show menu

Rotator Cuff Biomechanics

Lennard Funk
Voor MSc Orthopaedic Engineering, 2005

Download PDF

Het doel van deze presentatie is om de huidige literatuur en meningen over de biomechanica van de rotator cuff te bespreken en dit te relateren aan de klinische relevantie bij rotator cuff scheuren. Ik ben van plan om te behandelen:

1. Cuff Mechanics
2. Tendon Anatomy – layers, microanatomy, blood supply
3. Pathomechanics of cuff tears

Rotator cuff Muscles

Het schoudercomplex bestaat uit 30 spieren. Deze spieren bewegen de schouder en stabiliseren hem – ‘bewegers’ en ‘schudders’. De rotator cuff-spieren stabiliseren voornamelijk het glenohumerale gewricht, maar dragen ook in belangrijke mate bij tot de beweging.

De rotator cuff spieren zijn:

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

De pezen van deze spieren smelten samen om de rotator cuff te vormen. De spieren zijn onafscheidelijk op dit niveau, met uitzondering van de subscapularis, die gescheiden is en via het rotatorinterval met de rest van de cuff is verbonden.

Supraspinatus

Supraspinatus is niet alleen een initiator van abductie, maar werkt over het gehele bereik van abductie van de schouder. Het heeft gelijke abductie kracht als deltoideus. Merk op dat hij in het scapulaire vlak ligt – d.w.z. 30 graden ten opzichte van het coronale vlak (Figuur 2).

Infraspinatus & Teres Minor

Deze twee spieren liggen onder de scapulaire wervelkolom en zijn externe rotatoren van de schouder. Infraspinatus werkt voornamelijk met de arm in neutraal en Teres Minor is actiever bij externe rotatie in 90 graden abductie.

Subscapularis

Subscapularis is de belangrijkste interne rotator van de schouder. Het is de grootste & sterkste manchetspier, die 53% van de totale manchetsterkte levert. De bovenste 60% van de aanhechting is pezig en de onderste 40% spier. Hij is passief in neutraal, maar niet in abductie.

Deltoideus

De m. deltoideus is de enige schouderlift als de supraspinatus gescheurd en disfunctioneel is. Daarom is de meeste revalidatie gericht op deze spier. Hij bestaat uit anteriormidden en posterior delen die actiever zijn afhankelijk van de richting waarin de arm wordt opgetild.

Anterieur aanzicht van deltoideus Posterior aanzicht van deltoideus

Vrij lichaam diagram voor het berekenen van de kracht op het deltoideus

In dit diagram, met volledig gestrekte arm moet de deltaspier tegenwicht bieden aan het gewicht van de arm en een gewicht van 25 kg in de hand van de persoon.

1. Momenten die het opperarmbeen naar beneden trekken:

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

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

= 174 + 16,91 = 190,91Nm

2. Momenten die opperarm omhoog trekken:

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

Aanname evenwicht: momenten omhoog = momenten omlaag

190.91 = 0.01528d

Deltaspanning d = 12 494.11N

Nu als de persoon zijn elleboog buigt, waardoor het moment arm van het gewicht van 25kg en arm afneemt, zal de kracht die van de deltaspier nodig is om de arm omhoog te brengen, afnemen.

(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. Momenten die humerus omhoog trekken:

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

Aanname evenwicht: momenten omhoog = momenten omlaag

68,67 = 0,01528d

Deltoïdspanning d = 4 494,1N

Krachtkoppelingen

Een kracht die op een lichaam werkt heeft twee effecten, één om het te verplaatsen en twee om het te roteren. Een lichaam kan echter roteren zonder te bewegen. D.w.z. een kracht kan alleen rotatie veroorzaken zonder translatie. Een krachtpaar is een systeem dat een resulterende beweging uitoefent, maar geen resulterende kracht. Twee gelijke en tegengestelde krachten oefenen een zuivere rotatiekracht uit. In de schouder is het lichaam de humeruskop en de gelijke maar tegengestelde krachten zijn de rotator cuff spieren.

In een krachtpaar vereist kracht opgewekt door één spier (de primaire agonist) de activering van een antagonistische spier zodat een ontwrichtende kracht niet het gevolg is (Nordin & Frankel, 2001).

De rotator cuff spieren fungeren als een krachtpaar met elkaar en met de deltoideus. De rotator cuff-spieren werken samen om het glenohumerale gewricht, dat een inherent instabiel gewricht is, in bedwang te houden. De progressie van een rotator cuff scheur of disfunctie leidt tot superiorsubluxatie van de humeruskop. Dit leidt tot disfunctie van de schouder.

De rotator cuff stabiliseert het glenohumerale gewricht door middel van krachtparen in zowel het coronale als het transversale vlak.

Coronaal krachtpaar

Deltoideus en supraspinatus dragen beide in gelijke mate bij aan de abductie. Als de arm wordt geabduceerd, wordt de resulterende gewrichtsreactiekracht gericht op het glenoid. Dit ‘drukt’ de humeruskop tegen het glenoid en verbetert de stabiliteit van het gewricht wanneer de arm geabduceerd en boven het hoofd is.

