Biomekanika Spine

Sistem muskuloskeletal batang tubuh terdiri dari spine (tulang

belakang), tulang iga, pelvis dan fasia serta otot-otot yang terkait. Spine

terdiri dari 24 semirigid presacral vertebra yang dipisahkan oleh diskus

interveretebra yang relatif fleksibel, bersama 7 ligamen intervertebra yang

terbentang pada setiap set vertebra, dan 2 sendi sinovial pada setiap

vertebra yang disebut sebagai zygapofiseal atau sendi facet. Spine dibagi

menjadi 4 regio : servikal, thoraks, lumbal dan sakral. Sakral-coccyx

dibentuk oleh 9 vertebra yang terfusi menjadi satu tulang yang

berartikulasi dengan dua tulang ilium (innominate bones) untuk

membentuk pelvis.

Tulang dan Sendi

Vertebra

Pengecualian pada vertebra servikal bagian atas (C1 dan C2) yang

dikenal sebagai atlas dan aksis, setiap vertebra memiliki struktur anterior

yang disebut sentrum vertebral dan sebuah kompleks konfigurasi dari

struktur posterior dan lateral. Konfigurasi ini membentuk struktur penting

seperti arkus neural yang dibangun oleh pedikel dan lamina, dan

membentuk kanal spinal. Prosesus spinosus dan transversus merupakan

tempat perlekatan otot. Setiap vertebra memiliki artikular prosesus

superior kanan dan kiri serta inferior kanan dan kiri, yang secara

berdampingan akan membentuk sendi facet kanan dan kiri.

1

Sentrum vertebra terdiri dari tulang trabekular yang dikelilingi oleh

lapisan kortikal yang tipis. Sentrum merupakan penahan utama terhadap

beban kompresi dan shear. Sisi superior dan inferior vertebra disebut

vertebral end plate, dimana pada orang dewasa muda, di bagian tengah

dari end plate ditutupi oleh lapisan tipis kartilago hyalin (1 mm).

Segmen atas vertebra servikalis

Struktur C-1 dan C-2 sangat spesial karena memfasilitasi ruang

gerakan yang luas bagi kepala. Vertebra C-1 yang menopang kepala

adalah tulang yang berbentuk cincin yang memiliki sendi facet superior

yang baik. Dens merupakan sentrum C-2, memanjang secara vertikal dan

membentuk aksis longitudinal dengan C-1 dan rotasi kepala. Gerakan

sekitar aksis ini ditopang oleh ligamen transversus dan ligamen odontoid

yang kuat dan sendi facet occiput-C1 dan C1-2.

Diskus intervertebralis

Diskus intervertebralis merupakan struktur avaskukar terbesar di

tubuh manusia, berperan sebagai pembatas yang fleksibel antar vertebra

dan menahan beban kompresi yang disebabkan oleh gravitasi dan

kekuatan otot. Diskus normal bersifat seperti sebuah dinding yang tebal

yang dibentuk oleh anulus berisi cairan bertekanan. Diskus terdiri dari dua

regio yakni nukleus pulposus bagian dalam dan anulus fibrosus.

Ketika beban aksial melewati diskus, kekuatan eksternal tersebut

akan ditahan oleh beberapa mekanisme antara lain peningkatan tekanan

2

nukleus. Ketika diskus dalam keadaan steady state hidrasi, tekanan

osmotik dibangun oleh hydrated proteoglikan yang ada di dalam nukleus

dan membuat keseimbangan dengan stres yang terjadi. Jika intensitas

stres semakin meningkat, air akan didorong keluar dari diskus sampai

steady state tercapai. Jika stres menurun maka diskus akan mengalami

rehidrasi kembali.

Nutrisi diskus berasal dari difusi pembuluh darah yang ada di

sekitar anulus dan melalui kapiler dasar yang berdekatan dengan

kartilago end plate.

Sendi facet

Sendi facet khususnya pada kapsul sendinya kaya akan inervasi

saraf sehingga bisa menjadi sember dari beberapa nyeri. Sendi facet

secara serangkai menopang gerakan lekukan lateral dan torsi aksial.

Permukaan sendi facet sendiri sangat kompleks dan nonplanar. Sebagai

contoh, pada vertebra lumbalis bagian atas, permukaan sendi facet yang

berlawanan cenderung pada bidang sagital sehingga aksial rotasi akan

terbatas. Semakin ke kaudal, permukaan sendinya cenderung pada

bidang frontal.

