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Biomécanique de la coiffe des rotateurs

Lennard Funk
For MSc Orthopaedic Engineering, 2005

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Le but de cette présentation est de discuter de la littérature actuelle et des opinions sur la biomécanique de la coiffe des rotateurs et de la relier à la pertinence clinique dans les déchirures de la coiffe des rotateurs. J’ai l’intention de couvrir :

1. Mécanique de la coiffe
2. Anatomie du tendon – couches, microanatomie, apport sanguin
3. Pathomécanique des déchirures de la coiffe

Muscles de la coiffe des rotateurs

Le complexe de l’épaule comprend 30 muscles. Ces muscles permettent à la fois de déplacer l’épaule et de la stabiliser – des  » déménageurs  » et des  » secoueurs « . Les muscles de la coiffe des rotateurs stabilisent principalement l’articulation gléno-humérale, mais contribuent également de manière significative au mouvement.

Les muscles de la coiffe des rotateurs sont :

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

Les tendons de ces muscles se rejoignent pour former la coiffe des rotateurs. Les muscles sont inséparables à ce niveau, à l’exception du subscapulaire qui est séparé et relié au reste de la coiffe par l’intermédiaire de l’intervalle des rotateurs.

Supraspinatus

Le supraspinatus n’est pas seulement un initiateur de l’abduction, mais agit dans toute l’amplitude de l’abduction de l’épaule. Il a une puissance d’abduction égale à celle du deltoïde. Notez qu’il se situe dans le plan scapulaire – c’est-à-dire à 30 degrés par rapport au plan coronal (figure 2).

Infraspinatus & Teres Minor

Ces deux muscles se situent sous l’épine scapulaire et sont des rotateurs externes de l’épaule. L’Infraspinatus agit principalement avec le bras en position neutre et le Teres Minor est plus actif en rotation externe à 90 degrés d’abduction.

Subscapularis

Subscapularis est le principal rotateur interne de l’épaule. C’est le plus grand &muscle de la coiffe le plus fort, fournissant 53% de la force totale de la coiffe. Les 60% supérieurs de l’insertion sont tendineux et les 40% inférieurs musculaires. C’est une contention passive en neutre, mais pas en abduction.

Deltoïde

Le muscle deltoïde est le seul élévateur de l’épaule si le supraspinatus est déchiré et dysfonctionnel. C’est pourquoi la plupart des rééducations sont dirigées vers ce muscle. Il comprend des portions antéro-médiane et postérieure qui sont plus actives selon la direction de l’élévation du bras.

Vue antérieure du deltoïde Vue postérieure du deltoïde

Diagramme à corps libre pour calculer la force du deltoïde

Dans ce diagramme, avec le bras complètement étendu, le deltoïde doit contrer le poids du bras et un poids de 25 kg dans la main de la personne.

1. Moments tirant l’humérus vers le bas :

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

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

= 174 + 16,91 = 190,91Nm

2. Moments tirant l’humérus vers le haut :

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

Supposer l’équilibre : moments vers le haut = moments vers le bas

190.91 = 0,01528d

Tension du deltoïde d = 12 494,11N

Maintenant si la personne plie son coude, réduisant le moment bras du poids et du bras de 25kg, la force requise du deltoïde pour élever le bras sera réduite.

(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. Moments de traction de l’humérus vers le haut :

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

Supposer l’équilibre : moments vers le haut = moments vers le bas

68,67 = 0,01528d

Tension deltoïde d = 4 494,1N

Couples de force

Une force agissant sur un corps a deux effets, un pour le déplacer et deux pour le faire tourner. Cependant, un corps peut tourner sans se déplacer. C’est-à-dire qu’une force ne peut provoquer qu’une rotation sans translation. Un couple de forces est un système qui exerce un mouvement résultant, mais pas de force résultante. Deux forces égales et opposées exercent une force de rotation pure. Dans l’épaule, le corps est la tête humérale et les forces égales mais opposées sont les muscles de la coiffe des rotateurs.