Transversaal vlak Krachtkoppel

Over het gehele bewegingsbereik draagt de compressieve resulterende gewrichtsreactiekracht in het transversale vlak bij tot de stabiliteit van het gewricht. Dit is het belangrijkste mechanisme dat de verplaatsing van de superior-humerale kop tegengaat bij scheuren in de manchet. Zolang het krachtpaar tussen subscapularis en Infraspinatus in evenwicht blijft, blijft het gewricht gecentreerd.

Static Restraints

Naast de bovenvermelde dynamische stabilisatoren zijn er belangrijke secundaire remmingen van de verplaatsing van de humeruskop bij manchetscheuren.

Coraco-acromiale boog

De coraco-acromiale boog is de combinatie van het coracoid, het coracoacromiale ligament en het acromion. Deze vormen een boog boven de rotator cuff en de humeruskop.

Coraco-acromiale boog (groen) gevormd door het coracoid, coracoacromiale ligament en acromion

Lange kop van biceps

De lange kop van biceps gaat over de humeruskop en kromt zich in twee vlakken die de vorm van een vraagteken vormen. Het is bekend dat het een kleine mate van stabiliteit geeft aan het glenohumerale gewricht. Dit gebeurt voornamelijk bij abductie en externe rotatie van de arm in het scapulaire vlak.

De biceps pulley is een stabilisator van de lange kop van de biceps in de biceps groef. Ruptuur van deze pulley bij een rotator cuff scheur leidt tot mediale subluxatie van de lange kop van de biceps en disfunctie.

Rotator cuff patho-anatomie

Cuff Ultrastructure

De versmelting van de rotatorcuff pezen suggereert dat zij meer als een gecombineerde en integratieve structuur dan als afzonderlijke entiteiten optreden. De microstructuur van de rotator cuff pezen nabij de inserties van de supraspinatus en infraspinatus is verder beschreven als een vijf-lagen structuur:

• Laag één is samengesteld uit de oppervlakkige vezels van het coracohumeralligament.
• Laag twee, die het hoofdgedeelte van de manchetpezen vormt, wordt gezien als dicht opeengepakte parallelle peesvezels gegroepeerd in grote bundels die zich rechtstreeks uitstrekken van de spierbuiken tot de insertie op de humerus.
• Laag drie is ook een dikke pezige structuur, maar met kleinere fascialen dan in laag twee en een minder uniforme oriëntatie.
• Laag vier bestaat uit los bindweefsel met dikke banden collageenvezels die loodrecht op de primaire vezeloriëntatie van de manchetpezen lopen. Deze laag bevat de diepe extensie van het coracohumerale ligament en is verschillend beschreven als een transversale band, een pericapsulaire band, of een rotator kabel. Deze laag kan een rol spelen bij de verdeling van krachten tussen pezige aanhechtingen en kan verklaren waarom sommige rotator cuff scheuren klinisch asymptomatisch zijn.
• Laag vijf is de echte capsulaire laag en vormt een continue cilinder van glenoid tot humerus. De vezels in deze laag zijn voor het grootste deel willekeurig georiënteerd.

De vezeloriëntatie verschilt ook langs de lengte van de rotator cuff pees. In de buurt van de musculotendineuze knooppunten, de pezen zijn voornamelijk samengesteld uit parallelle homogene collageenvezels, maar wordt plat lint-achtige bundels van vezels die elkaar kruisen in een hoek van ongeveer 45 graden als ze de insertie in de humerus te bereiken . Door de verschillende vezeloriëntaties en de verschillende lagen binnen het superieure kapselcomplex bestaan er waarschijnlijk aanzienlijke afschuifkrachten die een rol kunnen spelen bij scheuren van de manchet. Deze intratendineuze variaties in de manchetstructuur kunnen verklaren waarom intrasubstance scheuren voorkomen. De schuifkrachten zijn waarschijnlijk gericht op laag vier, die de plaats is van ontwikkeling van intratendineuze scheuren in de manchet. Dit zijn meestal gedegenereerde scheuren van de cuff.

Collageen

De midsubstantie van de supraspinatustendon is hoofdzakelijk samengesteld uit collageen Type I, met relatief kleine hoeveelheden collageen Type III, decorine, en biglycan. Het fibrocartilage gedeelte van de insertie heeft een collageen- en proteoglycaangehalte dat vergelijkbaar is met dat van weefsels die aan een drukbelasting werden onderworpen. Dit is gedeeltelijk toe te schrijven aan de omwikkeling van de pees rond de humerus. Daarom bevat het voornamelijk collageen type II en grotere proteoglycanen zoals aggrecan. De histologische organisatie lijkt echter niet op rijp vezelkraakbeen. Bij rotator cuff tendinopathie is een toename van collageen Type III, een eiwit dat een rol speelt bij genezing en herstel, en van glycosaminoglycaan en proteoglycaangehalte waargenomen. Deze samenstellingsveranderingen kunnen adaptief zijn, pathologisch, of beide, en blijken veranderd te zijn bij de oudere bevolking.

