Dołącz do czytelników
Brak wyników

Biotensegracyjny model ryglowania stawów krzyżowo-biodrowych

Artykuły z czasopisma | 20 lipca 2018 | NR 70
310

W ostatniej dekadzie znacznie zmieniło się biomechaniczne rozumienie architektury ciała człowieka. Koniec XX w. przyniósł zmianę paradygmatu poznawczego. Dzięki nowym osiągnięciom technologicznym sposób postrzegania i opisywania rzeczywistości przeszedł od czysto mechanicznego punktu widzenia dominującego w XIX i XX w. w kierunku dostrzegania wszechobecnych połączeń i wzajemnych zależności.

Wszystkie pionierskie osiągnięcia ubiegłych wieków – silnik parowy i spalinowy czy drapacze chmur – opierały się na poznaniu i okiełznaniu podstawowych zasad fizyki i mechaniki. Wydaje się, że w tym modelu osiągnięto wszystko, co było możliwe. Ludzkość doszła do fizycznych granic wytrzymałości materiałów i konceptów używanych w tradycyjny sposób. Obecnie uwagę naukowców zaprząta mechanika kwantowa, zachowanie najdrobniejszych części składowych wszechświata oraz sposoby, w jakie można naśladować naturę, by np. pozyskać energię. Za dzisiejsze osiągnięcia można uznać architekturę procesorów komputerowych, drapacze chmur zdolne do adaptowania się do siły wiatru, ogniwa fotowoltaiczne, odkrycie sekwencji genomu czy chociażby aplikacje mobilne łączące ludzi w społeczności internetowe. 

Dostrzegalne jest przejście od mechanicznej newtonowskiej rzeczywistości i społeczeństwa w kierunku rozproszonego indywidualizmu, wspólnie tworzącego jeden organizm zarówno w rzeczywistości, jak i sieci internetowej. Można powiedzieć, że przechodzimy w kierunku biomimikry, czyli staramy się naśladować naturę, która mimo swojej różnorodności pozostaje jedną całością. Przykładem może być coraz powszechniejsza organizacja pracy na odległość, gdzie pracownicy firm pracują zdalnie z domu, ograniczając tym koszty dla pracodawcy oraz oszczędzając własny czas. 

Warto sobie uświadomić, że pracując nad detalami organizacji „systemów połączonych”, jest się w stanie dostroić szczegóły ich pracy tak, by były najbardziej wydajne dla korzyści ogółu. Czy nie przypomina to trochę organizmu? Czym jest ludzki organizm, jeśli nie połączeniem wielu biologicznych systemów koniecznych razem, by zapewnić homeostazę. 

Jedną ze wspólnych cech biologicznych systemów jest ich samoczynne dążenie do doskonałości. W wyniku lat ewolucji natura wytworzyła idealne rozwiązania dla podstawowych problemów, takich jak przyjmowanie i przekazywanie energii dla zabezpieczenia trwania przekazywanego z pokolenia na pokolenie kodu genetycznego.

Biotensegracja i tkanka łączna

Zmiana perspektywy postrzegania rzeczywistości oczywiście nie ominęła medycyny. Postęp technologiczny pozwolił na rozwój nowych metod badawczych. Diagnostyka dostępna obecnie znacznie różni się od tej, która była powszechna 10–20 lat temu. Można tu wymienić wszystkie funkcjonalne urządzenia rezonansu magnetycznego (RM) i tomografii komputerowej (TK), które stają się coraz bardziej dostępne również Polsce. Współczesny prężnie działający gabinet fizjoterapeutyczny może pozwolić sobie na posiadanie własnego urządzania do obrazowania ultradźwiękami, co pozwala terapeucie na sprawdzenie głębokości dotyku oraz ocenę skutków interwencji manualnych, jakie wykonał na ciele pacjenta. 