Dans un couple de force, la force générée par un muscle (l’agoniste primaire) nécessite l’activation d’un muscle antagoniste afin qu’une force de dislocation n’en résulte pas (Nordin & Frankel, 2001).

Les muscles de la coiffe des rotateurs agissent comme un couple de force entre eux et avec le deltoïde. Les muscles de la coiffe des rotateurs travaillent ensemble pour contenir l’articulation glénohumérale, qui est une articulation intrinsèquement instable. La progression d’une déchirure ou d’un dysfonctionnement de la coiffe des rotateurs entraîne une subluxation supérieure de la tête humérale. Cela entraîne un dysfonctionnement de l’épaule.

La coiffe des rotateurs stabilise l’articulation gléno-humérale par des couples de forces dans les plans coronal et transversal.

Couple de force coronal

Le deltoïde et le supraspinatus contribuent tous deux à l’abduction de manière égale. Lorsque le bras est abducté, la force de réaction articulaire résultante est dirigée vers le glène. Cela  » comprime  » la tête humérale contre le glène et améliore la stabilité de l’articulation lorsque le bras est en abduction et au-dessus de la tête.

Couple de forces dans le plan transversal

Pendant toute l’amplitude du mouvement, la force de réaction articulaire résultante compressive dans le plan transversal contribue à la stabilité de l’articulation. C’est le mécanisme prédominant qui résiste au déplacement de la tête supérieure-humérale en cas de rupture de la coiffe. Tant que le couple de force entre le subscapularis et l’Infraspinatus reste équilibré, l’articulation reste centrée.

Retenues statiques

En plus des stabilisateurs dynamiques mentionnés ci-dessus, il existe d’importantes retenues secondaires au déplacement supérieur de la tête humérale avec les déchirures de la coiffe.

Arche coraco-acromiale

L’arche coraco-acromiale est la combinaison du coracoïde, du ligament coracoacromial et de l’acromion. Ceux-ci forment une arche au-dessus de la coiffe des rotateurs et de la tête humérale.

Arche coraco-acromiale (vert) formée par le coracoïde, le ligament coraco-acromial et l’acromion

La longue tête du biceps

La longue tête du biceps passe sur la tête humérale en s’incurvant dans deux plans formant la forme d’un point d’interrogation. Il est reconnu comme apportant un petit degré de stabilité à l’articulation gléno-humérale. Ceci est prédominant avec l’abduction et la rotation externe du bras dans le plan scapulaire .

La poulie du biceps est un stabilisateur de la longue tête du biceps dans la rainure du biceps. La rupture de cette poulie avec une déchirure de la coiffe des rotateurs entraîne une subluxation médiale de la longue tête du biceps et une dysfonction.

Patho-anatomie de la coiffe des rotateurs

Ultrastructure de la coiffe

La fusion des tendons de la coiffe des rotateurs suggère qu’ils agissent plus comme une structure combinée et intégrative que comme des entités uniques. La microstructure des tendons de la coiffe des rotateurs près des insertions du supraspinatus et du infraspinatus a été décrite plus précisément comme une structure à cinq couches :

• La première couche est composée des fibres superficielles du coracohumeralligament.
• La couche deux, qui constitue la partie principale des tendons de la coiffe, est vue comme des fibres tendineuses parallèles étroitement serrées et regroupées en grands faisceaux s’étendant directement des ventres musculaires à l’insertion sur l’humérus.
• La couche trois est également une structure tendineuse épaisse mais avec des fascias plus petits que dans la couche deux et une orientation moins uniforme.
• La couche quatre est composée de tissus conjonctifs lâches avec des bandes épaisses de fibres de collagène s’étendant perpendiculairement à l’orientation primaire des fibres des tendons de la coiffe. Cette couche contient l’extension profonde du ligament coracohuméral et a été diversement décrite comme une bande transversale, une bande péricapsulaire, ou un câble de rotateur. Cette couche peut avoir un rôle dans la distribution des forces entre les insertions tendineuses et expliquer pourquoi certaines déchirures de la coiffe des rotateurs sont cliniquement asymptomatiques.
• La couche cinq est la véritable couche capsulaire et forme un cylindre continu de la glène à l’humérus. Les fibres de cette couche sont, pour la plupart, orientées de façon aléatoire.

