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Biomechanik der Rotatorenmanschette

Lennard Funk
Für MSc Orthopaedic Engineering, 2005

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Ziel dieses Vortrags ist es, die aktuelle Literatur und Meinungen zur Biomechanik der Rotatorenmanschette zu erörtern und diese mit der klinischen Relevanz bei Rotatorenmanschettenrissen in Beziehung zu setzen. I intend to cover:

1. Mechanik der Manschette
2. Sehnenanatomie – Schichten, Mikroanatomie, Blutversorgung
3. Pathomechanik von Manschettenrissen

Rotatorenmanschette Muskeln

Der Schulterkomplex umfasst 30 Muskeln. Diese Muskeln bewegen die Schulter und stabilisieren sie gleichzeitig – „Beweger“ und „Wackler“. Die Muskeln der Rotatorenmanschette stabilisieren vor allem das Schultergelenk, tragen aber auch wesentlich zur Bewegung bei.

Die Muskeln der Rotatorenmanschette sind:

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

Die Sehnen dieser Muskeln vereinen sich zur Rotatorenmanschette. Die Muskeln sind auf dieser Ebene untrennbar miteinander verbunden, mit Ausnahme des Subscapularis, der separat ist und mit dem Rest der Manschette über das Rotatorenintervall verbunden ist.

Supraspinatus

Der Supraspinatus ist nicht nur ein Initiator der Abduktion, sondern wirkt im gesamten Bereich der Abduktion der Schulter. Er hat die gleiche Abduktionskraft wie der Deltamuskel. Man beachte, dass er in der Skapularebene liegt – d.h. 30 Grad zur Koronalebene (Abbildung 2).

Infraspinatus & Teres Minor

Diese beiden Muskeln liegen unterhalb der Skapularwirbelsäule und sind Außenrotatoren der Schulter. Der Infraspinatus wirkt hauptsächlich bei neutralem Arm und der Teres Minor ist aktiver bei Außenrotation in 90 Grad Abduktion.

Subscapularis

Der Subscapularis ist der Hauptinnenrotator der Schulter. Er ist der größte & stärkste Manschettenmuskel, der 53 % der gesamten Manschettenkraft liefert. Die oberen 60 % des Ansatzes sind sehnig und die unteren 40 % muskulär. Er ist eine passive Stütze in Neutralstellung, aber nicht in Abduktion.

Deltamuskel

Der Deltamuskel ist der einzige Schulterheber, wenn der Supraspinatus gerissen und dysfunktional ist. Daher richtet sich der Großteil der Rehabilitation auf diesen Muskel. Er besteht aus einem vorderen, mittleren und hinteren Anteil, die je nach Richtung der Armhebung aktiver sind.

Vorderansicht des Deltamuskels Hinteransicht des Deltamuskels

Freikörperdiagramm zur Berechnung der Deltakraft

In diesem Diagramm, Bei voll gestrecktem Arm muss der Deltamuskel dem Gewicht des Armes und einem 25 kg schweren Gewicht in der Hand der Person entgegenwirken.

1. Momente, in denen der Oberarmknochen nach unten gezogen wird:

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

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

= 174 + 16,91 = 190,91Nm

2. Momente, die den Humerus nach oben ziehen:

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

Gleichgewicht vorausgesetzt: Momente oben = Momente unten

190.91 = 0,01528d

Deltaspannung d = 12 494,11N

Wenn die Person nun den Ellenbogen beugt und damit den Momentarm des 25kg-Gewichts und des Arms reduziert, verringert sich die Kraft, die der Deltamuskel benötigt, um den Arm zu heben.

(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. Momente, die den Humerus hochziehen:

Deltoid(d) x sin10o x 0.088 = 0.01528d Nm

Annahme Gleichgewicht: Momente oben = Momente unten

68,67 = 0,01528d

Deltoidspannung d = 4 494,1N

Kraftkopplungen

Eine Kraft, die auf einen Körper einwirkt, hat zwei Wirkungen, eine, um ihn zu bewegen und eine, um ihn zu drehen. Ein Körper kann aber auch rotieren, ohne sich zu bewegen. D.h. eine Kraft kann nur eine Rotation, aber keine Translation bewirken. Ein Kräftepaar ist ein System, das eine resultierende Bewegung, aber keine resultierende Kraft ausübt. Zwei gleiche und entgegengesetzte Kräfte üben eine reine Rotationskraft aus. In der Schulter ist der Körper der Oberarmkopf und die gleichwertigen, aber entgegengesetzten Kräfte sind die Rotatorenmanschettenmuskeln.

