الميكانيكا الحيوية للعمود الفقري وأجهزة تقويم
التحميل الميكانيكي للعمود الفقري هو عامل مهم في علم أسباب اضطرابات العمود الفقري، كما أنه يؤثر على نتيجة العلاجات التقويمية لاضطرابات العمود الفقري، تنتج الأحمال على العمود الفقري عن طريق قوى الجاذبية الناتجة عن كتلة أجزاء الجسم، القوى الخارجية واللحظات الناتجة عن نشاط بدني وتوتر العضلات، كما يتم تقاسم هذه الأحمال عن طريق الأنسجة والعضلات العظمي في العمود الفقري، تعمل قوى الشد في عضلات المنطقة المحيطة بالعمود الفقري والتي تمارس ضغطًا ثقيلًا على العمود الفقري، على موازنة اللحظات الناتجة عن الجاذبية والأحمال الخارجية، لأن هذه العضلات لها ذراع لحظة صغيرة من الجزء الشوكي، فإنها تضخم الحمل الضاغط على العمود الفقري العظمي.
يتعرض العمود الفقري البشري لأحمال كبيرة مضغوطة مسبقًا أثناء أنشطة الحياة اليومية، تم تقدير قوى الانضغاط الداخلية على العمود الفقري للرباط من أجل مهام فيزيائية مختلفة باستخدام البيانات الحركية والكهرومغناطيسية بالتزامن مع النماذج الميكانيكية الحيوية ثلاثية الأبعاد، كما تُقدَّر القوة الضاغطة على العمود الفقري القطني للإنسان من 200 إلى 300 نهارًا خلال وضعيات الاستلقاء والراقد إلى 1400 نيوتن أثناء الوقوف المرتخي مع ثني الجذع بمقدار 30 درجة.
قد تكون قوة الانضغاط أكبر بشكل كبير عندما يحمل الفرد وزنًا في اليدين في وضع الوقوف الثابت، بل وأكثر من ذلك أثناء الرفع الديناميكي، يقاوم العمود الفقري العنقي البشري أيضًا الأحمال الضاغطة الأساسية غير الحية، يقترب التحميل المسبق لعنق الرحم من ثلاثة أضعاف وزن الرأس بسبب قوى تنشيط العضلات في موازنة الرأس في الوضع المحايدن يزيد الحمل الضاغط المسبق على العمود الفقري العنقي أثناء الانثناء والامتداد وأنشطة الحياة اليومية الأخرى ويقدر أنه يصل إلى 1200 نيوتن من الخمول التي تنطوي على أقصى جهد للعضلات متساوي القياس. الأفراد غير الطبيعيين، يحافظ العمود الفقري على هذه الأحمال دون التسبب في إصابات للعظام أو الأنسجة الرخوة أو الهياكل العصبية.
قدرة تحمل العمود الفقري العظمي
في حالة عدم وجود قوى عضلية، لا يستطيع العمود الفقري العظمي دعم الأحمال الانضغاطية العمودية ذات الحجم في الجسم الحي، كما أدت التجارب التي تم فيها تطبيق الحمل الرأسي في نهاية الرأس من عينات العمود الفقري العنقي أو الصدري القطني إلى التواء في العمود الفقري عند مستويات تحميل أقل بكثير، كما تم تحديد استقرار العمود الفقري، الذي يتميز بالحمل الحرج (أقصى قدرة تحمل أو حمل أويلر المتشابك للعمود الفقري)، من خلال هذه التجارب.
عندما تجاوز الحمل القيمة الحرجة، أصبح العمود الفقري الذي كان مقيدًا بالتحرك فقط في المستوى الأمامي في هذه التجارب، غير مستقر ومشوش كل ذلك أقل بكثير من الأحمال الانضغاطية المتوقعة في أنشطة الحياة اليومية، عندما يتم تطبيق حمل ضاغط في اتجاه رأسي على عينة من العمود الفقري متعدد الأجزاء، يتم إحداث لحظات الانحناء القطاعي وقوى القص نتيجة للانحناء المتأصل في العمود الفقري، كما يتسبب تطبيق الحمل هذا في حدوث تغييرات كبيرة في وضع العينة عند الأحمال الصغيرة نسبيًا، يمكن أن يتسبب التحميل الإضافي في تلف الأنسجة الرخوة أو الهياكل العظمية.
دور العضلات
قام بعض الباحثين بنمذجة العضلات على أنها نوابض من أجل شرح دورها في منع التواء عدم استقرار العمود الفقري، من الصعب محاكاة تجارب القوى العضلية النشطة على العمود الفقري الرباط بسبب العدد الكبير من العضلات وعدم اليقين في تقاسم الأحمال بين العضلات المختلفة أثناء الأنشطة المختلفة، يجب أن توفر حركات العضلات المحاكاة الاستقرار للعمود الفقري القطني لتحمل الأحمال الضاغطة مع السماح بالحركة المطلوبة لأداء أنشطة الحياة اليومية.
التحليل باستخدام نماذج عضلية لجذع دعم القول بأن أجزاء العمود الفقري الفردية والتي يشار إليها غالبًا على أنها وحدات العمود الفقري الوظيفية، تتعرض لأحمال ضاغطة شبه نقية في الجسم الحي، أدت محاولات تحديد أحمال المفصل بناءً على افتراض الحمل الرأسي على العمود الفقري إلى توقع مفرط خطير لقوى القص على العمود الفقري الوظيفية.