L’orientation des fibres diffère également sur la longueur du tendon de la coiffe des rotateurs. Près des jonctions musculotendineuses, les tendons sont principalement composés de fibres de collagène homogènes parallèles, mais deviennent des faisceaux de fibres plats en forme de ruban qui se croisent à un angle d’environ 45 degrés lorsqu’ils atteignent l’insertion dans l’humérus . En raison des différentes orientations des fibres et des couches distinctes au sein du complexe capsulaire supérieur, des forces de cisaillement importantes existent probablement et peuvent jouer un rôle dans les déchirures de la coiffe. Ces variations intratendineuses de la structure de la coiffe peuvent expliquer l’apparition de déchirures intrasubstance. Les forces de cisaillement sont probablement dirigées vers la quatrième couche, qui est le site de développement des déchirures intratendineuses de la coiffe. Celles-ci ont tendance à être des déchirures dégénérées de la coiffe.

Collagène

La substance moyenne du supraspinatustendon est principalement composée de collagène de type I, avec des quantités relativement faibles de collagène de type III, de décorine et de biglycane. La partie fibrocartilagineuse de l’insertion a une teneur en collagène et en protéoglycanes similaire à celle des tissus qui ont été soumis à des charges de compression. Ceci est en partie dû à l’enroulement du tendon autour de l’humérus. Par conséquent, il contient principalement du collagène de type II et des protéoglycanes de plus grande taille comme l’aggrécan. L’organisation histologique, cependant, ne ressemble pas à un fibrocartilage mature. Dans la tendinopathie de la coiffe des rotateurs, on a observé une augmentation du collagène de type III, une protéine qui joue un rôle dans la cicatrisation et la réparation, et de la teneur en glycosaminoglycanes et en protéoglycanes. Ces changements de composition peuvent être adaptatifs, pathologiques ou les deux, et on constate qu’ils sont altérés dans la population âgée.

De plus, des études récentes ont montré des niveaux accrus d’actine musculaire lisse (SMA) dans les coiffes des rotateurs déchirées. Il a été démontré que les cellules positives à la SMA contractent un analogue de collagène-glycosaminoglycane in vitro. Les cellules contenant de la SMA dans les déchirures de la coiffe des rotateurs peuvent réagir avec les niveaux élevés de GAG et de protéoglycane, ce qui entraîne une rétraction de la coiffe des rotateurs rompue et une inhibition de la guérison potentielle.

Vascularisation

La principale alimentation artérielle de la coiffe des rotateurs provient de la branche ascendante de l’artère circonflexe humérale antérieure, de la branche acromiale de l’artère thoraco-acromiale, ainsi que des artères circonflexes suprascapulaires et humérales postérieures.

On a considéré que la pathogenèse des déchirures de la coiffe des rotateurs était influencée par l’apport microvasculaire des tendons de la coiffe des rotateurs. La plupart des études sur cadavres ont démontré une zone hypovasculaire dans la zone critique du supraspinatustendon. Il a été suggéré que cette zone d’hypovascularisation joue un rôle important dans la dégénérescence attritionnelle du tendon vieillissant. Des études plus récentes de l’approvisionnement microvasculaire du tendon sus-épineux chez des patients symptomatiques du syndrome de conflit suggèrent que dans la zone de conflit le plus important, c’est-à-dire la zone critique (8 mm proximaux de l’insertion du tendon sus-épineux), il existe en fait une hypervascularisation. Contrairement aux investigations sur cadavres, ces études semblent impliquer que l’hypervascularisation ou la néovascularisation est associée à la maladie symptomatique de la coiffe des rotateurs secondaire à un empiètement mécanique.

