show menu

Biomechanika mankietu rotatorów

Lennard Funk
Dla MSc Orthopaedic Engineering, 2005

Pobierz PDF

Celem tej prezentacji jest omówienie aktualnego piśmiennictwa i opinii na temat biomechaniki mankietu rotatorów oraz odniesienie tego do znaczenia klinicznego w przypadku rozerwania mankietu rotatorów. Zamierzam omówić:

1. Mechanika mankietu
2. Anatomia ścięgna – warstwy, mikroanatomia, ukrwienie
3. Patomechanika rozerwania mankietu

Mięśnie mankietu rotatorów

Zespół barkowy składa się z 30 mięśni. Mięśnie te zarówno poruszają barkiem, jak i stabilizują go – są to mięśnie „poruszające” i „wstrząsające”. Mięśnie mankietu rotatorów głównie stabilizują staw ramienno-łopatkowy, ale również w znacznym stopniu przyczyniają się do ruchu.

Mięśnie mankietu rotatorów to:

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

Ścięgna tych mięśni łączą się, tworząc mankiet rotatorów. Mięśnie są nierozerwalnie połączone na tym poziomie, z wyjątkiem mięśnia podłopatkowego, który jest oddzielny i łączy się z resztą mankietu poprzez przedział rotatorów.

Supraspinatus

Supraspinatus jest nie tylko inicjatorem abdukcji, ale działa w całym zakresie abdukcji ramienia. Ma taką samą siłę abdukcji jak mięsień naramienny. Zwróć uwagę, że leży on w płaszczyźnie łopatkowej – tj. 30 stopni do płaszczyzny wieńcowej (Rycina 2).

Infraspinatus &Teres Minor

Te dwa mięśnie leżą poniżej kręgosłupa łopatkowego i są rotatorami zewnętrznymi barku. Infraspinatus działa głównie przy neutralnej pozycji ramienia, a Teres Minor jest bardziej aktywny przy rotacji zewnętrznej w 90-stopniowej abdukcji.

Subscapularis

Subscapularis jest głównym rotatorem wewnętrznym ramienia. Jest największym &najsilniejszym mięśniem mankietu, dostarczającym 53% całkowitej siły mankietu. Górne 60% wstawki jest ścięgniste, a dolne 40% mięśniowe. Jest biernym ogranicznikiem w neutralnym położeniu, ale nie w abdukcji.

Mięsień deltoidalny

Mięsień deltoidalny jest jedynym wyciągiem barku, jeśli nadgrzebień jest rozdarty i dysfunkcyjny. Dlatego większość rehabilitacji skierowana jest właśnie na ten mięsień. Składa się on z części przednio-przyśrodkowej i tylnej, które są bardziej aktywne w zależności od kierunku unoszenia ramienia.

Widok przedni deltoidu Widok tylny deltoidu

Schemat swobodnego ciała do obliczania siły deltoidu

W tym schemacie, przy w pełni wyprostowanym ramieniu mięsień naramienny musi przeciwdziałać ciężarowi ramienia i ciężarowi 25 kg w dłoni.

1. Momenty ciągnące kość ramienną w dół:

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

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

= 174 + 16,91 = 190,91Nm

2. Momenty ciągnące kość ramienną w górę:

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

Założyć równowagę: momenty w górę = momenty w dół

190.91 = 0,01528d

Napięcie deltoidu d = 12 494,11N

Teraz, jeżeli osoba zgina łokieć, zmniejszając ramię momentu ciężaru 25kg i ramię, siła wymagana przez deltoid do uniesienia ramienia zostanie zmniejszona.

(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. Momenty ciągnące kość ramienną do góry:

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

Zakładamy równowagę: momenty w górę = momenty w dół

68,67 = 0,01528d

Naprężenie deltoidu d = 4 494,1N

Sprzężenia sił

Siła działająca na ciało ma dwa skutki, jeden to jego przemieszczenie, a drugi to jego obrót. Jednakże, ciało może się obracać bez poruszania się. Tzn. siła może powodować tylko obrót bez translacji. Para sił to układ, który wywiera ruch wypadkowy, ale nie wywiera siły wypadkowej. Dwie równe i przeciwne siły wywierają siłę czysto obrotową. W barku ciałem jest głowa kości ramiennej, a równymi, lecz przeciwnymi siłami są mięśnie mankietu rotatorów.

