Rotator Cuff Biomechanics
Lennard Funk
for MSc Orthopaedic Engineering, 2005
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このプレゼンテーションの目的は、現在の文献や腱板のバイオメカニクスに対する意見、腱板の断裂における臨床との関連を論じることである。 カバーするつもりである。
- カフメカニクス
- 腱の解剖学-層、微細構造、血液供給
- カフ破れのパスメカニクス
腱板筋
肩複合体は30の筋肉で構成されています。 これらの筋肉は肩を動かし、安定させる-「動かす」と「揺らす」。 腱板筋は主に肩甲上腕関節を安定させるが、運動にも大きく貢献する。
ローテーターカフの筋肉は以下の通り：
- 棘上筋
- 棘下筋
- Teres Minor
- Subscapularis
これらの筋肉の腱は合体してローテーターカフと呼ばれるようになる。
Supraspinatus
棘上筋は外転のイニシエーターであるだけでなく、肩の外転範囲全体にわたって作用する。 三角筋と同等の外転力があります。
棘上筋 & Teres Minor
この2つの筋は肩甲棘の下にあり、肩を外旋させる筋である。 棘下筋は主に腕をニュートラルにした状態で働き、小手術筋は外転90度での外旋でより活発に働く。 肩甲骨の強さは全体の53％を占め、最も強力な肩甲骨の筋肉である。 挿入部の上部60%は腱性、下部40%は筋肉である。 ニュートラルでは受動的な拘束力を発揮するが、外転はできない。
Deltoid
棘上筋が断裂して機能不全の場合、三角筋は唯一の肩の挙上筋である。 そのため、ほとんどのリハビリはこの筋肉を対象として行われる。 三角筋は、前中央部と後方部からなり、腕を上げる方向によってより活性化される。
三角筋の前面図 三角筋の後面図
三角筋の力を算出する自由体図
この図で見ると、このように見えます。 腕を完全に伸ばした状態で、三角筋は腕の重さと人の手にある25kgの重りを打ち消さなければなりません。
1. 上腕骨を引き下げるモーメント。
(25 x 9.81) x 0.71 = 174Nm
(5.07 x 9.81) x 0.34 = 16.91Nm
= 174 + 16.91 = 190.91Nm
2.上腕骨を下に引くモーメント。 上腕骨を引き上げるモーメント：
Deltoid(d) x sin10o x 0.088 = 0.01528d Nm
平衡を仮定：引き上げモーメント=下げモーメント
190.91Nm.91 = 0.01528d
三角筋の張力 d = 12 494.11N
ここで、人が肘を曲げ、25kgの重りと腕のモーメントアームが小さくなると、腕を上げるために三角筋に必要な力が減少します。
(25 x 9.81) x 0.28 = 68.67Nm
(5.07 x 9.81) x 0.17 = 8.46Nm
= 68.67Nm
(5.07 x 9.81) x 0.17 = 8.46Nm
= 8.46Nm67 + 8.46 = 77.13Nm
2. 上腕骨を引き上げるモーメント：
Deltoid(d) x sin10o x 0.088 = 0.01528d Nm
平衡と仮定：モーメントup = モーメントdown
68.67 = 0.01528d
Deltoid tension d = 4 494.1N
Force Couples
A force acting on a body has two effects, one to move it and two to rotate it.ある物体には2つの力が働く。 しかし、物体は動かずに回転することもある。 すなわち、力は並進を伴わない回転のみを引き起こすことができる。 力のカップルとは、結果的な動きはするが、結果的な力は及ぼさないシステムのことである。 2つの等しく反対の力が純粋に回転する力を発揮する。 肩の場合、本体は上腕骨頭で、等しいが反対の力はローテーターカフ筋である。
