Het onderhuidse ritme van een eilandje van bot

Het schoudergewricht is niet zomaar een scharniertje. Borstbeen, sleutelbeen, schouderblad en bovenarm vormen met de zeventien spieren die eraan vast zitten een zeer beweeglijk geheel. In tegenstelling tot bijvoorbeeld de knie, kan de schouder door zijn drie draaipunten en het glijdende schouderblad veel ruimtelijke posities innemen.

En daar zit een probleem. Door de complexiteit van dit mechanisme, is de oorzaak van schouderklachten niet direct vast te stellen. De schouderbeweging vindt immers grotendeels onderhuids plaats, en vanaf de buitenkant is de precieze positie van de botstukken niet zomaar vast te stellen.

,,Over de schouder is nog niet zoveel bekend”, stelt ir. J.H. de Groot dan ook. De van oorsprong Wageningse ingenieur voerde zijn promotie-onderzoek uit bij de vakgroep meet- en regeltechniek van Werktuigbouwkunde. ,,Er wordt bijvoorbeeld wel veel onderzoek naar de knie gedaan, want dat is een vrij makkelijk gewricht. Het roteert in een plat vlak, en je kunt op een been merktekens plakken. Daar valt dan makkelijk wat over te zeggen.”

De schouder steekt echter ingewikkelder in elkaar. De Groot: ,,Veel mensen spreken van het schoudergewricht, maar het is in feite een keten van botstukken die voornamelijk door spieren bij elkaar wordt gehouden”, verklaart hij. ,,En eigenlijk heb je teveel spieren, waarvan sommige ook nog over meerdere gewrichten lopen.”

Dit betekent vanzelf dat de schouder veel graden van vrijheid heeft: de botstukken kunnen op meerdere manieren in de ruimte bewegen om een bepaalde eindpositie te bereiken. Uit de stand van de bovenarm ten opzichte van de romp is dus niet zonder meer de plaats van het schouderblad te bepalen. ,,Dat is net zoiets als de stand van je voet ten opzichte van je heup bepalen, zonder daarbij naar je been te kijken.”
Sceptisch

Om de beweging en het krachtenspel in de schouder te beschrijven, werd in al 1990 het Delfts Schouder Model ontwikkeld. ,,Mijn voorgangers hebben daarover goede ideeën gepresenteerd, maar de werkelijke spierkracht is natuurlijk nooit meetbaar”, meent De Groot. ,,Je kunt tussen spieren immers geen krachtopnemers plaatsen. De validering van hun model is dus moeilijk.”

Hij besteedde daarom een belangrijk deel van zijn onderzoek aan de spierkrachtbepaling. ,,Om het in- en uitschakelen van de spieren te meten, hebben we de arm van de proefpersonen in een aantal posities gezet, met loodrecht daarop een kracht. Nu is de ene houding gunstig voor de ene spier, en ongunstig voor de andere. Met een elektromyogram (EMG) kun je de elektrische activiteit van spieren meten door elektroden op de huid teplakken. Dit geeft wel een idee van de spieractiviteit, maar er is geen rechtlijnig verband met de werkelijke spierkracht.”

De Groot zette de armen van de proefpersonen in 21 verschillende standen, en bekeek wanneer welke spieren actief zijn. ,,Als je deze gegevens ook invoert in het bestaande schoudermodel, dan geeft dat een spierkrachtvoorspelling. De zo bepaalde EMG’s en de uitkomst van het spierkrachtenmodel hebben we over elkaar heen gelegd, en de overeenkomst ertussen blijkt verrassend groot. Ik was daar zelf vrij sceptisch over, maar het resultaat is een stuk beter dan ik had verwacht.”
Kogeltjes

Naast de validering van het schoudermodel, ontwikkelde De Groot ook een methode om de driedimensionale bewegingen van sleutelbeen en schouderblad vast te leggen. Lastig, want de precieze positie van de botstukken is eigenlijk alleen vast te stellen door goed te voelen. De Groot: ,,Je kunt de beweging wel vastleggen met röntgencamera’s, maar het nadeel daarvan is dat zo’n opname een dichtheidsmeting is. Je kunt dus geen vaste punten in de ruimte terugvinden. Dat kan wel door kleine metalen kogeltjes in het botstuk aan te brengen. In Nederland is dat echter niet toegestaan.”

Een oplossing is om de beweging van de botstukken door interpolatie te destilleren uit een aantal statische plaatsbepalingen. ,,De vraag is alleen of je dat wel zomaar kunt doen. Want vertegenwoordigt dat nog wel een beweging? Om daar achter te komen moet je dus weten of het zo gevonden bewegingsmodel over het hele traject klopt.”

