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Biomeccanica della cuffia dei rotatori

Lennard Funk
Per MSc Orthopaedic Engineering, 2005

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Lo scopo di questa presentazione è di discutere la letteratura attuale e le opinioni sulla biomeccanica della cuffia dei rotatori e metterla in relazione alla rilevanza clinica negli strappi della cuffia dei rotatori. Ho intenzione di coprire:

1. Meccanica della cuffia
2. Anatomia del tendine – strati, microanatomia, fornitura di sangue
3. Patomeccanica degli strappi della cuffia

Muscoli della cuffia dei rotatori

Il complesso della spalla comprende 30 muscoli. Questi muscoli muovono la spalla e la stabilizzano – “muovono” e “agitano”. I muscoli della cuffia dei rotatori stabilizzano prevalentemente l’articolazione gleno-omerale, ma contribuiscono anche significativamente al movimento.

I muscoli della cuffia dei rotatori sono:

1. Supraspinato
2. Infraspinato
3. Teres Minor
4. Subscapolare

I tendini di questi muscoli si fondono per formare la cuffia dei rotatori. I muscoli sono inseparabili a questo livello, tranne il sottoscapolare che è separato e unito al resto della cuffia attraverso l’intervallo dei rotatori.

Supraspinato

Il sovraspinato non è solo un iniziatore dell’abduzione, ma agisce in tutta la gamma di abduzione della spalla. Ha lo stesso potere di abduzione del deltoide. Si noti che si trova nel piano scapolare – cioè 30 gradi al piano coronale (Figura 2).

Infraspinato & Teres Minor

Questi due muscoli si trovano sotto la spina scapolare e sono rotatori esterni della spalla. L’infraspinato agisce principalmente con il braccio in neutro e il Teres Minor è più attivo con la rotazione esterna in 90 gradi di abduzione.

Subscapularis

Subscapularis è il principale rotatore interno della spalla. È il più grande &muscolo della cuffia più forte, fornendo il 53% della forza totale della cuffia. Il 60% superiore dell’inserzione è tendinea e il 40% inferiore muscolare. È un contenimento passivo in neutro, ma non in abduzione.

Deltoide

Il muscolo deltoide è l’unico elevatore della spalla se il sovraspinato è strappato e disfunzionale. Pertanto, la maggior parte della riabilitazione è diretta a questo muscolo. Comprende porzioni antero-medie e posteriori che sono più attive a seconda della direzione di elevazione del braccio.

Vista anteriore del deltoide Vista posteriore del deltoide

Diagramma a corpo libero per calcolare la forza del deltoide

In questo diagramma, con il braccio completamente esteso il deltoide deve contrastare il peso del braccio e un peso di 25 kg nella mano della persona.

1. Momenti di trazione dell’omero verso il basso:

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

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

= 174 + 16,91 = 190,91Nm

2. Momenti che spingono l’omero verso l’alto:

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

Assumiamo l’equilibrio: momenti su = momenti giù

190.91 = 0,01528d

Tensione deltoidea d = 12 494,11N

Ora se la persona piega il gomito, riducendo il momento braccio del peso e del braccio da 25kg la forza richiesta al deltoide per elevare il braccio sarà ridotta.

(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. Momenti di spinta dell’omero verso l’alto:

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

Assumiamo l’equilibrio: momenti su = momenti giù

68.67 = 0.01528d

Tensione deltoide d = 4 494.1N

Accoppiamenti di forze

Una forza che agisce su un corpo ha due effetti, uno per spostarlo e due per ruotarlo. Tuttavia, un corpo può ruotare senza muoversi. Cioè una forza può causare solo rotazione senza traslazione. Una coppia di forze è un sistema che esercita un movimento risultante, ma nessuna forza risultante. Due forze uguali e opposte esercitano una forza puramente di rotazione. Nella spalla il corpo è la testa omerale e le forze uguali ma opposte sono i muscoli della cuffia dei rotatori.

In una coppia di forze, la forza generata da un muscolo (l’agonista primario) richiede l’attivazione di un muscolo antagonista in modo che una forza dislocante non risulti (Nordin & Frankel, 2001).

I muscoli della cuffia dei rotatori agiscono come una coppia di forze tra loro e con il deltoide. I muscoli della cuffia dei rotatori lavorano insieme per contenere l’articolazione gleno-omerale, che è un’articolazione intrinsecamente instabile. La progressione di uno strappo o di una disfunzione della cuffia dei rotatori porta alla sublussazione superiore della testa omerale. Questo porta alla disfunzione della spalla.

La cuffia dei rotatori stabilizza l’articolazione gleno-omerale attraverso coppie di forze sia sul piano coronale che trasversale.

Coppia di forza coronale

Deltoide e sopraspinato contribuiscono entrambi all’abduzione allo stesso modo. Quando il braccio è abdotto, la forza di reazione articolare risultante è diretta verso il glenoide. Questo “comprime” la testa omerale contro la Glenoide e migliora la stabilità dell’articolazione quando il braccio è abdotto e sopra la testa.