Bei einem Kräftepaar erfordert die von einem Muskel (dem primären Agonisten) erzeugte Kraft die Aktivierung eines antagonistischen Muskels, damit es nicht zu einer dislozierenden Kraft kommt (Nordin & Frankel, 2001).

Die Rotatorenmanschettenmuskeln wirken als Kräftepaar miteinander und mit dem Deltamuskel. Die Rotatorenmanschettenmuskeln arbeiten zusammen, um das Glenohumeralgelenk zu halten, das von Natur aus ein instabiles Gelenk ist. Das Fortschreiten eines Risses oder einer Funktionsstörung der Rotatorenmanschette führt zu einer Superior-Subluxation des Oberarmkopfes. Dies führt zu einer Dysfunktion der Schulter.

Die Rotatorenmanschette stabilisiert das Glenohumeralgelenk durch Kraftpaare sowohl in der koronalen als auch in der transversalen Ebene.

Koronales Kräftepaar

Deltoid und Supraspinatus tragen gleichermaßen zur Abduktion bei. Wenn der Arm abduziert wird, ist die resultierende Gelenkreaktionskraft auf das Glenoid gerichtet. Dies „drückt“ den Oberarmkopf gegen das Glenoid und verbessert die Stabilität des Gelenks, wenn der Arm abduziert und über Kopf ist.

Kräftepaar in der Transversalebene

Über den gesamten Bewegungsbereich hinweg trägt die resultierende kompressive Gelenkreaktionskraft in der Transversalebene zur Gelenkstabilität bei. Dies ist der vorherrschende Mechanismus, der der Verschiebung des oberen Humeruskopfes bei Manschettenrissen entgegenwirkt. Solange das Kräftepaar zwischen Subscapularis und Infraspinatus ausgeglichen bleibt, bleibt das Gelenk zentriert.

Statische Hemmnisse

Zusätzlich zu den oben erwähnten dynamischen Stabilisatoren gibt es wichtige sekundäre Hemmnisse für die Verlagerung des Oberarmkopfes nach oben bei Manschettenrissen.

Korako-Akromialbogen

Der Korako-Akromialbogen ist die Kombination aus dem Korakoid, dem korakoakromialen Band und dem Akromion. Diese bilden einen Bogen über der Rotatorenmanschette und dem Humeruskopf.

Korako-Akromialbogen (grün), gebildet durch das Korakoid, Korakoakromialband und Akromion

Langer Kopf des Bizeps

Der lange Kopf des Bizeps verläuft über den Oberarmkopf und krümmt sich in zwei Ebenen, die die Form eines Fragezeichens bilden. Es ist bekannt, dass er dem Oberarmgelenk ein geringes Maß an Stabilität verleiht. Dies geschieht vor allem bei Abduktion und Außenrotation des Arms in der Skapularebene.

Die Bizepsrolle ist ein Stabilisator des langen Bizepskopfes in der Bizepsrinne. Eine Ruptur dieser Umlenkrolle bei einem Riss der Rotatorenmanschette führt zu einer medialen Subluxation des langen Bizepskopfes und zu Funktionsstörungen.

Pathoanatomie der Rotatorenmanschette

Ultrastruktur der Manschette

Die Verschmelzung der Rotatorenmanschettensehnen deutet darauf hin, dass sie eher als kombinierte und integrative Struktur denn als einzelne Einheiten wirken. Die Mikrostruktur der Sehnen der Rotatorenmanschette in der Nähe der Ansätze von Supraspinatus und Infraspinatus wurde als fünfschichtige Struktur beschrieben:

• Schicht eins besteht aus den oberflächlichen Fasern des Coracohumeralligaments.
• Schicht zwei, die den Hauptteil der Manschettensehnen darstellt, zeigt sich als dicht gepackte, parallele Sehnenfasern, die in großen Bündeln gruppiert sind und direkt von den Muskelbäuchen zum Ansatz am Oberarmknochen verlaufen.
• Schicht drei ist ebenfalls eine dicke Sehnenstruktur, jedoch mit kleineren Faszien als in Schicht zwei und einer weniger einheitlichen Ausrichtung.
• Schicht vier besteht aus lockerem Bindegewebe mit dicken Bändern aus Kollagenfasern, die senkrecht zur primären Faserausrichtung der Manschettensehnen verlaufen. Diese Schicht enthält die tiefe Verlängerung des korakohumeralen Ligaments und wurde verschiedentlich als transversales Band, perikapsuläres Band oder Rotatorenseil bezeichnet. Diese Schicht spielt möglicherweise eine Rolle bei der Verteilung der Kräfte zwischen den Sehnenansätzen und könnte erklären, warum einige Rotatorenmanschettenrisse klinisch asymptomatisch sind.
• Schicht fünf ist die eigentliche Kapselschicht und bildet einen durchgehenden Zylinder vom Glenoid zum Humerus. Die Fasern in dieser Schicht sind größtenteils willkürlich orientiert.