W parze sił siła generowana przez jeden mięsień (główny agonista) wymaga aktywacji mięśnia antagonistycznego, aby nie doszło do zwichnięcia (Nordin & Frankel, 2001).

Mięśnie mankietu rotatorów działają jako para sił między sobą i mięśniem deltoidalnym. Mięśnie mankietu rotatorów współpracują ze sobą, aby utrzymać staw ramienno-łokciowy, który z natury jest stawem niestabilnym. Postępujące rozerwanie lub dysfunkcja mankietu rotatorów prowadzi do nadwichnięcia głowy kości ramiennej. Prowadzi to do dysfunkcji barku.

Mufa rotatorów stabilizuje staw ramienno-łopatkowy dzięki parom sił zarówno w płaszczyźnie koronowej, jak i poprzecznej.

Koronowa para sił

Deltoid i supraspinatus w równym stopniu przyczyniają się do abdukcji. Podczas przywodzenia ramienia siła reakcji stawu skierowana jest w stronę kości ramiennej. Powoduje to „ściskanie” głowy kości ramiennej względem kości ramiennej i poprawia stabilność stawu, gdy ramię jest uniesione i uniesione nad głowę.

Płaszczyznowa poprzeczna para sił

Przez cały zakres ruchu ściskająca wypadkowa siła reakcji stawu w płaszczyźnie poprzecznej przyczynia się do stabilności stawu. Jest to dominujący mechanizm przeciwstawiający się przemieszczeniu głowy kości ramiennej w przypadku rozerwania mankietu. Tak długo jak para sił pomiędzy mięśniem podłopatkowym i śródręcznym pozostaje zrównoważona, staw pozostaje wycentrowany.

Utrzymania statyczne

Oprócz wspomnianych powyżej stabilizatorów dynamicznych, istnieją ważne, drugorzędne ograniczenia przemieszczenia głowy kości ramiennej w wyniku rozerwania mankietu.

Łuk korowo-krzyżowy

Łuk korowo-krzyżowy to połączenie kości ramiennej, więzadła korowo-krzyżowego i panewki. Tworzą one łuk nad mankietem rotatorów i głową kości ramiennej.

Łuk korowo-krzyżowy (zielony) utworzony przez kość ramienną, więzadło nadkłykciowe i akromion

Głowa długa mięśnia dwugłowego ramienia

Głowa długa mięśnia dwugłowego ramienia przechodzi nad głową kości ramiennej, zakrzywiając się w dwóch płaszczyznach, tworząc kształt znaku zapytania. Uznaje się, że zapewnia ona niewielki stopień stabilności stawu ramienno-głowowego. Jest to głównie z abdukcją i rotacją zewnętrzną ramienia w płaszczyźnie łopatkowej .

Krążek mięśnia dwugłowego jest stabilizatorem długiej głowy bicepsa w rowku bicepsa. Zerwanie tego krążka w wyniku rozerwania mankietu rotatorów prowadzi do przyśrodkowego podwichnięcia głowy długiej bicepsa i dysfunkcji.

Patoanatomia mankietu rotatorów

Infrastruktura mankietu

Połączenie ścięgien mięśnia rotatorów sugeruje, że działają one bardziej jako struktura połączona i integrująca niż jako pojedyncze jednostki. Mikrostruktura ścięgien mankietu rotatorów w pobliżu wstawek nad- i pod-obojczyka została opisana jako struktura pięciowarstwowa:

• Warstwa pierwsza składa się z powierzchniowych włókien więzadła kruczo-obojczykowego.
• Warstwa druga, która stanowi główną część ścięgien mankietu, jest widoczna jako ściśle upakowane, równoległe włókna ścięgniste zgrupowane w duże pęczki rozciągające się bezpośrednio od brzuśców mięśni do wstawki na kości ramiennej.
• Warstwa trzecia jest również grubą strukturą ścięgnistą, ale z mniejszymi powięziami niż w warstwie drugiej i o mniej jednolitej orientacji.
• Warstwa czwarta składa się z luźnych tkanek łącznych z grubymi pasmami włókien kolagenowych biegnących prostopadle do pierwotnej orientacji włókien ścięgien mankietu. Warstwa ta zawiera głębokie przedłużenie więzadła kruczo-obojczykowego i była różnie opisywana jako pasmo poprzeczne, pasmo okołostawowe lub przewód rotatorów. Warstwa ta może odgrywać rolę w dystrybucji sił pomiędzy wstawkami ścięgnistymi i może wyjaśniać, dlaczego niektóre uszkodzenia mankietu rotatorów są klinicznie bezobjawowe.
• Warstwa piąta jest prawdziwą warstwą torebkową i tworzy ciągły cylinder od panewki do kości ramiennej. Włókna w tej warstwie są w większości przypadkowo zorientowane.