Berdasarkan pengukuran dengan menggunakan CT scan, rata-rata

sudut antara permukaan facet kanan dan kiri pada bidang melintang

meningkat dari 74o pada L3-4 menjadi 96o pada L4-5 dan 106o pada L5-

S1. Meskipun demikian, terjadi variabilitas yang besar pada level L5-S1,

dimana nilainya berkisar antara 36o – 180o. Luas area sendi facet pada

3

vertebra lumbalis berkisar antara 100 sampai 350 mm2. Kedua sendi facet

(kanan dan kiri) tidak selalu simetris. Ketidaksimetrisan ini disebut

sebagai facet tropism.

Pada beberapa studi tentang sifat mekanikal sendi facet

menunjukkan bahwa sendi facet mampu menahan 10% - 20% beban

kompresi spinal pada posisi berdiri dan lebih dari 50% terhadap beban

anterior shear pada posisi fleksi ke depan.

Tekanan kontak sendi facet juga bisa diukur dimana pada posisi

torsi sendi facet menahan beban kompresi yang berat. Hasil

pengukurannya berkisar antara 4 – 26 Nm/kPa. Tekanan facet yang

tertinggi tercatat pada posisi torsi, fleksi dan kompresi. Tekanan sendi

facet juga meningkat jika terjadi penurunan tinggi diskus, dimana rata-rata

tekanan akan meningkat menjadi 36% untuk kehilangan setiap 1 mm

ketinggian diskus dan 61% untuk kehilangan 4 mm ketinggian diskus.

Kekuatan Vertebra

Telah dilakukan beberapa studi tentang kekuatan kompresi

vertebra, antara lain : 1.5 kN pada C-3 sampai 2.0 kN pada T-1, 2.5 kN

pada T-8, 3.7 pada T-12 dan 5.7 kN pada L-5.

Gerak kekakuan segmen

Pengetahuan tentang sifat pemindahan beban (load-displacement

behaviour) dari spine dan komponennya, diperlukan analisis biomekanikal

fungsi spine. Uji mekanikal spine biasanya menggunakan 2 vertebra dan

4

jaringan lunak yang terkait yang disebut sebagai gerak segmen spine

atau unit fungsional spine. Menentukan kemampuan pemindahan beban

didapatkan dengan cara memegang vertebra yang di bawah dan

memberikan tekanan pada vertebra di atasnya, maka bisa diukur secara

langsung hasil pemindahannya. Dengan cara ini bisa ditentukan koefisien

fleksibilitas matriks.

Vertebra servikalis

Kemampuan kompleks occiput-C1-2 terhadap tes moment 0.3 Nm

menghasilkan skala rotasi dari 3o pada lengkungkan lateral sampai 14.5o

pada torsi aksial di C1-2, dan 16o pada ekstensi di occiput-C1.

Vertebra thorakalis

Rata-rata nilai kekakuan vertebra thorakalis berkisar dari 100 N/mm pada

lateral shear sampai 900 N/mm pada anterior atau posterior shear, dan

1250 N/mm pada kompresi. Kekakuan rotasional sekitar 2 -3 Nm/deg

pada fleksi, ekstensi, lengkungan lateral dan torsi aksial.

Vertebra lumbalis

Kekakuan gerak segmen lumbalis berkisar dari 600 – 700 N/mm pada

kompresi aksial, dan 100 – 200 N/mm pada anterior, posterior atau lateral

shear. Kekakuan rotasional berkisar dari 1 – 2 Nm/deg pada fleksi,

ektensi, dan lengkungan lateral, dan 6.8 Nm/deg pada torsi aksial.

Sendi sakroiliak

Sifat pemindahan beban pada sendi sakroiliak orang dewasa berkisar 100

– 300 N/mm pada superior, inferior, anterior dan posterior shear.

Kekakuan lengkungan terendah 7 Nm/deg pada torsi aksial, 12 Nm/deg

5

pada ekstensi, dan tertinggi 16 Nm/deg dan 30 Nm/deg pada fleksi dan

lengkungan lateral.

Ligamen

Ligamen spine terdiri dari ligamen longitudinal anterior dan posterior,

ligamen flavum, ligamen inter- dan supraspinosus, ligamen

intertransversus. Kekuatan tensil ligamentum flavum berkisar 5 – 18 N

(tergantung umur), dan stres failure berkisar 2 – 10 MPa pada

ketegangan 30 – 70%. Ligamen longitudinal failed pada 20 MPa dengan

beban 180 N (posterior) dan 340 N (anterior).