Die Faserorientierung unterscheidet sich auch entlang der Länge der Rotatorenmanschettensehne. In der Nähe der muskulotendinösen Übergänge bestehen die Sehnen hauptsächlich aus parallelen, homogenen Kollagenfasern, gehen aber in flache, bandförmige Faserbündel über, die sich in einem Winkel von etwa 45 Grad kreuzen, wenn sie die Insertion in den Oberarmknochen erreichen. Aufgrund der unterschiedlichen Faserausrichtungen und der verschiedenen Schichten innerhalb des superioren Kapselkomplexes treten wahrscheinlich erhebliche Scherkräfte auf, die bei Manschettenrissen eine Rolle spielen können. Diese intratendinösen Variationen in der Manschettenstruktur können erklären, warum intrasubstanzielle Risse auftreten. Die Scherkräfte sind wahrscheinlich auf die vierte Schicht gerichtet, in der sich die intratendinösen Manschettenrisse entwickeln. Dabei handelt es sich in der Regel um degenerierte Risse der Manschette.

Kollagen

Die Mittelsubstanz des Supraspinatustendons besteht in erster Linie aus Typ-I-Kollagen mit relativ geringen Mengen an Typ-III-Kollagen, Dekorin und Biglykan. Der Faserknorpelanteil der Insertion weist einen Kollagen- und Proteoglykananteil auf, der dem von Geweben ähnelt, die einer Druckbelastung ausgesetzt waren. Dies ist zum Teil auf die Umhüllung der Sehne um den Oberarmknochen zurückzuführen. Daher enthält sie hauptsächlich Typ-II-Kollagen und größere Proteoglykane wie Aggrecan. Die histologische Organisation ähnelt jedoch nicht dem reifen Faserknorpel. Bei der Tendinopathie der Rotatorenmanschette wurde ein Anstieg des Kollagens Typ III, eines Proteins, das bei der Heilung und Reparatur eine Rolle spielt, sowie des Glykosaminoglykan- und Proteoglykan-Gehalts beobachtet. Diese Veränderungen in der Zusammensetzung können adaptiv, pathologisch oder beides sein und sind in der älteren Bevölkerung verändert.

Außerdem haben neuere Studien erhöhte Werte von Glattmuskel-Aktin (SMA) in gerissenen Rotatorenmanschetten gezeigt. Es hat sich gezeigt, dass SMA-positive Zellen in vitro ein Kollagen-Glykosaminoglykan-Analogon kontrahieren. SMA-haltige Zellen in Rissen der Rotatorenmanschette können mit den hohen Mengen an GAG und Proteoglycan reagieren, was zu einer Retraktion der gerissenen Rotatorenmanschette und einer Hemmung der potenziellen Heilung führt.

Gefäßversorgung

Die arterielle Hauptversorgung der Rotatorenmanschette erfolgt über den aufsteigenden Ast der Arteria circumflexa humeri anterior, den akromialen Ast der Arteria thoracoacromialis sowie die Arteria circumflexa humeri suprascapularis und posterior.

Es wird angenommen, dass die Pathogenese von Rotatorenmanschettenrissen durch die mikrovaskuläre Versorgung der Rotatorenmanschettensehnen beeinflusst wird. Die meisten Kadaverstudien haben einen hypovaskulären Bereich innerhalb der kritischen Zone des Supraspinatustendons gezeigt. Es wurde vermutet, dass dieser Bereich der Hypovaskularität eine wichtige Rolle bei der abnutzenden Degeneration der alternden Sehne spielt. Neuere Untersuchungen der mikrovaskulären Versorgung der Supraspinatussehne bei symptomatischen Patienten mit Impingement-Syndrom deuten darauf hin, dass im Bereich des größten Impingements, d. h. in der kritischen Zone (8 mm proximal des Ansatzes der Supraspinatussehne), tatsächlich eine Hypervaskularität vorliegt. Im Gegensatz zu den Untersuchungen an Leichen scheinen diese Studien darauf hinzudeuten, dass Hypervaskularität oder Neovaskularisierung mit einer symptomatischen Erkrankung der Rotatorenmanschette als Folge eines mechanischen Impingements einhergeht.