Orientacja włókien różni się również na długości ścięgna mankietu rotatorów. W pobliżu połączeń mięśniowo-ścięgnistych ścięgna składają się głównie z równoległych, jednorodnych włókien kolagenowych, ale w miarę zbliżania się do wstawki w kości ramiennej stają się płaskimi, wstęgowatymi pęczkami włókien, które krzyżują się pod kątem około 45 stopni. Ze względu na różną orientację włókien i odrębne warstwy w obrębie kompleksu nadkłykciowego, prawdopodobnie występują znaczne siły ścinające, które mogą mieć wpływ na rozerwanie mankietu. Te wewnątrzścięgniste różnice w strukturze mankietu mogą wyjaśniać, dlaczego dochodzi do wewnątrztkankowych rozerwań. Siły ścinające są prawdopodobnie skierowane na warstwę czwartą, która jest miejscem powstawania śródścięgnistych rozerwań mankietu. Są to zwykle zwyrodniałe rozerwania mankietu.

Kolagen

Środkowa tkanka ścięgna nadgrzebieniowego składa się głównie z kolagenu typu I, ze stosunkowo niewielkimi ilościami kolagenu typu III, dekoryny i biglikanu. Część włóknisto-kartylowa wstawki ma zawartość kolagenu i proteoglikanów podobną do zawartości w tkankach poddawanych obciążeniom ściskającym. Jest to częściowo spowodowane owijaniem się ścięgna wokół kości ramiennej. Dlatego też zawiera ono głównie kolagen typu II i większe proteoglikany, takie jak aggrecan. Organizacja histologiczna nie przypomina jednak dojrzałej fibrocartilage. W tendinopatii mankietu rotatorów obserwuje się wzrost zawartości kolagenu typu III, białka odgrywającego rolę w procesie gojenia i naprawy, a także glikozaminoglikanów i proteoglikanów. Te zmiany w składzie mogą mieć charakter adaptacyjny, patologiczny lub obojetny i stwierdzono, że są zmienione w starszej populacji.

Co więcej, ostatnie badania wykazały zwiększony poziom aktyny mięśni gładkich (SMA) w rozerwanych mankietach rotatorów. Wykazano, że komórki SMA-dodatnie kurczą się z analogiem kolagenu-glikozaminoglikanu in vitro. Komórki zawierające SMA w rozerwanych mankietach rotatorów mogą reagować z wysokimi poziomami GAG i proteoglikanów, co powoduje retrakcję rozerwanego mankietu rotatorów i zahamowanie potencjalnego gojenia.

Naczynia

Główne zaopatrzenie tętnicze mankietu rotatorów pochodzi z gałęzi wstępującej tętnicy okalającej przedniej kości ramiennej, gałęzi akromialnej tętnicy piersiowo-krzyżowej oraz tętnic okalających nadłopatkowych i tylnych kości ramiennej.

Uważa się, że na patogenezę rozerwania mankietu rotatorów ma wpływ mikronaczyniowe zaopatrzenie ścięgien mankietu rotatorów. Większość badań przeprowadzonych na zwłokach wykazała istnienie obszaru hiponaczyniowego w krytycznej strefie ścięgna mięśnia nadgrzebieniowego. Sugerowano, że ten obszar niedostatecznego unaczynienia odgrywa istotną rolę w postępującej degeneracji starzejącego się ścięgna. Nowsze badania mikronaczyniowego zaopatrzenia ścięgna mięśnia nadgrzebieniowego u pacjentów z zespołem impingement sugerują, że w obszarze największej impingementacji, tj. w strefie krytycznej (8 mm proksymalnie od wstawki ścięgna mięśnia nadgrzebieniowego), występuje hiperwaskularyzacja. W przeciwieństwie do badań przeprowadzonych na zwierzętach, badania te wydają się sugerować, że nadnaczynienie lub neowaskularyzacja jest związana z objawową chorobą mankietu rotatorów wtórną do mechanicznego zaciskania.