كما أظهرت حسابات نماذج العمود الفقري، مع الأخذ في الاعتبار نشاط عضلات البطن والعضلات الشوكية أنه في مهام حمل الوزن، يزداد القوة الانضغاطية للقرص القطني العجزي مع زيادة الانحدار ومقدار الوزن المرتفع، في حين ظلت قوة القص الأمامية الخلفية القصوى صغيرة (حوالي 20٪ إلى 25٪) من قوة الضغط)، تسمح ثروة العضلات الباسطة القطنية القصيرة لها بمشاركة قوى القص الأمامية الناتجة عن رفع الحمل.
أجهزة التقويم واستقرار العمود الفقري
يمكن تعليل أن التنشيط المشترك لعضلات الجذع يغير اتجاه متجه القوة الانضغاطية الداخلية مثل أن مساره يتبع المنحنيات اللوردونية والخطابية في مسار العمود ويمر عبر مركز الدوران اللحظي لكل مقطع، سيؤدي ذلك إلى تقليل لحظات الانحناء الجزئي وقوى القص التي يسببها الحمل الانضغاطي، مما يسمح للعمود الفقري بدعم الأحمال التي من شأنها أن تتسبب في الالتواء وتوفر هامش أمان أكبر ضد كل من عدم الاستقرار وإصابة الأنسجة.
يُطلق على ناقل الحمل الموصوف اسم حمل المتابعين وقد أوضحت التجارب التي أجريت على عينات جثة بشرية من الفقرات القطنية (L1-5) والصدري القطني (T2 –العجز) والعمود الفقري العنقي (C2-7) وكذلك النماذج الرياضية أن العمود الفقري الرباطي مع يمكن أن تتحمل مقاطع الحركة المتعددة الأحمال الانضغاطية الفسيولوجية دون إصابة الأنسجة أو عدم الاستقرار إذا تم تطبيق ناقل الحمل الانضغاطي على طول مسار تحميل تابع يقترب من منحنى العمود الفقري الرباط، العمود الفقري الخاضع للأحمال الانضغاطية للمغناطيسية في الجسم الحي على طول مسار تحميل التابع يسمح بالتنقل الفيزيولوجي لحظات التمدد، تحميل المتابعين يحاكي الناقل الناتج للعضلات التي تسمح للعمود الفقري بدعم الأحمال الضاغطة الفسيولوجية.
استقرار وحدة العمود الفقري الوظيفية
جزء حركة العمود الفقري هو أصغر وحدة وظيفية في العمود الفقري العظمي ويعرض الخصائص العامة للعمود الفقري، يتكون وحدات العمود الفقري الوظيفية من جسمين فقريين متصلين بواسطة قرص بين الفقرات ومفاصل وجهية وأربطة (باستثناء الجزء C1-2 حيث لا يوجد قرص بين الفقرات)، يمكن النظر إلى وحدات العمود الفقري الوظيفية على أنه مركب ثلاثي المفاصل يتكون من قرص (مفصل غير مفصل) ومفاصل ثنائية الوجه (مفاصل زليليّة)، توجد علاقة ديناميكية بين القرص الفقري والمفاصل السطحية في مشاركة الأحمال الفيزيولوجية.
يحمل القرص الفقري أحمالًا كبيرة نتيجة قوى الجاذبية والعضلات، إنه العنصر الحامل الأمامي الرئيسي في الانضغاط والانثناء المحوري. في العمود الفقري الصحي الشاب، يحدث انتقال الحمل من فقرات إلى فقرات بشكل أساسي من خلال نواة القرص، عندما يتم تطبيق الحمل على القرص السليم، يتم توزيع القوى بالتساوي في جميع الاتجاهات من داخل النواة، مما يضع ألياف الحلقة في حالة توتر. ألياف الكولاجين من التليف الحلقي مناسبة تمامًا لمقاومة التوتر على طول اتجاه الألياف، يمتد الضغط في النواة اللبية للألياف في الحلقة وتسمح مقاومة الألياف للتحميل الشد للحلقة بالمساهمة في تقاسم الحمل، يعتبر تليف الثيانولوس مناسبًا تمامًا لمقاومة الالتواء نتيجة للتوجه المميز للألياف في كل طبقة.
يوفر القرص الفقري معظم صلابة مقطع الحركة في الانضغاط، بينما تساهم الأربطة والأوجه بشكل كبير في مقاومة لحظات الانحناء والالتواء المحوري. دور مهم في تحديد حدود الحركة في وحدة دعم الاستقرار الغذائي، أظهرت الدراسات الميكانيكية الحيوية أن الجوانب الموجودة في العمود الفقري القطني تحمل 10٪ إلى 20٪ من الحمل الانضغاطي عندما يكون الشخص في وضع قائم، كما تزداد نسبة الحمولة الإجمالية التي يتقاسمها القرص مع الانثناء، نقل الحمل من خلال الأسطح المفصلية وكذلك من خلال أطراف الجوانب السفلية في الامتداد يخفف بعض الحمل على القرص الفقري.