De Groot ging dus terug naar de kern van het probleem. ,,Wat bepaalt de schouderbeweging? De richting en grootte van de kracht op de gewrichten. We hebben daarom met een röntgenvideo bij verschillende snelheden het kinematisch gedrag van de botstukken vastgelegd. Daaruit blijkt dat die bij verschillende snelheden hetzelfde is. Dat zegt wel iets over de validiteit van het bewegingsmodel.”

Dat het schouderritme bij verschillende belastingen constant blijft, maakt het aannemelijk dat uit statische metingen een dynamische situatie mag worden bepaald. De Groot: ,,Je verwacht dat bij een andere belasting dat eilandje van bot anders beweegt, maar dat is dus niet het geval.”
Link

Gewapend met deze kinematische en dynamische kennis, kan in de nabije toekomst wellicht de belasting van de schouders in een arbeidssituatie worden voorspeld. De plaats van de onderhuidse botstukken is nu namelijk wel af te leiden uit de stand van arm en romp. ,,Dat is onder meer van belang voor de uitvoering van de Arbo-wet, want wat daarin staat over de schouders is in feite nog gebaseerd op wat we van de rug weten. Het model is ook bruikbaar bij een follow up na een operatie. Artsen krijgen daarmee een kwantitatief middel in handen om het effect van hun behandeling te meten.”

De Groot vindt de diagnostische mogelijkheden van zijn model echter het meest interessant. ,,Op straat kun je mensen herkennen aan de manier waarop ze lopen, en dat eigen patroonzit ook in schouderbewegingen. Als je deze variabiliteit in het model verwerkt, dan kun je bij een patiënt misschien aan de hand van zijn bewegingspatroon al vaststellen wat er aan de hand is, en welke spieren of gewrichten bij de aandoening betrokken zijn. Door de afwijking van de normaal, zeg maar.”

Hij denkt zijn loopbaan dan ook in het medische circuit voort te zetten. ,,Hopelijk kan ik straks bij de afdeling orthopedie van het Academisch Ziekenhuis in Leiden terecht. Dit onderzoek zou een hulpmiddel kunnen zijn bij operaties om bijvoorbeeld de spieruitval te analyseren. Ja, die link met de kliniek moet beslist aangehaald worden.”

Het schoudergewricht is niet zomaar een scharniertje. Borstbeen, sleutelbeen, schouderblad en bovenarm vormen met de zeventien spieren die eraan vast zitten een zeer beweeglijk geheel. In tegenstelling tot bijvoorbeeld de knie, kan de schouder door zijn drie draaipunten en het glijdende schouderblad veel ruimtelijke posities innemen.

En daar zit een probleem. Door de complexiteit van dit mechanisme, is de oorzaak van schouderklachten niet direct vast te stellen. De schouderbeweging vindt immers grotendeels onderhuids plaats, en vanaf de buitenkant is de precieze positie van de botstukken niet zomaar vast te stellen.

,,Over de schouder is nog niet zoveel bekend”, stelt ir. J.H. de Groot dan ook. De van oorsprong Wageningse ingenieur voerde zijn promotie-onderzoek uit bij de vakgroep meet- en regeltechniek van Werktuigbouwkunde. ,,Er wordt bijvoorbeeld wel veel onderzoek naar de knie gedaan, want dat is een vrij makkelijk gewricht. Het roteert in een plat vlak, en je kunt op een been merktekens plakken. Daar valt dan makkelijk wat over te zeggen.”

De schouder steekt echter ingewikkelder in elkaar. De Groot: ,,Veel mensen spreken van het schoudergewricht, maar het is in feite een keten van botstukken die voornamelijk door spieren bij elkaar wordt gehouden”, verklaart hij. ,,En eigenlijk heb je teveel spieren, waarvan sommige ook nog over meerdere gewrichten lopen.”

Dit betekent vanzelf dat de schouder veel graden van vrijheid heeft: de botstukken kunnen op meerdere manieren in de ruimte bewegen om een bepaalde eindpositie te bereiken. Uit de stand van de bovenarm ten opzichte van de romp is dus niet zonder meer de plaats van het schouderblad te bepalen. ,,Dat is net zoiets als de stand van je voet ten opzichte van je heup bepalen, zonder daarbij naar je been te kijken.”
Sceptisch

Om de beweging en het krachtenspel in de schouder te beschrijven, werd in al 1990 het Delfts Schouder Model ontwikkeld. ,,Mijn voorgangers hebben daarover goede ideeën gepresenteerd, maar de werkelijke spierkracht is natuurlijk nooit meetbaar”, meent De Groot. ,,Je kunt tussen spieren immers geen krachtopnemers plaatsen. De validering van hun model is dus moeilijk.”