L’analyse in vivo utilisant l’imagerie spectrale à polarisation orthagonale a démontré qu’il existe une bonne vascularisation du supra-épineux, même dans la zone critique dans les coiffes des rotateurs intactes .

A – capillaires au sein du tendon supra-épineux normal. B – capillaires absents dans les bords d’une déchirure de la coiffe supra-épineuse.

Étiologie des déchirures de la coiffe

Il existe deux théories principales pour la cause des déchirures de la coiffe des rotateurs :

1. Extrinsèque – due à la compression et à l’empiètement de la coiffe des rotateurs de l’extérieur. Par exemple, du côté de la bourse sous-acromiale à cause des éperons acromiaux et du coracoacromialligament (empiètement sous-acromial) ; et du côté articulaire à cause du piégeage du tendon entre le glène et l’humérus en abduction extrême et en rotation externe (empiètement interne)
2. Intrinsèque – développement de déchirures dues à des propriétés changeantes de la coiffe des rotateurs elle-même.

Nous allons explorer certaines des raisons biomécaniques du développement des déchirures de la coiffe, plutôt que les différences entre les causes extrinsèques et intrinsèques.

Déformation

Déformation croissante du supraspinatus jusqu’à 60 degrés d’abduction en utilisant l’IRM.

Pas de différence de déformation entre le côté bursal &articulaire du tendon .

Concentration des contraintes

En utilisant la modélisation par éléments finis de la coiffe des rotateurs, les concentrations de contraintes ont été étudiées à différents degrés de conflit sous-acromial. Les concentrations de contraintes étaient les plus élevées dans la zone critique de la coiffe avec des déchirures se potentialisant sur le côté articulaire, le côté bursal et l’intratendineux. Les déchirures du côté articulaire étaient légèrement plus fréquentes .

Le conflit sous-acromial extrinsèque

Neer pensait initialement que les déchirures de la coiffe des rotateurs provenaient d’un processus mécanique secondaire à une usure progressive. Il trouvait l’aspect antérieur de l’acromion impliqué avec ou sans ostéophytes de l’articulation AC

La morphologie de l’acromion antérieur a été trouvée en corrélation avec les déchirures de la coiffe. Une étude cadavérique de 140 épaules que 73% des déchirures de la coiffe des rotateurs trouvées étaient dans les acromions crochus de type 3 . Cela a également été confirmé par des études cliniques récentes où la morphologie de l’acromion s’est avérée être un facteur prédictif des déchirures de la coiffe .

Classification de Bigliani de la morphologie de l’acromion. Le type 3 était plus fréquemment associé aux déchirures de la coiffe des rotateurs

Le conflit interne

La triade de la laxité capsulaire antérieure, de la contraction postérieure et du conflit interne a été décrite à l’origine chez les athlètes aériens . Le conflit interne se produit lorsque la coiffe est pincée entre la tête humérale et l’abdomen postéro-supérieur pendant une abduction et une rotation externe extrêmes. Cela érafle et abrase la surface articulaire de la coiffe conduisant progressivement à des déchirures de la coiffe.

Dégénérescence du tendon

La coiffe des rotateurs semble dégénérer avec l’âge. Sur des études par résonance magnétique (IRM), des déchirures de la coiffe étaient présentes chez 54% des personnes asymptomatiques de plus de 60 ans . Cependant, l’IRM n’est précise qu’à 75-90% pour diagnostiquer les déchirures de la coiffe des rotateurs de pleine épaisseur . Des travaux supplémentaires doivent être effectués sur les changements liés à l’âge de la coiffe des rotateurs, mais la coiffe vieillissante est probablement plus sujette aux mécanismes extrinsèques et intrinsèques.