Rozwój technik obrazowania i testowania właściwości tkanki pokazał całkowicie odmienny obraz ciała. Jeżeli chodzi o rozwój zrozumienia i wiedzy na temat tkanek miękkich, można tu wymienić pionierskie metody doktora Guimberteau (www.endovivo.com)1. Użył on kamery endoskopowej, by w żywym ciele zaobserwować i nagrać zachowanie tkanki łącznej. To, co do tej pory było pomijane w pracach anatomów jako tkanka jedynie fizycznie spajająca organy i struktury w ciele, okazało się żyć własnym życiem. Te i wiele innych prac badawczych z ostatnich dwóch dekad przyczyniły się do szczególnego zainteresowania tkanką łączną w medycynie2. Okazuje się, że tkanka do tej pory uważana jedynie za „wypełniacz”, tak naprawdę jest „elastycznym kręgosłupem” ciała. Oddziela i jednocześnie łączy komory i przegrody ciała w cały organizm. Tkanka ta jest wszędzie w ciele, sięga nawet tam, gdzie nie sięga układ nerwowy. Powięź zdolna jest do przenoszenia sił i naprężeń, ale również do przenoszenia informacji w ciele z większą prędkością niż układ nerwowy. Poprzez sieć tkanki łącznej ciało jest w bezpośrednim kontakcie z otoczeniem aż do DNA (poprzez skórę, powięzi przegród i komór ciała, pozakomórkową macierz i integryny do wnętrza komórki i jej jądra3.

Tak jak sieć pająka, która mimo swojej kruchości jako całość jest w stanie wytrzymać znaczne obciążenia, tak sieć ciągłości tkanki łącznej daje jednocześnie wytrzymałość i elastyczność. Pozwala na rozproszenie na cały organizm sił grawitacyjnych oddziałujących na ciało. Często cytowane jest anegdotyczne pytanie: „Jak duży powinien być L5 przy założeniu, że kręgosłup jest konstrukcją kompresyjną z najcięższym elementem, czyli głową, na szczycie?”. Da się to wyliczyć co do milimetra dla każdego indywidualnego przypadku, jednak ogólnie można stwierdzić, mając w pamięci kształt piramid, że aby L5 był w stanie udźwignąć ciężar wszystkich kręgów oraz głowy ponad nim, musiałby być rozmiarów miednicy… A jak duży powinien być, by móc wytrzymać obciążenia ponad 300 kg, gdy ciężarowiec unosi sztangę z ciężarem ponad głowę? 

Oczywiście człowiek nie jest zbudowany w modelu kompresyjnym, czyli tak jak kolumna, w której cegła umieszczona jest na cegle, a ta pierwsza przy podłożu musi dźwigać ciężar całej konstrukcji. Ciało człowieka to konstrukcja biotensegracyjna – z połączenia słów bio – tension – integrity. Dosłownie tłumacząc, można by powiedzieć, że biotensegracja to biologiczna spójność osiągnięta dzięki naprężeniu. Konstrukcja taka, dzięki strategicznie rozmieszczonym częściom składowym, jest w stanie rozproszyć oddziałujące na nią siły, tak by cała konstrukcja równomiernie ponosiła to obciążenie. Podobnie zbudowana jest większość otaczającego świata – od liści na drzewach, kształtu kropli deszczu, do regularnego rozmieszczenia wiązań chemicznych i atomów w kryształach. Zasada wydaje się więc jedna na wielu poziomach skali, gwarantując wydajność użycia materiałów i efektywność konstrukcji. Natura w piękny sposób z minimalnym udziałem elementów składowych potrafi odnaleźć najlepsze rozwiązanie konstrukcyjne.

Dla większości ludzi modele konstrukcji tensegracyjnych nie są niczym nowym (zdj. 1). Oczywiście najbardziej znane są konstrukcje Kenetha Snelsona (www.kennethsnelson.net). Wiele zdjęć i artykułów na temat tensegracji można znaleźć na stronie Stephena Levina (www.biotensegrity.com), a z ciekawych prac warto wymienić książkę Grahama Scarra (www.tensegrityinbiology.co.uk)4. Jedną z cech wspólnych układów tensegracyjnych jest tworzenie stabilnej i zdolnej do adaptacji konstrukcji oraz niedopuszczanie do powstawania punktów nadmiernej kompresji. Budowane modele różnią się skalą i konstrukcją. Można wśród nich znaleźć również te budowane przez Toma Flemmonsa, które symulują naprężenia otaczające kości w ciele (www.intensiondesigns.com).

