show menu

Rotator Cuff Biomechanics

Lennard Funk
Ortopedian insinööritutkintoa varten, 2005

Lataa PDF-tiedosto

Tässä esityksessä pyritään käsittelemään nykyistä kirjallisuutta ja mielipiteitä rotaattorimanteleen biomekaniikasta ja suhteuttamaan ne kliiniseen merkitykseen rotaattorimanteleen repeämissä. Tarkoitukseni on käsitellä seuraavia aiheita:

1. Mansetin mekaniikka
2. Jänteen anatomia – kerrokset, mikroanatomia, verenkierto
3. Mansetin repeämien patomekaniikka

Rotaattorimansetin lihakset

Olkapääkompleksiin kuuluu 30 lihasta. Nämä lihakset sekä liikuttavat olkapäätä että stabiloivat sitä – ”liikuttajat” ja ”ravistelijat”. Kiertäjäkalvosimen lihakset stabiloivat pääasiassa glenohumeraalinivelen, mutta osallistuvat myös merkittävästi liikkeisiin.

Kiertäjäkalvosimen lihakset ovat:

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

Tämän lihaksen jänteet yhtyvät muodostaen kiertäjäkalvosimen. Lihakset ovat tällä tasolla erottamattomat lukuun ottamatta subscapularista, joka on erillinen ja yhdistyy muuhun cuffiin rotaattorivälin kautta.

Supraspinatus

Supraspinatus ei ole ainoastaan abduktion alkuunpanija, vaan se toimii koko olkapään abduktiovälin ajan. Sillä on yhtä suuri abduktiovoima kuin deltalihaksella. Huomaa, että se sijaitsee lapaluun tasossa – eli 30 astetta koronaalitasoon nähden (kuva 2).

Infraspinatus & Teres Minor

Nämä kaksi lihasta sijaitsevat lapaluun selkärangan alapuolella ja ovat olkapään ulkokiertäjiä. Infraspinatus toimii ensisijaisesti käden ollessa neutraaliasennossa ja Teres Minor on aktiivisempi ulkorotaatiossa 90 asteen abduktiossa.

Subscapularis

Subscapularis on olkapään tärkein sisäkiertäjä. Se on suurin & vahvin mansettilihas, jonka osuus mansetin kokonaisvoimasta on 53 %. Ylempi 60 % insertiosta on jänteistä ja alempi 40 % lihasta. Se on passiivinen ojentaja neutraalissa, mutta ei abduktiossa.

Deltoideus

Deltoideuslihas on ainoa olkapään kohottaja, jos supraspinatus on revennyt ja toimintahäiriössä. Siksi suurin osa kuntoutuksesta kohdistuu tähän lihakseen. Se koostuu etukeskimmäisestä ja takimmaisesta osasta, jotka ovat aktiivisempia sen mukaan, mihin suuntaan kättä nostetaan.

Anteriorinen näkymä deltalihaksesta Posteriorinen näkymä deltalihaksesta

Vapaavartalokaavio deltalihaksen voiman laskemiseksi

Tässä kaaviossa, käden ollessa täysin ojennettuna deltoideuksen on vastattava käden painoa ja henkilön kädessä olevaa 25 kg painoa.

1. Momentit, jotka vetävät olkaluuta alaspäin:

(25 x 9.81) x 0.71 = 174Nm

(5.07 x 9.81) x 0.34 = 16.91Nm

= 174 + 16.91 = 190.91Nm

2. Humerusta ylöspäin vetävät momentit:

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

Asetetaan tasapaino: momentit ylöspäin = momentit alaspäin

190.91 = 0.01528d

Deltalihaksen jännitys d = 12 494.11N

Nyt jos henkilö taivuttaa kyynärpäätään, jolloin 25 kg:n painon ja käsivarren momenttivarsi pienenee, deltalihaksen tarvitsema voima käsivarren kohottamiseksi pienenee.

(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. Momenteista, jotka pulsoivat olkaluuta ylöspäin:

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

Asetetaan tasapaino: momentit ylös = momentit alas

68,67 = 0,01528d

Deltoidin jännitys d = 4 494,1N

Voimakytkennät

Voimalla, joka vaikuttaa kappaleeseen, on kaksi vaikutusta, yksi liikuttaa sitä ja kaksi pyörittää sitä. Kappale voi kuitenkin pyöriä liikkumatta. Ts. voima voi aiheuttaa vain pyörimisen ilman translaatiota. Voimapari on systeemi, joka aiheuttaa resultanttisen liikkeen, mutta ei resultanttista voimaa. Kaksi yhtä suurta ja vastakkaista voimaa aiheuttaa puhtaasti pyörivän voiman. Olkapäässä runko on olkavarren pää ja yhtä suuret mutta vastakkaiset voimat ovat kiertäjäkalvosimen lihakset.