Konfigurasi spine

Pada lateral view, spine menunjukkan ada 4 lengkungan, yakni :

pada servikal dan lumbal setiap lengkungan bentuknya konkaf ke

belakang yang disebut lordosis. Servikal lordosis berkisar 2 – 24o dengan

rata-rata 9o. Pada thoraks dan sakrum lengkungannya berbentuk konkaf

ke depan yang disebut kifosis. Thoraks kifosis normalnya rata-rata 39o

dengan kisaran 22 – 56o. Lordosis lumbal secara normal rata-rata 57o

dengan kisaran 38 – 75o. Sudut lumbosakral oleh Ferguson ditentukan

dari bidang atas end plate S1 terhadap bidang horizontal. Pada posisi

berdiri sudut lumbosakral rata-rata 41o dengan kisaran 26 – 57o.

6

KLASIFIKASI FRAKTUR SPINE

Denis Classification

The three-column model according to Denis :

Anterior Column:Anterior longitudinal ligamentAnterior half of vertebral bodyAnterior portion of annulus fibrosis

Middle column:Posterior longitudinal ligamentPosterior half of vertebral bodyPosterior aspect of annulus fibrosis

Posterior column:Neural archLigamentum flavumFacet capsuleInterspinous ligament

Gambar 1. Pembagian column vertebra menurut Denis

7

Based on the three-column model, fractures are classified according to the mechanism of injury and the resulting fracture pattern into one of the following categories :

1. Compression FracturesFour subtypes described on the basis of endplate involvement are as follows:Type A: Fracture of both endplatesType B: Fractures of the superior endplateType C: Fractures of the inferior endplateType D: Both endplates intact

2. Burst Fractures Type A: Fractures of both endplatesType B: Fracture of the superior endplateType C: Fracture of the inferior endplateType D: Burst rotationType E: Burst lateral flexion

3. Flexion-Distraction Injuries (Chance Fractures, Seat Belt-Type Injuries)Type A: One-level bony injuryType B: One-level ligamentousType C: Two-level injury through bony middle columnType D: Two-level injury through ligamentous middle column

4. Fracture DislocationsType A: Flexion-rotation. Posterior and middle column fail in tension and

rotation; anterior column fails in compression and rotation;75% have neurological deficits, 52% of these are complete lesions.

Type B: Shear. Shear failure of all three columns, most commonly in the postero-anterior direction; all cases with complete neurological

deficits.Type C: Flexion-distraction. Tension failure of posterior and middle

columns, with anterior tear of annulus fibrosus and stripping of the anterior longitudinal ligament; 75% with neurological deficits (all incomplete).

Sacral Fractures Denis Classification

Zone 1: the region of the alaZone 2: the region of the sacral foraminaZone 3: the region of central sacral canal

8

René Louis Classification

According to Louis, the spine has three vertical and one horizontal pillars. The vertical pillars or the vertical columns consist one big anterior column and two posterior columns.

The anterior column consists of the vertebral bodies and the intervertebral disc. The posterior columns of the right and left facet joints. The horizontal pillars consist of right and left pedicle, and right and left laminae. Each vertical column is given one point, whereas the horizontal column is given a point half each. From these separate values, the coefficient of stability of the spine can be measured. According to this criteria, the spine considered unstable, if the coefficient of instability is more than or equal to two (C.I. ≥ 2).

Orthopaedic Trauma Association (OTA) Classification Of Cervical, Thoracic and Lumbar Spine InjuriesType A: Compression injuries of the body (compressive forces)

Type A1: Impaction fracturesType A2: Split fracturesType A3: Burst fractures

Type B: Distraction injuries of the anterior and posterior elements (tensile forces)

Type B1: Posterior disruption predominantly ligamentous (flexion- Distraction injury)

Type B2: Posterior disruption predominantly osseous (flexion- Distraction injury)

Type B3: Anterior disruption through the disk (hyperextension-shear injury)Type C: Multidirectional injuries with translation affecting the anterior and posterior elements (axial torque causing rotation injuries)

Type C1: Rotational wedge, split, and burst fracturesType C2: Flexion subluxation with rotationType C3: Rotational shear injuries (Holdsworth slice rotation fracture)

9

Pemeriksaan Radiologis Pada Spine

Pada trauma spine kadang-kadang tanpa diikuti oleh gejala nyeri

ataupun defisit neurologis. Skrining radiologis dibutuhkan untuk

memperjelas patologi yang terjadi, sehingga plain foto merupakan hal

yang rutin dilakukan untuk mendeteksi adanya kelainan. Jika terdeteksi

adanya kelainan pada spine, maka perlu dipertimbangkan pemeriksaan

CT scan rekonstruksi sagital dan koronal. Magnetic resonance imaging

(MRI) perlu dipertimbangkan jika ada defisit neurologis walau tanpa ada

kelainan pada plain foto dan CT scan.

Tujuan utama dari pemeriksaan radiologis pada trauma spine

adalah untuk memperoleh gambaran yang jelas tentang derajat

kerusakan dan perubahan lain akibat trauma spine. Selain itu, diharapkan

juga bisa diperoleh informasi tentang stabilitas dan instabilitas spine.

