vis menu

Rotator Cuff Biomechanics

Lennard Funk
For MSc Orthopaedic Engineering, 2005

Download PDF

Sigtet med denne præsentation er at diskutere den aktuelle litteratur og udtalelser om biomekanikken af rotatorcuffen og at relatere dette til den kliniske relevans i forbindelse med rotatorcuffrevner. Jeg har til hensigt at dække:

1. Cuff Mechanics
2. Tendon Anatomy – lag, mikroanatomi, blodforsyning
3. Pathomechanics of cuff tears

Rotator cuff Muscles

Skulderkomplekset består af 30 muskler. Disse muskler både bevæger skulderen og stabiliserer den – “movers” og “shakers”. Rotatorcuffmusklerne stabiliserer overvejende det glenohumerale led, men bidrager også i høj grad til bevægelsen.

Rotatormanchettens muskler er:

1. Supraspinatus
2. Infraspinatus
3. Teres Minor
4. Subscapularis

Senerne i disse muskler går sammen og danner rotatormanchetten. Musklerne er uadskillelige på dette niveau, bortset fra subscapularis, som er separat og forbundet med resten af manchetten via rotatorintervallet.

Supraspinatus

Supraspinatus er ikke kun en initiator for abduktion, men virker i hele skulderens abduktionsområde. Den har samme abduktionskraft som deltoideus. Bemærk, at den ligger i det scapulære plan – dvs. 30 grader til det koronale plan (Figur 2).

Infraspinatus & Teres Minor

Disse to muskler ligger under scapulærsøjlen og er skulderens eksterne rotatorer. Infraspinatus virker primært med armen i neutral stilling, og Teres Minor er mere aktiv ved ekstern rotation i 90 graders abduktion.

Subscapularis

Subscapularis er den vigtigste interne rotator i skulderen. Det er den største &stærkeste manchetmuskel, der giver 53 % af den samlede styrke i manchetten. De øverste 60 % af indsættelsen er seneagtig og de nederste 40 % muskelagtig. Den er passivt tilbageholdende i neutral, men ikke i abduktion.

Deltoideus

Deltoideusmusklen er den eneste skulderløfter, hvis supraspinatus er revet og dysfunktionel. Derfor er det meste af genoptræningen rettet mod denne muskel. Den består af anteriormidterste og posteriore dele, som er mere aktive afhængigt af retningen af armelevationen.

Anterior view of deltoid Posterior view of deltoid

Fri kropsdiagram til beregning af deltoidkraft

I dette diagram, med armen fuldt udstrakt skal deltoideus modvirke vægten af armen og en vægt på 25 kg i personens hånd.

1. Momenter, der trækker overarmsknoglen ned:

(25 x 9,81) x 0,71 = 174Nm

(5,07 x 9,81) x 0,34 = 16,91Nm

= 174 + 16,91 = 190,91Nm

2. Momenter, der trækker overarmsknoglen opad:

Deltoid(d) x sin10o x 0,088 = 0,01528d Nm

Antag, at der er ligevægt: momenter opad = momenter nedad

190.91 = 0,01528d

Deltoideusspænding d = 12 494,11N

Nu, hvis personen bøjer albuen, hvilket reducerer momentarmen for den 25 kg tunge vægt og arm, vil den kraft, der kræves af deltoideus for at løfte armen, blive reduceret.

(25 x 9,81) x 0,28 = 68,67Nm

(5,07 x 9,81) x 0,17 = 8,46Nm

= 68.67 + 8,46 = 77,13Nm

2. Momenter, der trækker humerus opad:

Deltoid(d) x sin10o x 0,088 = 0,088 = 0.01528d Nm

Antag, at der er ligevægt: momenter opad = momenter nedad

68,67 = 0,01528d

Deltoidspænding d = 4 494,1N

Kraftkoblinger

En kraft, der virker på et legeme, har to virkninger, en til at flytte det og to til at dreje det. Et legeme kan dog rotere uden at bevæge sig. Dvs. en kraft kan kun forårsage rotation uden translation. Et kraftpar er et system, der udøver en resultantbevægelse, men ingen resultantkraft. To lige store og modsatte kræfter udøver en ren rotationskraft. I skulderen er kroppen humerushovedet, og de lige store men modsatte kræfter er rotatormanchetmuskulaturen.

I et kraftpar kræver den kraft, der genereres af en muskel (den primære agonist), aktivering af en antagonistisk muskel, så der ikke opstår en dislokationskraft (Nordin & Frankel, 2001).

Rotatormanchetmuskulaturen fungerer som et kraftpar med hinanden og med deltoideus. Rotatormanchettens muskler arbejder sammen for at inddæmme det glenohumerale led, som i sagens natur er et ustabilt led. Progressionen af en rotatormanchettestræning eller dysfunktion fører til superiorsubluxation af humerushovedet. Dette fører til dysfunktion i skulderen.

Rotatormanchetten stabiliserer det glenohumerale led ved hjælp af kraftpar i både det koronale og tværgående plan.