Voimaparissa yhden lihaksen (ensisijainen agonisti) tuottama voima vaatii antagonistisen lihaksen aktivoitumista, jotta sijoiltaanmenevää voimaa ei synny (Nordin & Frankel, 2001).

Kiertäjäkalvosimen lihakset toimivat voimaparina toistensa ja deltoideuksen kanssa. Kiertäjäkalvosimen lihakset toimivat yhdessä hilliten glenohumeraaliniveltä, joka on luonnostaan epävakaa nivel. Kiertäjäkalvosimen repeämän tai toimintahäiriön eteneminen johtaa olkavarren pään superiorsubluksaatioon. Tämä johtaa olkapään toimintahäiriöön.

Kiertäjäkalvosin stabiloi glenohumeraalinivelen voimaparien avulla sekä koronaalisessa että poikittaisessa tasossa.

Koronaalinen voimapari

Deltoideus communis (Deltoideus deltoideus) ja supraspinatus (Supraspinatus supraspinatus) vaikuttavat molemmat yhtä paljon abduktioon. Käden abduktoituessa syntyvä nivelreaktiovoima kohdistuu Glenoidiin. Tämä ”puristaa” olkavarren päätä Glenoidia vasten ja parantaa nivelen stabiliteettia, kun käsivarsi on abduktoituna ja ylhäällä.

Transversaalitasossa vaikuttava voimapari

Transversaalitasossa vaikuttava kompressiivinen resultanttinen nivelen reaktiovoima edistää nivelen stabiliteettia koko liikealueen ajan. Tämä on vallitseva mekanismi, joka vastustaa ylemmän humeraalipään siirtymää mansetin repeämissä. Niin kauan kuin subscapulariksen ja infraspinatuksen välinen voimapari pysyy tasapainossa, nivel pysyy keskitettynä.

Staattiset rajoitukset

Edellä mainittujen dynaamisten stabilisaattoreiden lisäksi on olemassa tärkeitä sekundaarisia rajoituksia, jotka estävät humeraalipään superiorista siirtymää mansettirepeämässä.

Coraco-acromiaalinen kaari

Coraco-acromiaalinen kaari on korakoideaalisen nivelkierukan (coracoideus), koracoacromiaalisen nivelsiteen (coracoacromial ligamentti) ja kärkiluun (acromio acromion) yhdistelmä. Nämä muodostavat kaaren kiertäjäkalvosimen ja olkavarren pään yläpuolelle.

Coraco-acromiaalinen kaari (vihreä), jonka muodostaa korakoideus, coracoacromial ligamentti ja acromion

Hauislihaksen pitkä pää

Hauislihaksen pitkä pää kulkee olkavarren pään yli kaartuen kahdessa tasossa muodostaen kysymysmerkin muodon. Sen tunnustetaan antavan pienen vakautta gleno-humeraaliniveleen. Tämä tapahtuu pääasiassa käden abduktiossa ja ulkorotaatiossa lapaluun tasossa.

Hauislihaksen hihnapyörä stabiloi hauislihaksen pitkää päätä hauislihaksen urassa. Tämän hihnapyörän repeämä kiertäjäkalvosimen repeämän yhteydessä johtaa hauislihaksen pitkän pään mediaaliseen subluksaatioon ja toimintahäiriöön.

Rotaattorikalvosimen patoanatomia

Kalvosimen ultrastruktuuri

Kiertäjäkalvosimen jänteiden yhteensulautuminen viittaa siihen, että ne toimivat pikemminkin yhdistettyinä ja integroivina rakenteina kuin yksittäisinä kokonaisuuksina. Kiertäjäkalvosimen jänteiden mikrorakenne supraspinatuksen ja infraspinatuksen insertioiden läheisyydessä on edelleen kuvattu viisikerroksiseksi rakenteeksi:

• Kerros yksi koostuu korakohumeralligamentin pinnallisista kuiduista.
• Kerros kaksi, joka on mansetin jänteiden pääosa, näkyy tiiviisti pakattuina yhdensuuntaisina jännekuituina, jotka on ryhmitelty suuriin nippuihin, jotka ulottuvat suoraan lihaksen vatsoista insertioon olkaluussa.
• Kerros kolme on myös paksu jännerakenne, mutta siinä on pienemmät faskiat kuin kerroksessa kaksi ja suuntautuminen on epätasaisempi.
• Kerros neljä koostuu löysästä sidekudoksesta, jossa on paksuja kollageenisäikeitä, jotka kulkevat kohtisuoraan rannekanavan jänteiden primaariseen kuitusuuntautumiseen nähden. Tämä kerros sisältää korakohumeraaliligamentin syvän jatkeen, ja sitä on kuvattu eri tavoin poikittaisena kaistaleena, perikapsulaarisena kaistaleena tai rotaattorikaapelina. Tällä kerroksella voi olla merkitystä voimien jakautumisessa jänteiden kiinnityskohtien välillä, ja se voi selittää, miksi jotkut kiertäjäkalvosimen repeämät ovat kliinisesti oireettomia.
• Viides kerros on varsinainen kapselikerros, ja se muodostaa jatkuvan sylinterin glenoidista humerukseen. Tämän kerroksen kuidut ovat suurimmaksi osaksi satunnaisesti suuntautuneita.

