và cười thì áp lực trong các đĩa đệm vùng thắt lưng lên tới 50kp. Khi ngồi, áp lực trọng tải càng giảm nếu độ nghiêng của tựa lưng càng lớn. Ở tư thế ngồi thoải mái, áp lực nội đĩa đệm ở dưới 80kp (Nachemson, 1974). Những đòi hỏi của các cơ và trọng tải đĩa đệm trong khi mang vác càng lớn nếu vật mang vác càng xa trục của thân.

Theo những số liệu đo được của Schluter (1968) thì áp lực chính ở trung tâm đĩa đệm có sự chênh lệch lớn nhất và từ đó dẫn đến những áp lực đẩy mạnh nhất.

Ở người, vì áp lực trọng tải cao tác động thường xuyên kéo dài hàng giờ lên đĩa đệm, bên cạnh đó một số tổ chức được nuôi dưỡng tương đối kém (nuôi dưỡng chậm) nên sự xuất hiện sớm những biểu hiện thoái hoá ở đĩa đệm là điều tất yếu.

Theo Rosemeyer (1977), đoạn vận động thắt lưng - cùng phải chịu những tác động đặc biệt mạnh và ở nhiều tư thế khác nhau của cơ thể nên đã hình thành những "ổ đề kháng nhỏ (locus mìnoris resistente)”, bởi vì ở đây phải gánh chịu tới 70% động tác cúi ưỡn của toàn bộ cột sống thắt lưng. Ở động tác cong lưng khi ngồi và động tác cúi khom, áp lực nội đĩa đệm tăng lên bởi trọng tâm của áp lực không còn ở trung tâm đĩa đệm như khi ở tư thế ưỡn lưng mà đã được chuyển tới phía bụng (phía trước) của vòng sợi. Còn phần sau của vòng sợi và các dây chằng giữa các cung đốt sống phải chịu những lực căng kéo. Nhân nhầy có đặc tính không chịu ép nén, lúc này được sử dụng như kiểu "hòn bi trượt".

Tổ chức linh động nằm ở trung tâm đĩa đệm sẽ di chuyển thoát khỏi vùng đang chịu đựng trọng tải chính tới phần sau của đĩa đệm lúc đó ít chịu lực nén hơn.

Khi làm động tác căng cơ bụng như rặn, lên gân bụng... thì phần của trọng lượng phía trên cơ thể qua bóng khí và bóng dịch thể của ổ bụng được chuyển từ lổng ngực đi thẳng tới chậu hông. Áp lực trong bụng khi đó có thể lên tới hàng trăm kilô (lực) Khi co cơ hoành và khối cơ bụng, khoang ổ bụng sẽ biến thành một hình trụ đàn hồi và lúc đó có thể gánh chịu những trọng lượng lớn. Theo Finneson (1973), áp lực lên đĩa đệm thắt lưng do tác động của ép bụng sẽ được giảm đi 30%.

2. Những thay đổi chiều dài cột sống do trọng tải

Do những dao động áp lực rất mạnh trong lúc đĩa đệm thắt lưng đang ở tình trạng thể tích tương đối lớn nên những di chuyển dịch thể do áp lực tại đĩa đệm thắt lưng là đặc biệt mạnh.

Trong thực nghiệm, những đĩa đệm chịu nén ép xuống tới mức chỉ còn như là một khe nhỏ dưới áp lực trọng tải 200kp trong 12 giờ liền. Sau khi bỏ trọng tải nén ép đi, đĩa đệm lại nhận dịch thể vào và trở lại nguyên chiều cao (Kramer, 1973). Ở người khi các khớp nhỏ đốt sống còn nguyên vẹn, những biến đổi chiều cao đĩa đệm thực chất ít hơn rất nhiều, nhưng vẫn có thể đo được rõ.

Theo quy luật "chiều cao đĩa đệm tăng khi áp lực nội đĩa đệm giảm”, biện pháp kéo giãn cột sống trong đĩa đệm đã có tác dụng làm cho các khoang gian đốt và các lỗ liên đốt được mở rộng thêm.