Plain Foto

Anteroposterior (AP) view

Pada foto AP sangat baik untuk menggambarkan adanya

perubahan pada alignment koronal, seperti adanya perubahan jarak

interpedikular dan jarak antara prosesus spinosus. Adanya deformitas

berupa translasi koronal menunjukkan trauma high energy dan instabilitas

mekanik. Pelebaran (widening) yang abnormal dari jarak interpedikular

menunjukkan adanya lateral displacement dari fragmen body vertebral,

khas pada burst fraktur. Peningkatan jarak yang abnormal antara

10

prosesus spinosus menunjukkan adanya disruption kompleks ligamen

posterior. Adanya translasi baik pada bidang koronal maupun sagital yang

lebih dari 2,5 mm merupakan adanya kegagalan diskoligamen dan

instabilitas.

Lateral view

Pada lateral view dapat ditentukan karakteristik trauma dan deteksi

trauma. Kuantifikasi alignment pada bidang sagital dapat digunakan

metode Cobb, dengan mengukur sudut yang dibuat dari superior dan

inferior end plate yang intak atau segmen yang tidak terkena trauma.

Kehilangan ketinggian body vertebra (vertebral height body loss) dapat

diukur dengan membandingkan tinggi vertebra yang terkena trauma

dengan vertebra yang tidak terkena trauma. Perbandingan secara

terpisah antara tinggi anterior dan posterior dari vertebra dapat diperoleh

hasil yang lebih akurat lagi, khususnya pada kompresi vertebra. Kifosis

segmental yan lebih dari 30o menurut beberapa peneliti merupakan titik

kritis terjadinya posterior ligamen kompleks disruption. Berdasarkan data

biomekanikal in vitro, kehilangan tinggi body vertebra >50% merupakan

indikator kuat dari instabilitas posterior.

Oblique view

Gambaran oblik tidak rutin dilakukan (dilakukan pada trauma

servikal), tetapi gambaran ini dilakukan untuk membantu konfirmasi

adanya subluksasi atau dislokasi sendi facet. Supine oblique 45o dapat

melihat dengan lebih jelas foramena intervertebralis dan sendi facet. Tapi

11

view lebih baik untuk melihat sendi facet adalah dengan posisi pasien log

roll 22,5o terhadap bidang horizontal.

Computed Tomography

CT scan dapat memberikan gambaran yang lebih detail tentang

bagian tulang yang terkena trauma. Bagian atau segmen yang terdeteksi

dapat dibuat potongan bidang yang kurang dari 2 mm melalui

rekonstruksi koronal dan sagital. Gambaran aksial dapat diperoleh derajat

canal compromise akibat dari fragmen retropulsi, tapi canal compromise

akibat deformitas translasi seperti dislokasi sering tidak terdeteksi kalau

hanya gambaran aksial saja. CT scan dapat menentukan derajat

kominusi pada body vertebral yang terkena trauma. Selain itu, fraktur

pedikel, lamina, facet dan prosesus transversus dapat dideteksi dan

dinilai dengan baik melalui CT scan. Empty atau naked facet sign

merupakan tanda khas adanya dislokasi facet.

Magnetic Resonance Imaging (MRI)

MRI dapat memberikan gambaran yang sangat jelas tentang spinal

cord dan jaringan lunak. MRI dapat mengevaluasi pasien dengan defisit

neurologis walau tanpa adanya trauma pada tulang ataupun ligamen.

Dengan MRI dapat dideteksi herniasi diskus, hematom epidural dan

edema spinal cord.

12

Rujukan Kepustakaan

1. Schultz AB, Miller AA. Biomechanics of the Human Spine. In Mow VC, Hayes WC, editors. Basic Orthopaedic Biomechanics. New York : Raven Press,Ltd. 1991. pp. 337-68.

2. Bucholz RW, Heckman JD, Brown CC. Rockwood and Green’s: Fracture in Adult. Vol 2 sixth edition. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2006.

3. Grundy D, Swain A. ABC of Spinal Cord Injury. Fourth edition. London: BMJ Publishing Group, 2002.

4. Hu R. Fractures of the Spine. In Schatzker J, Tile M. editors. The Rationale of Operative Frcature Care. Third Edtion. Germany: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005. pp.193-237.

13

Biomekanika, Klasifikasi dan Pemeriksaan Radiologi Pada Trauma Spine

Oleh

Husna Dharma Putera

PROGRAM STUDI ORTHOPAEDI DAN TRAUMATOLOGIFAKULTAS KEDOKTERAN UNAIR – RSUD DR. SOETOMO

SURABAYA

14

2008

15