Kuitujen suuntautuminen vaihtelee myös kiertäjäkalvosimen jänteen pituutta pitkin. Lähellä lihasjänteiden liitoskohtia jänteet koostuvat pääasiassa yhdensuuntaisista homogeenisista kollageenikuiduista, mutta muuttuvat litteiksi nauhamaisiksi kuitukimppuiksi, jotka risteävät noin 45 asteen kulmassa, kun ne saavuttavat insertiokohdan humerukseen . Koska kuitujen suuntautuminen on erilaista ja ylemmän kapselikompleksin sisällä on erilaisia kerroksia, esiintyy todennäköisesti merkittäviä leikkausvoimia, joilla voi olla merkitystä mansetin repeämissä. Nämä mansetin rakenteen sisäiset vaihtelut voivat selittää, miksi mansetin sisäisiä repeämiä esiintyy. Leikkausvoimat kohdistuvat todennäköisesti neljänteen kerrokseen, joka on mansetin sisäisten repeämien syntypaikka. Nämä ovat yleensä mansetin degeneroituneita repeämiä.

Kollageeni

Supraspinatusendonin keskisubstanssi koostuu pääasiassa tyypin I kollageenista, ja siinä on suhteellisen pieniä määriä tyypin III kollageenia, dekoriinia ja biglykaania. Insertion fibrokartilaasin osuuden kollageeni- ja proteoglykaanipitoisuus on samanlainen kuin kudoksissa, joihin on kohdistunut puristavaa kuormitusta. Tämä johtuu osittain jänteen kietoutumisesta olkaluun ympärille. Siksi se sisältää pääasiassa tyypin II kollageenia ja suurempia proteoglykaaneja, kuten aggrekaania. Histologinen rakenne ei kuitenkaan muistuta kypsää fibroluuta. Kiertäjäkalvosimen tendinopatiassa on havaittu kollageenin tyypin III, proteiinin, jolla on merkitystä paranemisessa ja korjaantumisessa, sekä glykosaminoglykaanin ja proteoglykaanin pitoisuuden lisääntymistä. Nämä koostumuksen muutokset voivat olla adaptiivisia, patologisia tai molempia, ja niiden on todettu olevan muuttuneita iäkkäämmässä väestössä.

Lisäksi viimeaikaisissa tutkimuksissa on havaittu sileän lihaksen aktiinin (SMA) lisääntyneitä pitoisuuksia revähtäneissä kiertäjäkalvosimissa. SMA-positiivisten solujen on osoitettu supistavan kollageeni-glykosaminoglykaanianalogia in vitro. Kiertäjäkalvosimen repeämässä olevat SMA:ta sisältävät solut saattavat reagoida suuren GAG- ja proteoglykaanipitoisuuden kanssa, mikä johtaa repeytyneen kiertäjäkalvosimen vetäytymiseen ja mahdollisen paranemisen estymiseen.

Vaskulariteetti

Kiertäjäkalvosimen pääasiallinen valtimoverkosto tulee anteriorisen humeraalisen circumflex-valtimon nousevasta haarakkeesta, thoracoacromiaalisen valtimon acromiaalisesta haarakkeesta sekä suprakapulaarisesta ja posteriorisesta humeraalisesta circumflex-valtimosta.

Kiertäjäkalvosimen repeämien patogeneesiin on katsottu vaikuttavan kiertäjäkalvosimen jänteiden mikroverisuonitus. Useimmissa cadaver-tutkimuksissa on osoitettu hypovaskulaarinen alue supraspinatustendonin kriittisellä vyöhykkeellä. On esitetty, että tällä hypovaskulaarisella alueella on merkittävä rooli ikääntyvän jänteen rappeutumisessa. Uudemmat tutkimukset supraspinatus-jänteen mikroverisuonituksesta oireilevilla potilailla, joilla on impingement-oireyhtymä, viittaavat siihen, että suurimman impingementin alueella eli kriittisellä vyöhykkeellä (8 mm:n etäisyydellä proksimaalisesti supraspinatus-jänteen insertiosta) on itse asiassa hypervaskulaarisuutta. Toisin kuin cadaver-tutkimuksissa, nämä tutkimukset näyttävät viittaavan siihen, että hypervaskularisaatio tai neovaskularisaatio liittyy oireiseen kiertäjäkalvosimen sairauteen, joka on sekundaarinen mekaanisen impingementin seurauksena.