Coppia di forze sul piano trasversale

Per tutta la durata del movimento la forza di reazione articolare compressiva nel piano trasversale contribuisce alla stabilità dell’articolazione. Questo è il meccanismo predominante che resiste allo spostamento della testa omerale superiore in caso di rottura della cuffia. Finché la coppia di forze tra sottoscapolare e infraspinato rimane equilibrata, l’articolazione rimane centrata.

Restrizioni statiche

Oltre agli stabilizzatori dinamici menzionati sopra, ci sono importanti restrizioni secondarie allo spostamento superiore della testa omerale con rottura della cuffia.

Arco coraco-acromiale

L’arco coraco-acromiale è la combinazione di coracoide, legamento coracoacromiale e acromion. Questi formano un arco sopra la cuffia dei rotatori e la testa omerale.

Arco coraco-acromiale (verde) formato dal coracoide, legamento coracoacromiale e acromion

Testa lunga del bicipite

La testa lunga del bicipite passa sopra la testa omerale curvando in due piani formando la forma di un punto interrogativo. Si riconosce che fornisce un piccolo grado di stabilità all’articolazione gleno-omerale. Questo è prevalentemente con l’abduzione e la rotazione esterna del braccio nel piano scapolare.

La puleggia del bicipite è uno stabilizzatore del capo lungo del bicipite nel solco del bicipite. La rottura di questa puleggia con uno strappo della cuffia dei rotatori porta alla sublussazione mediale del capo lungo del bicipite e alla disfunzione.

Patologia della cuffia dei rotatori

Ultrastruttura della cuffia

La fusione dei tendini dei rotatori suggerisce che essi agiscono più come una struttura combinata e integrativa che come entità singole. La microstruttura dei tendini della cuffia dei rotatori vicino alle inserzioni del sovraspinato e dell’infraspinato è stata ulteriormente descritta come una struttura a cinque strati:

• Lo strato uno è composto dalle fibre superficiali del legamento coraco-omerale.
• Lo strato due, che è la porzione principale dei tendini della cuffia, è visto come fibre tendinee parallele strettamente imballate raggruppate in grandi fasci che si estendono direttamente dai ventri muscolari all’inserzione sull’omero.
• Lo strato tre è anche una spessa struttura tendinea ma con fasci più piccoli che nello strato due e un orientamento meno uniforme.
• Lo strato quattro è composto da tessuti connettivi sciolti con bande spesse di fibre collagene che corrono perpendicolarmente all’orientamento primario delle fibre dei tendini della cuffia. Questo strato contiene l’estensione profonda del legamento coraco-omerale ed è stato variamente descritto come una banda trasversale, una banda pericapsulare, o un cavo rotatorio. Questo strato può avere un ruolo nella distribuzione delle forze tra le inserzioni tendinee e può spiegare perché alcuni strappi della cuffia dei rotatori sono clinicamente asintomatici.
• Lo strato cinque è il vero strato capsulare e forma un cilindro continuo dalla glenoide all’omero. Le fibre in questo strato sono, per la maggior parte, orientate in modo casuale.

L’orientamento delle fibre differisce anche lungo la lunghezza del tendine della cuffia dei rotatori. Vicino alle giunzioni muscolotendinee, i tendini sono composti principalmente da fibre di collagene omogenee parallele, ma diventano fasci piatti simili a nastri di fibre che si incrociano con un angolo di circa 45 gradi quando raggiungono l’inserzione nell’omero. A causa dei vari orientamenti delle fibre e degli strati distinti all’interno del complesso capsulare superiore, è probabile che esistano significative forze di taglio che possono avere un ruolo negli strappi della cuffia. Queste variazioni intratendinee nella struttura della cuffia possono spiegare perché si verificano lacerazioni intrasostanziali. Le forze di taglio sono probabilmente dirette allo strato quattro, che è il sito di sviluppo degli strappi intratendinei della cuffia. Questi tendono ad essere lacerazioni degenerate della cuffia.

Collagene

La sostanza intermedia del sovraspinatustendine è composta principalmente da collagene di tipo I, con quantità relativamente piccole di collagene di tipo III, decorina e biglicano. La porzione di fibrocartilagine dell’inserzione ha un contenuto di collagene e proteoglicani simile a quello dei tessuti che sono stati sottoposti a carichi di compressione. Questo è in parte dovuto all’avvolgimento del tendine attorno all’omero. Pertanto, contiene principalmente collagene di tipo II e proteoglicani più grandi come l’aggrecan. L’organizzazione istologica, tuttavia, non assomiglia alla fibrocartilagine matura. Nella tendinopatia della cuffia dei rotatori, è stato osservato un aumento del collagene di tipo III, una proteina che svolge un ruolo nella guarigione e nella riparazione, e del contenuto di glicosaminoglicani e proteoglicani. Questi cambiamenti di composizione possono essere adattativi, patologici o entrambi, e si trovano alterati nella popolazione più anziana.