Analiza in vivo z zastosowaniem ortagonalnego spektralnego obrazowania polaryzacyjnego wykazała, że w nienaruszonych mankietach rotatorów istnieje dobre unaczynienie ścięgna mięśnia nadgrzebieniowego, nawet w strefie krytycznej.

A – kapilary w prawidłowym ścięgnie nadgrzebieniowym. B – brak naczyń włosowatych na krawędziach rozerwanego ścięgna mięśnia nadgrzebieniowego.

Etiologia rozerwania mankietu

Istnieją dwie główne teorie przyczyn rozerwania mankietu rotatorów:

1. Zewnątrzpochodna – spowodowana uciskiem i uderzeniem w mankiet rotatorów od zewnątrz. Np. po stronie podkrzepkowej od ostrogi podbarkowej i więzadła coracoacromialligament (impingement podkrzepkowy); oraz po stronie stawowej od uwięzienia ścięgna między mięśniem pośladkowym i ramiennym w skrajnym przywiedzeniu i rotacji zewnętrznej (impingement wewnętrzny)
2. Wewnątrzpochodne – rozwój rozerwania spowodowany zmianą właściwości samego mankietu rotatorów.

Zbadamy niektóre z biomechanicznych przyczyn powstawania rozerwania mankietu, a nie różnice między przyczynami zewnętrznymi i wewnętrznymi.

Napięcie

Zwiększanie naprężenia w nadgrzebieniu do 60 stopni abdukcji przy użyciu MRI.

Brak różnicy w naprężeniu między stroną kaletkową ścięgna &artystyczną .

Koncentracja naprężeń

Zastosowano modelowanie mankietu rotatorów metodą elementów skończonych, badając koncentracje naprężeń w różnych stopniach impingementu podtorebkowego. Koncentracje naprężeń były najwyższe w strefie krytycznej mankietu, przy czym łzy nasilały się po stronie stawowej, kaletkowej i śródścięgnistej. Łzy po stronie stawowej występowały nieco częściej

Subacromial Extrinsic Impingement

Neer pierwotnie uważał, że łzy mankietu rotatorów powstały w wyniku mechanicznego procesu wtórnego do postępującego zużycia. Stwierdził on, że przedni aspekt akromionu jest zaangażowany z lub bez osteofitów ze stawu AC

Morfologia przedniego akromionu koreluje z rozerwaniem mankietu. W badaniu kadawerycznym 140 ramion wykazano, że 73% przypadków rozerwania mankietu rotatorów dotyczyło akromionów haczykowatych typu 3. Potwierdzają to również ostatnie badania kliniczne, w których morfologia akromium okazała się być czynnikiem predykcyjnym dla rozerwania mankietu

Klasyfikacja morfologii akromium według Briglianiego. Typ 3 był częściej związany z rozerwaniami mankietu rotatorów

Internal Impingement

Triada przedniej wiotkości torebki stawowej, tylnego przykurczu i wewnętrznego impingementu została pierwotnie opisana u zawodników uprawiających sporty napowietrzne. Wewnętrzne podwichnięcie występuje, gdy mankiet jest ściśnięty pomiędzy głową kości ramiennej a ścięgnem tylno-bocznym podczas ekstremalnej abdukcji i rotacji zewnętrznej. Powoduje to ścieranie powierzchni stawowej mankietu, co stopniowo prowadzi do jego rozerwania.

Zwyrodnienie ścięgien

Mufa rotatorów z wiekiem ulega zwyrodnieniu. W badaniach rezonansu magnetycznego (MRI) rozerwanie mankietu stwierdzono u 54% bezobjawowych osób w wieku powyżej 60 lat. Jednak MRI jest tylko w 75-90% dokładny w diagnozowaniu pełnej grubości rozerwania mankietu rotatorów. Konieczne są dalsze prace nad zmianami mankietu rotatorów związanymi z wiekiem, ale starzejący się mankiet jest prawdopodobnie bardziej podatny na mechanizmy zewnętrzne i wewnętrzne.

.