Hij besteedde daarom een belangrijk deel van zijn onderzoek aan de spierkrachtbepaling. ,,Om het in- en uitschakelen van de spieren te meten, hebben we de arm van de proefpersonen in een aantal posities gezet, met loodrecht daarop een kracht. Nu is de ene houding gunstig voor de ene spier, en ongunstig voor de andere. Met een elektromyogram (EMG) kun je de elektrische activiteit van spieren meten door elektroden op de huid teplakken. Dit geeft wel een idee van de spieractiviteit, maar er is geen rechtlijnig verband met de werkelijke spierkracht.”

De Groot zette de armen van de proefpersonen in 21 verschillende standen, en bekeek wanneer welke spieren actief zijn. ,,Als je deze gegevens ook invoert in het bestaande schoudermodel, dan geeft dat een spierkrachtvoorspelling. De zo bepaalde EMG’s en de uitkomst van het spierkrachtenmodel hebben we over elkaar heen gelegd, en de overeenkomst ertussen blijkt verrassend groot. Ik was daar zelf vrij sceptisch over, maar het resultaat is een stuk beter dan ik had verwacht.”
Kogeltjes

Naast de validering van het schoudermodel, ontwikkelde De Groot ook een methode om de driedimensionale bewegingen van sleutelbeen en schouderblad vast te leggen. Lastig, want de precieze positie van de botstukken is eigenlijk alleen vast te stellen door goed te voelen. De Groot: ,,Je kunt de beweging wel vastleggen met röntgencamera’s, maar het nadeel daarvan is dat zo’n opname een dichtheidsmeting is. Je kunt dus geen vaste punten in de ruimte terugvinden. Dat kan wel door kleine metalen kogeltjes in het botstuk aan te brengen. In Nederland is dat echter niet toegestaan.”

Een oplossing is om de beweging van de botstukken door interpolatie te destilleren uit een aantal statische plaatsbepalingen. ,,De vraag is alleen of je dat wel zomaar kunt doen. Want vertegenwoordigt dat nog wel een beweging? Om daar achter te komen moet je dus weten of het zo gevonden bewegingsmodel over het hele traject klopt.”

De Groot ging dus terug naar de kern van het probleem. ,,Wat bepaalt de schouderbeweging? De richting en grootte van de kracht op de gewrichten. We hebben daarom met een röntgenvideo bij verschillende snelheden het kinematisch gedrag van de botstukken vastgelegd. Daaruit blijkt dat die bij verschillende snelheden hetzelfde is. Dat zegt wel iets over de validiteit van het bewegingsmodel.”

Dat het schouderritme bij verschillende belastingen constant blijft, maakt het aannemelijk dat uit statische metingen een dynamische situatie mag worden bepaald. De Groot: ,,Je verwacht dat bij een andere belasting dat eilandje van bot anders beweegt, maar dat is dus niet het geval.”
Link

Gewapend met deze kinematische en dynamische kennis, kan in de nabije toekomst wellicht de belasting van de schouders in een arbeidssituatie worden voorspeld. De plaats van de onderhuidse botstukken is nu namelijk wel af te leiden uit de stand van arm en romp. ,,Dat is onder meer van belang voor de uitvoering van de Arbo-wet, want wat daarin staat over de schouders is in feite nog gebaseerd op wat we van de rug weten. Het model is ook bruikbaar bij een follow up na een operatie. Artsen krijgen daarmee een kwantitatief middel in handen om het effect van hun behandeling te meten.”

De Groot vindt de diagnostische mogelijkheden van zijn model echter het meest interessant. ,,Op straat kun je mensen herkennen aan de manier waarop ze lopen, en dat eigen patroonzit ook in schouderbewegingen. Als je deze variabiliteit in het model verwerkt, dan kun je bij een patiënt misschien aan de hand van zijn bewegingspatroon al vaststellen wat er aan de hand is, en welke spieren of gewrichten bij de aandoening betrokken zijn. Door de afwijking van de normaal, zeg maar.”

Hij denkt zijn loopbaan dan ook in het medische circuit voort te zetten. ,,Hopelijk kan ik straks bij de afdeling orthopedie van het Academisch Ziekenhuis in Leiden terecht. Dit onderzoek zou een hulpmiddel kunnen zijn bij operaties om bijvoorbeeld de spieruitval te analyseren. Ja, die link met de kliniek moet beslist aangehaald worden.”