フォースカップルでは、ある筋肉（主作用筋）によって発生した力は、脱臼する力が生じないように、拮抗筋の活性化を必要とする（Nordin & Frankel、2001）。 腱板筋は、本質的に不安定な関節である肩甲上腕関節を封じ込めるために協働する。 腱板の断裂や機能不全が進行すると、上腕骨頭の上方転位になります。 これは肩の機能障害につながる。
腱板は、冠状面と横断面の両方で力のカップルを通して肩甲上腕関節を安定させている。
Coronal Force Couple
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| 三角筋も棘上筋も同様に外転に寄与する。 腕を外転させると、結果として関節反力が蝶形骨に向けられる。 これにより、上腕骨頭が関節円錐骨に対して「圧縮」され、腕が外転して頭上にあるときの関節の安定性が向上する。 |
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Transverse Plane Force Couple
可動域を通して、横断面における圧縮された結果の関節反力は関節安定性に貢献する。 これは、カフ断裂による上腕骨頭の変位に抵抗する主要なメカニズムである。 肩甲下筋と棘下筋の力のバランスが保たれている限り、関節の中心は保たれます。
静的抑制
上記の動的安定因子に加えて、カフ断裂による上腕骨頭の上方変位に対する重要な二次抑制が存在する。 これらは、腱板と上腕骨頭の上にアーチを形成する。
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烏口肩峰弓（緑）は烏口骨で形成されています。 烏口肩峰靭帯と肩峰 |
上腕二頭筋長頭
上腕二頭筋長頭は上腕骨頭の上を通過し、2つの平面でクエスチョンマークの形にカーブしています。 上腕二頭筋長頭は、上腕関節にわずかな安定性を与えることが知られている。 上腕二頭筋滑車は、上腕二頭筋溝で上腕二頭筋の長頭を安定させるものである。 ローテーターカフ断裂に伴うこの滑車の破裂は、上腕二頭筋長頭の内側亜脱臼と機能障害につながる。 棘上筋と棘下筋の挿入部付近の腱の微細構造は、さらに5層構造として説明されている：
- 第1層はcoracohumeralligamentの表面繊維で構成され、第2層は棘下筋の表面繊維で構成されている。
- カフ腱の主要部分である第2層は、筋腹から上腕骨の挿入部まで直接伸びる大きな束にまとめられた密な並行腱繊維として見られる。
- 第3層も厚い腱質構造であるが、第2層よりも筋膜が小さく、方向性も均一ではない。
- 第4層は、カフ腱の主要繊維方向に対して垂直に走るコラーゲン繊維の太い帯状のゆるい結合組織で構成されている。 この層は烏口上腕靱帯の深部延長を含み、横帯、烏口周囲帯、またはローテーターケーブルとして様々に表現されてきた。
- 第5層は真の被膜層であり、関節窩から上腕骨まで連続した円柱を形成している。
繊維の方向も腱板の長さに沿って異なっている。 筋腱接合部付近では、腱は主に平行な均質なコラーゲン繊維で構成されていますが、上腕骨への挿入部に達すると、約45度の角度で交差する平らなリボン状の繊維の束になります。 上腕骨被膜複合体内には様々な繊維の方向性と異なる層があるため、大きなせん断力が存在すると考えられ、カフの断裂に関与している可能性があります。 このようなカフ構造の腱内変動が、カフ内断裂の発生理由を説明する可能性があります。 剪断力はおそらく、腱膜内カフ裂傷の発生部位である第4層に向けられる。
コラーゲン
棘上腱の中層は主にI型コラーゲンからなり、比較的少量のIII型コラーゲン、デコリンおよびビグリカンが含まれる。 挿入部の線維軟骨部分は、圧縮荷重を受けた組織と同様のコラーゲンとプロテオグリカンの含有量である。 これは、腱が上腕骨に巻きついていることが一因である。 そのため、主にII型コラーゲンとアグリカンのような大きなプロテオグリカンを含んでいる。 しかし、組織学的な構成は、成熟した線維軟骨とは似ていない。 腱板損傷では、治癒や修復に関与するIII型コラーゲンやグリコサミノグリカン、プロテオグリカン含有量の増加が観察される。 これらの組成変化は、適応的、病理的、またはその両方の可能性があり、高齢者では変化していることが分かっている。