In vivo -analyysi, jossa käytettiin ortogonaalista polarisaatiospektrikuvantamista, on osoittanut, että supraspinatus-jänteessä on hyvä verisuonitus jopa kriittisellä vyöhykkeellä ehjissä kiertäjäkalvosimissa .

A – kapillaareja normaalin supraspinatusjänteen sisällä. B – puuttuvat kapillaarit supraspinatuskalvosimen repeämän reunoilla.

Kalvosimen repeämien etiologia

Kiertäjäkalvosimen repeämien syyksi on kaksi pääteoriaa:

1. Extrinsic – johtuu kiertäjäkalvosimen kompressiosta ja impingementistä ulkopuolelta. Esimerkiksi subakromiaalisen bursaalipuolella akromiaalisten kannusten ja coracoacromialligamentin aiheuttama (subakromiaalinen impingementti) ja nivelpuolella Glenoidin ja humeruksen väliin jäävän jänteen jäämisestä Glenoidin ja humeruksen väliin äärimmäisessä abduktiossa ja ulkoisessa rotaatiossa (sisäinen impingementti)
2. Intrinsic – kyyneleiden kehittyminen rotaattorimansetin omien ominaisuuksien muuttuessa.

Tutkitaan joitakin biomekaanisia syitä, jotka aiheuttavat kiertäjäkalvosimen repeämiä, eikä niinkään ekstrinsisten ja intrinsisten syiden välisiä eroja.

Strain

Supraspinatuksen rasituksen lisääntyminen 60 asteen abduktioon asti magneettikuvauksen avulla.

Ei eroa rasituksessa jänteen bursaalisen & nivelpuolen välillä .

Jännityskonsentraatio

Käyttämällä finiittielementtimallinnusta rotaattorimansetin jännityskonsentraatioita tutkittiin eriasteisessa subacromiaalisessa impingementissä. Jännityskonsentraatiot olivat suurimmat mansetin kriittisellä vyöhykkeellä, ja repeämät voimistuivat nivelpuolella, bursaalipuolella ja intratendinaalisesti. Nivelpuolen repeämät olivat hieman yleisempiä.

Subacromial Extrinsic Impingement

Neer uskoi alun perin, että kiertäjäkalvosimen repeämät syntyvät mekaanisesta prosessista, joka on sekundaarinen progressiivisen kulumisen seurauksena. Hän havaitsi, että akromionin etupuoli oli osallisena AC-nivelestä peräisin olevien osteofyyttien kanssa tai ilman niitä

Acromionin etupuolen morfologian on todettu korreloivan kalvosimen repeämien kanssa. Kadaveritutkimus 140 olkapäässä, että 73 % todetuista rotator cuff -repeämistä oli tyypin 3 koukistuneissa akromioneissa . Tätä ovat vahvistaneet myös viimeaikaiset kliiniset tutkimukset, joissa akromionin morfologian todettiin ennustavan kalvosimen repeämiä .

Biglianin luokitus akromionin morfologiasta. Tyyppi 3 liittyi yleisemmin kiertäjäkalvosimen repeämiin

Sisäinen impingement

Kapselin anteriorisen löysyyden, posteriorisen supistumisen ja sisäisen impingementin muodostama kolmikko kuvattiin alun perin yläraajaurheilijoilla . Sisäinen impingementti syntyy, kun mansetti jää puristuksiin olkavarren pään ja postero-superior-labrumin väliin äärimmäisen abduktion ja ulkorotaation aikana. Tämä hankaa ja hiertää kalvosimen nivelpintaa johtaen vähitellen kalvosimen repeämiin.

Jänteen rappeutuminen

Kiertäjäkalvosin näyttää rappeutuvan iän myötä. Magneettitutkimuksissa (MRI) kiertäjäkalvosimen repeämiä oli 54 %:lla yli 60-vuotiaista oireettomista henkilöistä . Magneettikuvaus on kuitenkin vain 75-90-prosenttisen tarkka täyden paksuuden kiertäjäkalvosimen repeämien diagnosoinnissa. Kiertäjäkalvosimen ikään liittyvistä muutoksista on tehtävä lisää työtä, mutta ikääntyvä kalvosin on todennäköisesti alttiimpi ekstrinsisille ja intrinsisille mekanismeille.