Modele tensegracyjne

Model tensegracyjny zdaje się doskonale pasować do ducha obecnych czasów, próby zrozumienia obecnej rzeczywistości i ludzkich aspiracji. W jaki sposób jednak można za jego pomocą wytłumaczyć skomplikowaną biomechanikę ciała? Wiadomo, że nawet tak podstawowa czynność, jak chód, jest trudna do pełnego i przekonującego biomechanicznego wytłumaczenia. Naukowcy przyrównują akt chodu do kontrolowanej utraty równowagi w momencie odepchnięcia palcem od podłoża i natychmiastowego odzyskiwania jej, gdy przeciwna noga dotyka piętą podłoża. 

Wielu fizjoterapeutów uczyło się według modelu, w którym tułów był „pasażerem”, a kończyny dolne i miednica „pojazdem”. Czy na pewno tak jest? Czy kończyny dolne poruszają się tylko i wyłącznie dzięki znajdującym się na nich mięśniom? Każdy wie, że znacznie wygodniej idzie się czy biegnie, gdy tułów naprzemiennie współpracuje z działaniem kończyn dolnych. Jeszcze lepiej, gdy chód czy bieg połączony jest z naprzemiennymi ruchami ramion. Zaczynamy dostrzegać, a dzięki rozwojowi technologii można sprawdzić i potwierdzić lub nie, w jaki sposób najodleglejsze krańce ciała biomechanicznie współpracują ze sobą, by efektywnie wypełnić określoną funkcję. Ciało jest zaprojektowane w bardzo wyrafinowany sposób. Tam, gdzie tylko jest to możliwe, dąży do minimalizacji i zachowania własnej energii. Aby to osiągnąć, natura wykorzystuje „darmowe” źródła energii. Można tu wymienić grawitację i energię elastyczną tkanek miękkich. Za każdym razem, gdy ciało przemieszcza się w przestrzeni, jego waga stale odbywa pewnego rodzaju grę z grawitacją i siłami reakcji podłoża. 

Gdy człowiek stawia pierwszy krok w przód i dotyka pietą podłoża, grawitacja „wciska” nasze ciało w kierunku ziemi (energia potencjalna grawitacji), co wywołuje określone przemieszczenia szkieletu i kości stopy, a to z kolei powoduje, że tkanki miękkie ulegają rozciągnięciu (energia potencjalna sprężystości) i przez to stają się naładowane potencjalną energią elastyczną. Gdy tkanka łączna poddawana jest dynamicznym, chwilowym i najlepiej rytmicznym rozciągnięciom, jest zdolna do przyjęcia i oddania energii sprężystości z minimalnymi stratami. Wydajność tkanki łącznej porównuje się do wydajności stali, która naprężona oddaje praktycznie taką samą ilość energii sprężystości w momencie, gdy naprężenie to jest uwolnione. Zostaje ona zwrócona, gdy osiągnie określony poziom naładowania/rozciągnięcia. 

Gdy tkanki miękkie powracają do swojej pierwotnej długości, powoduje to określone ruchy szkieletu, co w efekcie wypycha ciało ku górze i daje szanse na postawienie drugiego kroku. Utratę i odzyskanie energii potencjalnej grawitacji najłatwiej dostrzec, obserwując idącą przed nami osobę. Głowa tej osoby (całe ciało) będzie przemieszczała się z góry na dół – potencjalna energia grawitacji, gdy ciało opada w dół, zamieniana jest na potencjalną energię sprężystości tkanek miękkich, która oddana pociąga i popycha szkielet i całe ciało ku górze, przywracając tym potencjalną energię grawitacji potrzebną do następnego kroku. 