Khi tuổi càng cao thì khả năng biến đổi chiều cao đĩa đệm càng bị hạn chế.

Do sự tiếp xúc tối thiểu giữa rễ thần binh với mặt uống bên của đĩa đệm, nên sự thay đổi khoảng cách dù ở mức độ tương đối nhỏ cũng đã tác động trực tiếp đến khu vực đĩa - rễ, nếu có sự xung đột đĩa - rễ thì sẽ xuất hiện ngay đau kiểu rễ; ngược lại, nếu xung đột đĩa - rễ bị loại trừ, tức là làm mất sự đụng độ giữa đĩa đệm với rễ thần kinh bằng cách làm giảm hay mất sự chèn ép rễ (thư giãn, kéo giãn...) thì đau rễ sẽ giảm dần và biến hết.

3. Tư thế của khớp đốt sống và lỗ liên đốt

Các diện khớp ở tư thế đứng thẳng dọc của khớp đốt sống thắt lưng có chức năng bảo đảm chủ yếu cho các vận động cột sống theo chiều cơ (gấp gù) và duỗi (ưỡn) và ở một phạm vi nhất định những vận động về phía hai bên. Các vận động quay chỉ được thực hiện ở phạm vi hạn chế. Những vận động ngoài giới hạn sinh lý của toàn bộ cột sống cũng như của từng đoạn cột sống của từng người có khác nhau và còn phụ thuộc vào lứa tuổi cũng như tình trạng tập luyện. Những nghệ sĩ xiếc hay những vận động viên thể dục nghệ thuật, múa trên sân băng... có khả năng thực hiện được một số động tác uốn cong với giá trị cực đại một cách đáng ngạc nhiên.

Độ rộng của lỗ liên đốt sống thay đổi theo từng vận động của cột sống. Khi nghiêng thân mình về một bên thì các lỗ liên đốt phía bên lõm bị hẹp lại và ở bên lồi sẽ rộng ra. Cúi trước có tác dụng làm rộng uà ưỡn ra sau làm hẹp các lỗ liên đốt cột sống.

Bởi vậy bệnh nhân bị thoát vị đĩa đệm ra phía bên nói chung hay hơi cúi khom ra trước và nghiêng về phía bên lành, để "giải phóng" rễ thần kinh ở trong lỗ liên đốt khỏi lực nén.

Khi chiều cao đĩa đệm thay đổi thì tư thế của những diện khớp nhỏ (facette) cũng thay đổi. Ở cột sống thắt lưng, do sự dao động mạnh và lực nén ép thể tích đĩa đệm lớn nên sau một thời gian dài chịu đựng trọng tải hoặc mất trọng tải (ví dụ nằm bất động) thì chiều cao đĩa đệm sẽ có những chênh lệch khác nhau rõ rệt. Những yếu tố này gây tác động mạnh tới diện khớp thắt lưng - cùng.

Chỉ riêng giảm chiều cao đĩa đệm dưới áp lực trọng tải đọc trục trong thời gian một ngày mà độ rộng của lỗ liên đốt sống thắt lưng cũng giảm đi. 

Trong trường hợp này, các diện khớp nhỏ đã làm hẹp lỗ liên đốt ở phần ngoài, đặc biệt phía trên. Nếu làm tiếp thêm các động tác khác, như động tác xiên chếch và ngả về cùng bên, cũng làm hẹp thêm khoảng không dự trữ của rễ thần kinh trong lỗ liên đốt. Rễ thần kinh đi qua phần trên của lỗ liên đốt và chiếm khoảng 1/4 của cả khoang rộng của lỗ liên đốt.

Khi có quá trình viêm sưng của tổ chức quanh dây thần kinh, lồi đĩa đệm hoặc những phản ứng tạo gai xương của các diện khớp nhỏ trong quá trình thoái hoá khớp đốt sống, sẽ dẫn tới xung đột bất lợi cho rễ thần kinh.