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 L5S1. 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 – 24 o dengan rata-rata 9o. Pada thoraks dan sakrum lengkungannya berbentuk konkaf ke depan yang disebut kifosis. Thoraks kifosis normalnya rata-rata 39 o 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 ligament Anterior half of vertebral body Anterior portion of annulus fibrosis Middle column: Posterior longitudinal ligament Posterior half of vertebral body Posterior aspect of annulus fibrosis Posterior column: Neural arch Ligamentum flavum Facet capsule Interspinous 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 Fractures Four subtypes described on the basis of endplate involvement are as follows: Type A: Fracture of both endplates Type B: Fractures of the superior endplate Type C: Fractures of the inferior endplate Type D: Both endplates intact 2. Burst Fractures Type A: Fractures of both endplates Type B: Fracture of the superior endplate Type C: Fracture of the inferior endplate Type D: Burst rotation Type E: Burst lateral flexion 3. Flexion-Distraction Injuries (Chance Fractures, Seat Belt-Type Injuries) Type A: One-level bony injury Type B: One-level ligamentous Type C: Two-level injury through bony middle column Type D: Two-level injury through ligamentous middle column 4. Fracture Dislocations Type 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 ala Zone 2: the region of the sacral foramina Zone 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 Injuries Type A: Compression injuries of the body (compressive forces) Type A1: Impaction fractures Type A2: Split fractures Type A3: Burst fractures Type B: Distraction injuries of the anterior and posterior elements (tensile forces) Type B1: Posterior disruption predominantly ligamentous (flexionDistraction injury) Type B2: Posterior disruption predominantly osseous (flexionDistraction 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 fractures Type C2: Flexion subluxation with rotation Type 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 TRAUMATOLOGI FAKULTAS KEDOKTERAN UNAIR – RSUD DR. SOETOMO SURABAYA 2008
14
15
