Shape and function of the lumbar spine and the pelvis in the laboratory, in daily life and in the workplace

Abstract

Introduction Causes of low back pain (LBP) are multidimensional, ranging from genetic disposition to psychosocial problems. Moreover, anatomical and mechanical factors, such as the individual shape and function of the lumbar spine and its relationship with the pelvis, a lack of motion in daily life or working in constrained positions have been discussed as being related to LBP. The aim of my dissertation was to investigate these factors in asymptomatic volunteers in four studies in different settings and to explore the impact of age and gender. These data are necessary for better understanding the development of degenerative spinal diseases, for clinical planning of spinal surgeries, for the design of age- and gender specific LBP-therapies, for biomechanical testing of spinal implants as well as for optimizing prevention methods in the workplace. Method Using a non-invasive measurement tool, the form and function of the lumbar spine and sacrum (as a representation of pelvic orientation) when standing and their interrelation in motion were assessed in a standardized choreography under laboratory conditions. The spinal shape and the number of spinal motions were also assessed over a 24-hour period in daily life. Moreover, effects of age and gender were investigated. Using the example of a sedentary workplace, a less active part of daily life was additionally analyzed, and the shape of spine and pelvis, as well as spinal motion was investigated during sitting on different furniture types. Results Lumbar lordosis (difference of 7.4° between the oldest and the youngest cohort) and its mobility in flexion (difference of 6.2°) decreases with age. During aging the pelvic orientation changes while standing (reduction in the sacrum angle of 6.6°) as well as the interrelation between lumbar spine and the pelvis during mobility (decrease in L/P ratio of 0.15), which is additionally affected by gender (L/P ratio females: 0.68, males: 0.81). For the first time, the number of spinal movements was evaluated in relation to age and gender in daily life, resulting in 4400 movements, with females moving more (29%) than males. In the workplace it was demonstrated that, although expected, the tested furniture did neither affect lumbar lordosis nor increase motion in the long run, however influenced the pelvic orientation. Conclusions LBP-influencing factors first need to be assessed in relation to age and gender to differentiate between asymptomatic and pathologic spinal movement patterns. A loss in lordosis and RoM and a change in movement pattern during upper body bending occurs in asymptomatic subjects and is part of the natural aging process. These age-effects as well as the significant difference in lordosis in daily life compared to the clinical reference assessment have mostly not been considered in surgical planning and LBP-therapies till today, although they might have implications for long-term success rates. The number of spinal movements within 24 hours, which was for the first time investigated, is of importance for manufacturers of spinal implants as these need realistic and valid values for testing their implants regarding fatigue strength. Regarding LBP prevention in the workplace by increasing spinal motion, it was shown that investigated furniture do not lead to any success and that new methods need to be developed to optimize activity in the occupational setting [1-4].

Einleitung Die Ursachen für die Entstehung von Rückenschmerzen sind multifaktoriell und reichen von genetischer Disposition bis zu psychosozialen Problemen. Aber auch anatomische und mechanische Einflussfaktoren wie die individuelle Form und Beweglichkeit der Lendenwirbelsäule und das Zusammenspiel mit dem Becken, sowie Bewegungsarmut im Alltag oder physische Belastungen am Arbeitsplatz werden immer wieder mit der Entstehung von Rückenschmerzen in Verbindung gebracht. Ziel meiner Dissertation war es, anhand von vier Studien in verschiedenen Settings, Information über diese Faktoren an rückenschmerzfreien Probanden zu gewinnen und den Effekt von moderierenden Variablen wie Alter und Geschlecht zu untersuchen. Diese Untersuchungen und Ergebnisse sind notwendig für ein besseres Verständnis der Entstehung von degenerativen Wirbelsäulenerkrankungen, die klinische Planung von Wirbelsäulen-OP-Verfahren, die Gestaltung alters- und geschlechtsspezifischer Rückenschmerz-Therapieverfahren, die biomechanische Testung und das Design von Implantaten sowie für die Optimierung von Präventionsverfahren am Arbeitsplatz. Methodik Mithilfe eines nicht-invasiven Messgeräts wurden Form und Funktion der Lendenwirbelsäule und des Beckens sowie deren Zusammenspiel in einer standardisierten Bewegungschoreographie unter Laborbedingungen untersucht. Die Form der Wirbelsäule sowie die Anzahl an Bewegungen wurden ebenfalls im Alltag über 24 Stunden bestimmt. Ferner wurde der Einfluss von Alter und Geschlecht analysiert. Am Beispiel eines Computerarbeitsplatzes wurde zusätzlich ein bewegungsarmer Teil des Alltags untersucht und die Wirbelsäulenform und Beckenorientierung sowie die Wirbelsäulenbewegung auf verschiedenen Sitzmöbeln evaluiert. Ergebnisse Sowohl die Lendenlordose (Unterschied von 7,4° zwischen ältester und jüngster Kohorte) als auch deren Beweglichkeit in Flexion (6,2° Unterschied) nimmt mit dem Alter ab. Ebenfalls verändert sich mit dem Alter signifikant die Beckenorientierung im Stand (Abnahme des Beckenwinkels: 6,6°) sowie das Verhältnis zwischen Wirbelsäule und Becken während der Bewegung (Lumbopelvic (L/P) Ratio Abnahme: 0,15), welches auch geschlechtsspezifische Unterschiede (L/P Ratio Frauen: 0,68, Männer: 0,81) zeigt. Alters- und geschlechtsdifferenziert wurden erstmalig Wirbelsäulenbewegungen im Alltag erfasst (Median von 4400 Bewegungen insgesamt) wobei sich Frauen deutlich mehr (29%) bewegten als Männer. Am Arbeitsplatz konnte gezeigt werden, dass verschiedene aktive Sitzmöbel, entgegen der Erwartung, die Lendenlordose nicht beeinflussen, langfristig keine Bewegungssteigerung erzielen, jedoch zu einer Veränderung in der Beckenkippung führen. Schlussfolgerung Rückenschmerz- Einflussfaktoren müssen zunächst alters- und geschlechtsdifferenziert betrachtet werden um Unterschiede zwischen asymptomatischen und pathologischen Bewegungsmustern ausfindig zu machen. Eine Abnahme der Lordose sowie des Bewegungsumfangs und eine Veränderung im Bewegungsmuster bei der Vorwärtsbeuge treten bei asymptomatischen Probanden auf und sind Teil des natürlichen Alterungsprozesses. Diese Alterungseffekte sowie die deutliche Abweichung der durchschnittlichen Wirbelsäule im Alltag von der klinischen Referenzmessung blieben bisher in OP-Planungen und Rückenschmerz-Therapien meist unberücksichtigt, können jedoch deutlichen Einfluss auf die Erfolgsquoten haben. Implantat-Hersteller können mit der erstmals gewonnenen Angabe über die Anzahl der Wirbelsäulenbewegungen im Alltag das Design und die Dauerfestigkeit ihrer Implantate optimieren. Bezüglich der Prävention von Rückenschmerzen durch gesteigerte Bewegung im betrieblichen Setting konnten die untersuchten Sitzmöbel nur unzureichende Erfolge zeigen. Hier gilt es neue Maßnahmen zu entwickeln oder dem Bewegungsmangel am Arbeitsplatz durch Bewegung im Alltag vorzubeugen [1-4].