Inoltre, studi recenti hanno dimostrato un aumento dei livelli di actina muscolare liscia (SMA) nelle cuffie dei rotatori strappate. Le cellule SMA-positive hanno dimostrato di contrarre un analogo del collagene-glicosaminoglicano in vitro. Le cellule contenenti SMA nelle lacerazioni della cuffia dei rotatori possono reagire con gli alti livelli di GAG e proteoglicano con conseguente retrazione della cuffia dei rotatori rotta e inibizione della potenziale guarigione.

Vascolarità

Il principale apporto arterioso alla cuffia dei rotatori deriva dal ramo ascendente dell’arteria circonflesso omerale anteriore, il ramo acromiale dell’arteria toracoacromiale, così come le arterie circonflesso sovrascapolare e omerale posteriore.

La patogenesi degli strappi della cuffia dei rotatori è stata considerata influenzata dalla fornitura microvascolare dei tendini della cuffia dei rotatori. La maggior parte degli studi sui cadaveri hanno dimostrato un’area ipovascolare all’interno della zona critica del sovraspinatendine. È stato suggerito che questa zona di ipovascolarità ha un ruolo significativo nella degenerazione attrattiva del tendine che invecchia. Studi più recenti sull’apporto microvascolare al tendine del sovraspinato in pazienti sintomatici con sindrome da impingement suggeriscono che nell’area di maggiore impingement, cioè la zona critica (8 mm prossimale all’inserzione del tendine del sovraspinato), c’è effettivamente ipervascolarità. In contrasto con le indagini sui cadaveri, questi studi sembrano implicare che l’ipervascolarità o la neovascolarizzazione è associata alla malattia sintomatica della cuffia dei rotatori secondaria all’impingement meccanico.

L’analisi in vivo utilizzando l’imaging spettrale di polarizzazione ortogonale ha dimostrato che c’è una buona vascolarizzazione del sovraspinato, anche nella zona critica nelle cuffie dei rotatori intatte.

A – capillari nel tendine del sovraspinato normale. B – capillari assenti nei bordi di uno strappo della cuffia sopraspinata.

Eziologia degli strappi della cuffia

Ci sono due teorie principali per la causa degli strappi della cuffia dei rotatori:

1. Estrinseco – dovuto alla compressione e impingement della cuffia dei rotatori dall’esterno. Come sul lato borsale subacromiale da speroni acromiali e il legamento coracoacromiale (impingement subacromiale); e sul lato articolare da intrappolamento del tendine tra il glenoide e l’omero in estrema abduzione e rotazione esterna (impingement interno)
2. Intrinseco – sviluppo di strappi a causa delle proprietà mutevoli della cuffia dei rotatori stessa.

Esploreremo alcune delle ragioni biomeccaniche per lo sviluppo degli strappi della cuffia, piuttosto che le differenze tra cause estrinseche e intrinseche.

Strain

Strain crescente nel sovraspinato fino a 60 gradi di abduzione usando la RM.

Nessuna differenza nella deformazione tra il lato borsale & articolare del tendine.

Concentrazione di stress

Utilizzando la modellazione ad elementi finiti della cuffia dei rotatori le concentrazioni di stress sono state studiate in vari gradi di impingement subacromiale. Le concentrazioni di stress erano più alte nella zona critica della cuffia con strappi potenziati sul lato articolare, borsale e intratendineo. Gli strappi sul lato articolare erano leggermente più comuni.

Impingement subacromiale estrinseco

Neer originariamente credeva che gli strappi della cuffia dei rotatori derivassero da un processo meccanico secondario alla progressiva usura. Egli trovò l’aspetto anteriore dell’acromion coinvolto con o senza osteofiti dall’articolazione AC

La morfologia dell’acromion anteriore è stata trovata per correlare con gli strappi della cuffia. Uno studio cadaverico su 140 spalle ha dimostrato che il 73% degli strappi della cuffia dei rotatori trovati erano in acromion uncinati di tipo 3. Questo è stato anche confermato da recenti studi clinici in cui la morfologia acromiale è risultata essere un fattore predittivo per gli strappi della cuffia.

La classificazione di Bigliani della morfologia acromiale. Il tipo 3 era più comunemente associato agli strappi della cuffia dei rotatori

Impingement interno

La triade di lassità capsulare anteriore, contrazione posteriore e impingement interno è stata originariamente descritta in atleti overhead. L’impingement interno si verifica quando la cuffia è schiacciata tra la testa omerale e il labbro postero-superiore durante l’abduzione estrema e la rotazione esterna. Questo graffia e abrade la superficie articolare della cuffia portando progressivamente alla rottura della cuffia.

Degenerazione del tendine

La cuffia dei rotatori sembra degenerare con l’età. Su studi di risonanza magnetica (MRI) gli strappi della cuffia erano presenti nel 54% delle persone asintomatiche di età superiore ai 60 anni. Tuttavia, la risonanza magnetica è accurata solo al 75-90% nella diagnosi degli strappi della cuffia dei rotatori a tutto spessore. Bisogna lavorare di più sui cambiamenti legati all’età della cuffia dei rotatori, ma la cuffia che invecchia è probabilmente più soggetta ai meccanismi estrinseci e intrinseci.