Verder hebben recente studies verhoogde niveaus van gladde spieractine (SMA) aangetoond in gescheurde rotator cuffs. Van SMA-positieve cellen is aangetoond dat zij een collageen-glycosaminoglycaan-analoog in vitro samentrekken. SMA-houdende cellen in rotator cuff scheuren kunnen reageren met de hoge niveaus van GAG en proteoglycan resulterend in retractie van de gescheurde rotator cuff en remming van de potentiële genezing.

Vasculariteit

De belangrijkste arteriële toevoer naar de rotator cuff is afkomstig van de ascenderende tak van de anterieure humerus circumflex slagader, de acromiale tak van de thoracoacromiale slagader, evenals de suprascapulaire en posterieure humerus circumflex slagaderen.

De pathogenese van rotator cuff scheuren wordt geacht te worden beïnvloed door de microvasculaire voorziening van de rotator cuff pezen. De meeste cadaverstudies hebben een hypovasculair gebied aangetoond binnen de kritische zone van het supraspinatustendon. Men heeft gesuggereerd dat dit gebied van hypovasculariteit een belangrijke rol speelt in de attetieve degeneratie van de ouder wordende pees. Recentere studies van de microvasculaire toevoer naar de supraspinatuspees bij symptomatische patiënten met impingement syndroom suggereren dat in het gebied van de grootste impingement, d.w.z. de kritieke zone (8 mm proximaal van de insertie van de supraspinatuspees), er in feite hypervasculairiteit is. In tegenstelling tot de kadaveronderzoeken, lijken deze studies te impliceren dat hypervasculariteit of neovascularisatie geassocieerd is met symptomatische rotator cuff ziekte secundair aan mechanische impingement.

In vivo analyse met behulp van orthagonale polarisatie spectrale beeldvorming heeft aangetoond dat er een goede vasculariteit is van de supraspinatus, zelfs in de kritische zone in intacte rotator cuffs .

A – capillairen in de normale supraspinatuspees. B – afwezige capillairen in de randen van een supraspinatus cuff scheur.

Aetiologie van cuff scheuren

Er zijn twee belangrijke theorieën voor de oorzaak van rotator cuff scheuren:

1. Extrinsiek – als gevolg van compressie en impingement van de rotator cuff van buitenaf. Zoals aan de subacromiale slijmbeurszijde door acromiale uitlopers en het coracoacromialligament (subacromiale impingement); en aan de articulaire zijde door beknelling van de pees tussen het glenoid en humerus in extreme abductie en externe rotatie (interne impingement)
2. Intrinsiek – ontwikkeling van scheuren door veranderende eigenschappen van de rotator cuff zelf.

We zullen enkele van de biomechanische redenen voor de ontwikkeling van scheuren in de cuff onderzoeken, eerder dan de verschillen tussen extrinsieke en intrinsieke oorzaken.

Spanning

Verhoogde spanning in supraspinatus tot 60 graden abductie met behulp van MRI.

Geen verschil in rek tussen bursale & articulaire zijde van de pees.

Spanningsconcentratie

Gebruik makend van eindige elementen modellering van de rotator cuff werden de spanningsconcentraties bestudeerd in verschillende gradaties van subacromiaal impingement. De spanningsconcentraties waren het hoogst in de kritische zone van de manchet met scheuren versterkend aan de articulaire zijde, bursale zijde en intratendineuze. Scheuren aan de articulaire zijde kwamen iets vaker voor.

Subacromiaal extrinsiek impingement

Neer geloofde oorspronkelijk dat rotator cuff scheuren het gevolg waren van een mechanisch proces secundair aan progressieve slijtage. Hij vond het voorste aspect van het acromion betrokken met of zonder osteofyten van het AC-gewricht

De morfologie van het voorste acromion is gevonden om met cuff scheuren te correleren. Een kadaverstudie van 140 schouders toonde aan dat 73% van de gevonden rotator cuff scheuren in type 3 gehaakte acromions zaten. Dit wordt ook bevestigd door recente klinische studies waarbij de morfologie van het acromium een voorspeller bleek te zijn voor scheuren in de cuff.

Bigliani classificatie van acromiale morfologie. Type 3 werd vaker geassocieerd met rotator cuff-scheuren

Intern impingement

De triade van anterieure capsulaire laxiteit, posterieure contractie en intern impingement werd oorspronkelijk beschreven bij atleten met overhead. Het interne impingement treedt op wanneer de manchet wordt afgekneld tussen de humeruskop en het postero-superiorlabrum tijdens extreme abductie en externe rotatie. Hierdoor slijt en schuurt het articulaire oppervlak van de cuff geleidelijk aan, wat leidt tot scheuren van de cuff.

Tendon Degeneratie

De rotator cuff lijkt met de leeftijd te degenereren. Op magnetische resonantie (MRI) studies waren scheuren in de cuff aanwezig bij 54% van asymptomatische mensen ouder dan 60 jaar. Echter, MRI is slechts 75-90% nauwkeurig in de diagnose van volledige dikte rotator cuff scheuren . Er moet meer werk worden verricht aan de leeftijdsgebonden veranderingen van de rotator cuff, maar de verouderende cuff is waarschijnlijk vatbaarder voor de extrinsieke en intrinsieke mechanismen.