さらに、最近の研究では、断裂した腱板で平滑筋アクチン（SMA）のレベルが上昇していることが分かっている。 SMA陽性細胞は、in vitroでコラーゲン-グリコサミノグリカンアナログを収縮させることが示されている。 腱板断裂のSMA含有細胞は、高レベルのGAGとプロテオグリカンに反応し、断裂した腱板の収縮と潜在的治癒の阻害をもたらすと考えられる。
血管
腱板への主要な動脈供給は、肩甲上腕骨上部および後部上腕骨周囲動脈のほか、上腕骨前部動脈、胸肩峰動脈、肩甲骨周囲動脈の上昇枝から得られている。
腱板断裂の病態は、腱板腱への微小血管供給の影響を受けると考えられてきた。 ほとんどの死体実験では、棘上腱のクリティカルゾーン内に低血管領域があることが示されている。 この低血管領域は、加齢に伴う腱の萎縮変性に重要な役割を果たすと考えられてきた。 また、インピンジメント症候群の患者における棘上筋腱への微小血管供給の最近の研究では、最大のインピンジメント領域、すなわちクリティカルゾーン（棘上筋腱の挿入部の近位8mm）において、実際に多血管であることが示唆されている。
直交偏光分光イメージングを用いた生体内分析により、無傷の腱板では臨界部でも棘上筋の血管は良好であることが実証された。
A-正常な棘上筋腱内の毛細血管。
Aetiology of cuff tears
There are two main theories for the cause of rotator cuff tears:
- Extrinsic – due to compression and impingement of the rotator cuff from outside.腱板が外から圧迫されることで、毛細血管が欠けた。 例えば、肩峰棘と烏口肩峰靭帯による肩峰下滑液包側（肩峰下インピンジメント）、極端な外転と外旋により関節側の腱が上腕骨と剣状突起の間に挟まること（内果）
- 内性-腱板自身の特性の変化によって断裂が生じること。
ここでは、外因性と内因性の違いではなく、腱板断裂が発生する生体力学的な理由をいくつか探っていきます。
Strain
MRIによる外転60度までの棘上筋の歪みの増加。
腱の滑液包&関節側で歪みに違いはない。
ストレス集中
腱板の有限要素モデルを使って、肩甲下部のインピンジメントの程度を変えてストレス集中を研究している。 応力集中はカフのクリティカルゾーンで最も高く、関節側、滑液包側、腱内側で断裂が増強されることがわかった。 関節側の断裂がやや多かった。
Subacromial Extrinsic Impingement
Neer はもともと、腱板の断裂は摩耗の進行に伴う機械的プロセスから発生すると考えていた。 彼は、AC関節からの骨棘の有無にかかわらず、肩峰の前面が関与していることを発見した
肩峰前面の形態は、腱板断裂と相関することが判明している。 140名の肩を対象とした死体実験では、腱板断裂の73%がタイプ3の鉤状肩峰であった。 このことは、最近の臨床研究でも証明されており、肩峰の形態が腱板断裂の予測因子であることが判明している。 5605>
Internal Impingement
Anterior capsular laxity, Posterior contraction and internal impingementの3要素は、もともとオーバーヘッドアスリートで報告されたものである． 内反インピンジメントは、極端な外転や外旋の際に、上腕骨頭と後上腕骨の間にカフが挟まれることで起こります。
Tendon Degeneration
腱板は年齢とともに変性していくようです。 磁気共鳴（MRI）検査では、60歳以上の無症状の人の54%に腱板断裂が見られました。 しかし、MRIは腱板断裂の診断において75-90%の精度しかありません。 腱板の加齢変化についてはもっと研究が必要ですが、加齢した腱板は、外因性、内因性のメカニズムが働きやすいと思われます
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