Koronalt kraftpar

Deltoideus og supraspinatus bidrager begge lige meget til abduktionen. Når armen abduceres, er den resulterende ledreaktionskraft rettet mod Glenoid. Dette “komprimerer” humerushovedet mod Glenoid og forbedrer leddets stabilitet, når armen er abduceret og over hovedet.

Transversalt plan kraftkobling

I hele bevægelsesområdet bidrager den kompressive resulterende ledreaktionskraft i det tværgående plan til ledets stabilitet. Dette er den fremherskende mekanisme, der modstår superiorhumeralhovedets forskydning ved manchetrevner. Så længe kraftparret mellem subscapularis og Infraspinatus forbliver afbalanceret, forbliver leddet centreret.

Statiske begrænsninger

Ud over de dynamiske stabilisatorer, der er nævnt ovenfor, er der vigtige sekundære begrænsninger for overordnet forskydning af humerushovedet ved manchetrevner.

Coraco-acromial Arch

Coraco-acromial Arch er kombinationen af coracoid, coracoacromial ligament og acromion. Disse danner en bue over rotatormanchetten og humerushovedet.

	Coraco-acromialbue (grøn) dannet af coracoidet, coracoacromiale ligament og acromion

Langt bicepshoved

Det lange bicepshoved passerer over humerushovedet og bukker sig i to planer og danner form som et spørgsmålstegn. Det er anerkendt for at give en lille grad af stabilitet til det gleno-humerale led. Dette er overvejende ved abduktion og ekstern rotation af armen i scapulaplanet.

Bicepsrullen er en stabilisator for det lange bicepshoved i bicepsrillen. Ruptur af denne pulley med en rotatorcuff-ruptur fører til medial subluxation af biceps’ lange hoved og dysfunktion.

Rotatorcuff patho-anatomi

Cuff Ultrastruktur

Sammenføjningen af rotatorcuff-senerne tyder på, at de fungerer mere som en kombineret og integrativ struktur end som enkeltstående enheder. Mikrostrukturen af rotatormanchettens sener nær insertionerne af supraspinatus og infraspinatus er yderligere blevet beskrevet som en fem-lags struktur:

• Lag et består af de overfladiske fibre fra coracohumeralligamentet.
• Lag to, som er hoveddelen af manchetsenerne, ses som tæt pakkede parallelle senefibre grupperet i store bundter, der strækker sig direkte fra muskelbælgene til indsættelsen på humerus.
• Lag tre er også en tyk senestruktur, men med mindre fascialer end i lag to og en mindre ensartet orientering.
• Lag fire består af løst bindevæv med tykke bånd af kollagenfibre, der løber vinkelret på den primære fiberorientering i manchetsenerne. Dette lag indeholder den dybe forlængelse af det coracohumerale ligament og er på forskellig vis blevet beskrevet som et tværgående bånd, et pericapsulært bånd eller et rotatorkabel. Dette lag kan have en rolle i fordelingen af kræfter mellem seneindsatserne og kan forklare, hvorfor nogle rotatormanchettedannelser er klinisk asymptomatiske.
• Lag fem er det egentlige kapsellag og danner en sammenhængende cylinder fra glenoideum til humerus. Fibrene i dette lag er for det meste tilfældigt orienteret.

Fiberorienteringen varierer også langs rotatormanchettens senelængde. I nærheden af de muskulotendinøse krydsninger består senerne hovedsageligt af parallelle homogene kollagenfibre, men bliver til flade båndlignende bundter af fibre, der krydser hinanden i en vinkel på ca. 45 grader, når de når indføringen i humerus . På grund af de forskellige fiberorienteringer og de forskellige lag i det superior-capsulære kompleks findes der sandsynligvis betydelige forskydningskræfter, som kan spille en rolle i forbindelse med revner i manchetten. Disse intratendinøse variationer i manchetstrukturen kan forklare, hvorfor der opstår intrasubstansrevner. Skubkræfterne er sandsynligvis rettet mod lag fire, som er stedet for udvikling af intratendonøse revner i manchetten. Disse har tendens til at være degenererede revner i manchetten.

Kollagen

Midtsubstansen i supraspinatustendonet består primært af kollagen af type I med relativt små mængder af kollagen af type III, decorin og biglycan. Fibrobruskdelen af indsatsen har et kollagen- og proteoglykanindhold, der svarer til indholdet i væv, der har været udsat for kompressionsbelastning. Dette skyldes til dels, at senen er viklet rundt om overarmsknoglen. Den indeholder derfor hovedsagelig type II-kollagen og større proteoglykaner som aggrecan. Den histologiske organisation ligner dog ikke moden fibrobrusk. Ved rotatormanchettendinopati er der observeret en stigning i kollagen type III, et protein, der spiller en rolle i heling og reparation, og i indholdet af glykosaminoglykaner og proteoglykaner. Disse ændringer i sammensætningen kan være adaptive, patologiske eller begge dele, og det er konstateret, at de er ændret i den ældre befolkning.