Grawitacja i ryglowanie stawów krzyżowo-biodrowych 

W trakcie chodu musi dojść do serii kompresji i ryglowań kości, by przenieść energię reakcji sił podłoża przez ciało. W momencie postawienia pięty grawitacja wciska organizm w podłoże, które z równą siłą wypycha ciało w przeciwnym kierunku. Bardzo łatwo to odczuć. Wystarczy przypomnieć sobie, jak szybko organizm się męczy, gdy musi pokonać dłuższą odległość po miękkim piasku. Podłoże nie jest twarde, więc siły reakcji podłoża zostają rozproszone, aby się przemieszczać, musimy użyć więcej własnej energii. Reakcja podłoża jest jedną z sił, które powodują, że można przemieszczać się z miejsca na miejsce.

Grawitacja w połączeniu ze specyficzną budową anatomiczną elementów kostnych ciała powoduje przeniesienie sił na tkankę łączną, która przyjmując te naprężenia, ulega rozciągnięciu, po czym jest w stanie, dzięki swoim właściwościom sprężystości, oddać tę siłę w odwrotnym kierunku, czyli z tkanek miękkich do elementów kostnych, co z kolei powoduje ruch. Aby w trakcie chodu mechanizm ten mógł poprawnie działać, potrzebne jest kilka elementów. Jednym z pierwszych jest ruch przechylenia środkowego kości piętowej w momencie kontaktu pięty z podłożem w trakcie pierwszej fazy chodu. Ruch ten następuje samoczynnie dzięki specyficznej i predysponującej do tego budowy kości piętowej5.

Kolejnym przykładowym miejscem, w którym kompresja i grawitacja są kluczowymi czynnikami, są płaskie stawy krzyżowo-biodrowe. Celowo użyto tu słowa „kluczowy”, gdyż poniższy opis procesu ryglowania stawów biodrowo-krzyżowych można przyrównać do zamykania i otwierania zespołu miednicy i dolnego odcinka kręgosłupa, gdzie grawitacja, kompresja i współudział tkanki łącznej czyni to możliwym.

Wyróżnia się dwa sposoby ryglowania: jedne wymuszone kształtem struktur, drugie poprzez użycie sił zewnętrznych dociskających zamknięcie (zdj. 2A–C)6.

Badania Andry’ego Vleeminga
 

W 1980 r. Andry Vleeming na Uniwersytecie w Rotterdamie powołał kliniczną anatomiczną grupę badawczą, której celem były studia nad odcinkiem lędźwiowym i miednicą, zarówno z perspektywy anatomicznej, jak i klinicznej. Rezultaty badań rzuciły nowe światło na sposób, w jaki ciało działa funkcjonalnie. Anatomiczne i biomechaniczne badania obszaru lędźwiowo-miednicznego zyskały uznanie na całym świecie, a rezultaty zostały wdrożone do programów leczenia pacjentów z dysfunkcjami tej okolicy7

Częścią mechanizmu statycznego ryglowania stawów są symetryczne prążki na ich powierzchni, które zapobiegają ślizganiu się, oraz sam kształt owych powierzchni – porównanych przez Vleeminga do śruby napędowej statku oraz najbardziej oczywisty – klinowy kształt kości krzyżowej, która pod wpływem grawitacji zaciska stawy biodrowo-krzyżowe razem. 

Dużo bardziej skomplikowany jest aktywny mechanizm ryglowania z użyciem sił zewnętrznych. Vleeming i wsp. zauważyli, że same więzadła krzyżowo-biodrowe nie są w stanie samodzielnie zapewnić wystarczającej stabilności i zdolności adaptacyjnych, jakie są wymagane od stawów (tab. 1). Wcześniej uważano, że więzadła stawów stanowią główny element stabilizujący je podczas ruchów. Bazując na badaniach nad właściwościami tkanki łącznej, wiadomo jednak, że odkształca się ona pod wpływem stałego w czasie statycznego obciążenia i tylko do pewnego stopnia ma zdolności elastyczne i możliwość powrotu do pierwotnego kształtu. Tkanka łączna poddana długotrwałym statycznym obciążeniom po przejściu punktu krytycznego nie jest w stanie szybko odzyskać pierwotnej długości. Jest to rezultat „zmęczenia materiału”. Badania pokazują, że czas rozpadu i syntezy kolagenu, który obok elastyny jest jednym z głównych składników powięzi, jest długi i wszelkie działania podejmowane w kierunku pracy nad tkanką łączną muszą brać to pod uwagę (zdj. 3). 