In-vivo-Analysen unter Verwendung der orthagonalen Polarisationsspektralbildgebung haben gezeigt, dass der Supraspinatus selbst in der kritischen Zone bei intakten Rotatorenmanschetten eine gute Vaskularität aufweist.

A – Kapillaren in der normalen Supraspinatussehne. B – fehlende Kapillaren in den Rändern eines Risses der Supraspinatusmanschette.

Ätiologie von Manschettenrissen

Es gibt zwei Haupttheorien für die Ursache von Rissen der Rotatorenmanschette:

1. Extrinsisch – aufgrund von Kompression und Einklemmung der Rotatorenmanschette von außen. Zum Beispiel auf der subacromialen Schleimbeutelseite durch den Akromialsporn und das Coracoacromialligament (subacromiales Impingement); und auf der Gelenksseite durch Einklemmung der Sehne zwischen Glenoid und Humerus bei extremer Abduktion und Außenrotation (internes Impingement)
2. Intrinsisch – Entwicklung von Rissen aufgrund veränderter Eigenschaften der Rotatorenmanschette selbst.

Wir werden einige der biomechanischen Gründe für die Entwicklung von Manschettenrissen untersuchen und nicht die Unterschiede zwischen extrinsischen und intrinsischen Ursachen.

Belastung

Die zunehmende Belastung des Supraspinatus bis zu 60 Grad Abduktion mittels MRT.

Kein Unterschied in der Dehnung zwischen der bursalen & Gelenkseite der Sehne.

Spannungskonzentration

Unter Verwendung der Finite-Elemente-Modellierung der Rotatorenmanschette wurden die Spannungskonzentrationen bei unterschiedlichem Grad des subacromialen Impingements untersucht. Die Spannungskonzentrationen waren in der kritischen Zone der Manschette am höchsten, wobei sich Risse auf der Gelenk-, Schleimbeutel- und Intratendinus-Seite potenzierten. Risse auf der artikulären Seite waren etwas häufiger.

Subacromiales extrinsisches Impingement

Neer glaubte ursprünglich, dass Risse der Rotatorenmanschette durch einen mechanischen Prozess als Folge fortschreitender Abnutzung entstehen. Er stellte fest, dass der vordere Aspekt des Akromions mit oder ohne Osteophyten aus dem AC-Gelenk betroffen war

Die Morphologie des vorderen Akromions korreliert mit Manschettenrissen. In einer Kadaverstudie an 140 Schultern wurde festgestellt, dass 73 % der Risse der Rotatorenmanschette an einem Akromion vom Typ 3 mit Haken auftraten. Dies wird auch durch neuere klinische Studien bestätigt, in denen sich die Morphologie des Akromions als Prädiktor für Manschettenrisse erwiesen hat.

Bigliani-Klassifikation der Akromionsmorphologie. Typ 3 war häufiger mit Rotatorenmanschettenrissen assoziiert

Internes Impingement

Der Dreiklang aus anteriorer Kapsellaxität, posteriorer Kontraktion und internem Impingement wurde ursprünglich bei Überkopfsportlern beschrieben. Das interne Impingement entsteht, wenn die Manschette bei extremer Abduktion und Außenrotation zwischen dem Oberarmkopf und dem postero-superioren Labrum eingeklemmt wird. Dadurch wird die Gelenkfläche der Manschette aufgescheuert und abgerieben, was allmählich zu Manschettenrissen führt.

Sehnendegeneration

Die Rotatorenmanschette scheint mit dem Alter zu degenerieren. In Magnetresonanztomographie-Untersuchungen (MRT) wurden bei 54 % der asymptomatischen Personen über 60 Jahre Risse der Manschette festgestellt. Allerdings ist die MRT nur zu 75-90 % genau bei der Diagnose von Rissen der gesamten Rotatorenmanschette. Es muss noch mehr über die altersbedingten Veränderungen der Rotatorenmanschette geforscht werden, aber die alternde Manschette ist wahrscheinlich anfälliger für extrinsische und intrinsische Mechanismen.