Dertil kommer, at nyere undersøgelser har vist øgede niveauer af glat muskelaktin (SMA) i revet rotatormanchetter. SMA-positive celler har vist sig at kontrahere en kollagen-glykosaminoglykan-analog in vitro. SMA-holdige celler i rotatormanchettens revner kan reagere med de høje niveauer af GAG og proteoglykan, hvilket kan resultere i retraktion af den ødelagte rotatormanchet og hæmme den potentielle heling.

Vaskularitet

Den vigtigste arterielle forsyning til rotatormanchetten stammer fra den opstigende gren af den forreste humerale circumflexarterie, den acromiale gren af den thorakoakromiale arterie samt de supraskapulære og posteriore humerale circumflexarterier.

Patogenesen af rotatormanchetrevner er blevet anset for at være påvirket af den mikrovaskulære forsyning af rotatormanchettens sener. De fleste kadaverundersøgelser har påvist et hypovaskulært område inden for den kritiske zone af supraspinatustendonet. Det er blevet foreslået, at dette hypovaskulære område spiller en væsentlig rolle i den aldrende senes sliddegeneration. Nyere undersøgelser af den mikrovaskulære forsyning af supraspinatus-senen hos symptomatiske patienter med impingement-syndrom tyder på, at der i det område, hvor impingementet er størst, dvs. i den kritiske zone (8 mm proximalt for supraspinatus-senens indstik), faktisk er hypervaskularitet. I modsætning til kadaverundersøgelserne synes disse undersøgelser at antyde, at hypervaskularitet eller neovaskularisering er forbundet med symptomatisk rotatormanchensygdom sekundært til mekanisk impingement.

In vivo analyse ved hjælp af ortagonal polariseringsspektral billeddannelse har vist, at der er god vaskularitet i supraspinatus, selv i den kritiske zone i intakte rotatormanchetter .

A – kapillærer i normal supraspinatus-sene. B – fraværende kapillærer i kanterne af en supraspinatusmanchetrevner.

Ætiologi af manchetrevner

Der er to hovedteorier for årsagen til rotatormanchetrevner:

1. Ekstrinsisk – på grund af kompression og impingement af rotatormanchetten udefra. F.eks. på den subakromiale slimsæk-side fra acromiale sporer og coracoacromialligamentet (subakromial impingement) og på den artikulære side fra afklemning af senen mellem Glenoid og humerus i ekstrem abduktion og ekstern rotation (intern impingement)
3. Intrinsisk – udvikling af revner på grund af ændrede egenskaber hos selve rotatormanchetten.

Vi vil undersøge nogle af de biomekaniske årsager til udvikling af manchetrevner, snarere end forskellene mellem extrinsiske og intrinsiske årsager.

Spændinger

Stigning af belastning i supraspinatus op til 60 graders abduktion ved hjælp af MRI.

Ingen forskel i belastning mellem bursal & artikulær side af senen .

Stresskoncentration

Med finite element modellering af rotator cuff blev stresskoncentrationerne undersøgt i varierende grader af subakromial impingement. Spændingskoncentrationerne var højest i den kritiske zone af manchetten med rifter, der potenserer på den artikulære side, den bursale side og intratendinous. Revner på den artikulære side var lidt mere almindelige.

Subacromial Extrinsic Impingement

Neer mente oprindeligt, at revner i rotatormanchetten opstod som følge af en mekanisk proces sekundært til progressiv slitage. Han fandt den forreste del af acromion involveret med eller uden osteofytter fra AC-leddet

Morfologien af den forreste acromion har vist sig at korrelere med revner i manchetten. En kadaverundersøgelse af 140 skuldre, at 73 % af de rotatormanchetrevner, der blev fundet, var i type 3 krogede acromioner . Dette er også blevet bekræftet af nyere kliniske undersøgelser, hvor acromial morfologi blev fundet at være en prædiktor for manchetrevner .

Bigliani-klassifikation af acromial morfologi. Type 3 var hyppigere forbundet med rotatormanchetrevner

Internal impingement

Triaden af anterior capsular laxity, posterior kontraktion og internal impingement blev oprindeligt beskrevet hos atleter i overhead-atleter . Det interne impingement opstår, når manchetten bliver klemt mellem humerushovedet og det postero-superiorlabrum under ekstrem abduktion og ekstern rotation. Dette skraber og slider manchettens ledflade gradvist, hvilket fører til revner i manchetten.

Sene-degeneration

Rotatormanchetten synes at degenerere med alderen. På magnetisk resonans (MRI)-undersøgelser var der revner i manchetten hos 54 % af asymptomatiske personer over 60 år . MRI er dog kun 75-90 % nøjagtig til at diagnosticere rotatormanchettestræninger i fuld tykkelse. Der skal arbejdes mere på de aldersrelaterede ændringer af rotatormanchetten, men den aldrende manchet er sandsynligvis mere udsat for de extrinsiske og intrinsiske mekanismer.