Aby mechanizm ryglowania i stabilizacji stawów krzyżowo-biodrowych mógł funkcjonować poprawnie, potrzebna jest harmoniczna praca mięśni grzbietu w połączeniu
z tkankami miednicy i kończyn dolnych. Mięśnie, które mają tu najbardziej oczywisty i bezpośredni wpływ, to oczywiście mięśnie skośne brzucha i mięsień poprzeczny brzucha. Można dostrzec również wpływ innych struktur (tab. 1). Vleeming zaznaczył tu jedynie główne kierunki przebiegu ciągów mięśniowo-powięziowych, które wspomagają mechanizm stabilizacji stawów krzyżowo-biodrowych (tab. 2).

W modelu Vleeminga Lee wyodrębniła jeszcze bardziej szczegółowe mechanizmy wspomagające ryglowanie stawów krzyżowo-biodrowych8:

  • segmentarne usztywnienie – rekrutacji lokalnych mięśni posturalnych, tak by wytworzyć usztywnienie zapobiegające niefizjologicznym ruchom między segmentami,
  • kompresyjne aktywne ryglowanie – zwiększenie kompresji na staw bezpośrednio przez mięśnie przebiegające przez niego bądź pośrednio poprzez mięśnie położone z jednej lub drugiej strony stawu, jednak wywierające na nie wpływ ze względu na swoje mechaniczne połączenia,
  • aktywne ryglowanie będące wynikiem przyjętej pozycji – przyjęcie pozycji dociskającej powierzchnie bądź pozycji stabilnej,
  • kontrola skręceń rotacyjnych – naprzemienna aktywacja małych jednostawowych mięśni kręgosłupa ponad i poniżej segmentu, który jest ekscentrycznie rozciągany.

 

Tab. 1. Rola i położenie więzadeł
Więzadła Położenie Rola
krzyżowo-guzowe od tylnej części kości biodrowej do tylnej i bocznej części kości krzyżowej, następnie włókna skręcają się i biegną do guza kości kulszowej ogranicza nutację
krzyżowo-guzowe od brzegu bocznego dolnej części kości krzyżowej i dolnej części 
kości guzicznej do kolca kulszowego
pociąga za kość kulszową 
w relacji do kości krzyżowej
międzykostne 
krzyżowo-biodrowe
między grzebieniem krzyżowym bocznym a guzowatością biodrową  raczej nie wpływa na stabilizację stawu, spekuluje się nad jego rolą w propriocepcji
krzyżowo-biodrowe grzbietowe długie przebiega nad więzadłem międzykostnym od grzebienia krzyżowego bocznego na wysokości S3 i S4 do kolca biodrowego tylnego górnego (KBTG) i wargi wewnętrznej grzebienia biodrowego ogranicza kontrnutację
biodrowo-lędźwiowe dzieli się na pięć pasm: przednie, górne, dolne, pionowe i tylne
  • pasmo przednie: dolna części wyrostka poprzecznego kręgu L5 i biegnie do brzegu przedniego grzebienia biodrowego 
  • pasmo tylne: zaczyna się wspólnie z pasmem górnym, ale dochodzi do guzowatości biodrowej
  • pasmo dolne: od trzonu i dolnej krawędzi wyrostka poprzecznego L5, skośnie ku dołowi do dołu biodrowego
  • pasmo p...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 11 wydań czasopisma "Praktyczna Fizjoterapia i Rehabilitacja"
  • Nielimitowany dostęp do całego archiwum czasopisma
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy