visa menyn

Rotator Cuff Biomechanics

Lennard Funk
För MSc Orthopaedic Engineering, 2005

Ladda ner PDF

Syftet med den här presentationen är att diskutera den aktuella litteraturen och åsikterna om biomekaniken i rotatorcuffen och att relatera detta till den kliniska relevansen i samband med rotator cuff revor. Jag har för avsikt att ta upp följande:

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

Rotator cuff Muscles

Skulderkomplexet omfattar 30 muskler. Dessa muskler både rör axeln och stabiliserar den – ”movers” och ”shakers”. Rotatorcuffmusklerna stabiliserar främst den glenohumerala leden, men bidrar också i hög grad till rörelsen.

Rotatorcuffens muskler är:

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

Senorna till dessa muskler går samman och bildar rotatorcuffen. Musklerna är oskiljaktiga på denna nivå, med undantag för subscapularis som är separat och förenad med resten av manschetten via rotatorintervallet.

Supraspinatus

Supraspinatus är inte bara en initiativtagare till abduktion, utan verkar i hela axelns abduktionsområde. Den har samma abduktionskraft som deltoideus. Observera att den ligger i scapularplanet – det vill säga 30 grader till koronalplanet (figur 2).

Infraspinatus & Teres Minor

Dessa två muskler ligger under scapularryggen och är externa rotatorer av axeln. Infraspinatus verkar främst med armen i neutral ställning och Teres Minor är mer aktiv vid extern rotation i 90 graders abduktion.

Subscapularis

Subscapularis är axelns viktigaste interna rotator. Den är den största &starkaste manschettmuskeln och står för 53 % av den totala manschettstyrkan. De övre 60 % av insatsen är senor och de nedre 40 % muskler. Det är ett passivt fasthållande i neutral, men inte i abduktion.

Deltoideus

Deltoideusmuskeln är den enda axellyftaren om supraspinatus är riven och dysfunktionell. Därför riktas den mesta rehabiliteringen mot denna muskel. Den består av anteriormiddle och posteriora delar som är mer aktiva beroende på riktningen för armhävningen.

Förre vy av deltoideus Bakre vy av deltoideus

Frikroppsdiagram för beräkning av deltoideuskraften

I detta diagram, med fullt utsträckt arm måste deltoideus motverka armens vikt och en vikt på 25 kg i personens hand.

1. Moment som drar ner humerus nedåt:

(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 som drar upp humerus:

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

Antag att det råder jämvikt: momenten uppåt = momenten nedåt

190.91 = 0,01528d

Deltoidspänning d = 12 494,11N

Nu om personen böjer armbågen, vilket minskar momentarmen för vikten och armen på 25 kg, kommer den kraft som krävs av deltoideus för att lyfta armen att minska.

(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. Moment som drar upp humerus:

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

Anta jämvikt: moment uppåt = moment nedåt

68,67 = 0,01528d

Deltoidspänning d = 4 494,1N

Kraftkopplingar

En kraft som verkar på en kropp har två effekter, en för att flytta den och två för att rotera den. En kropp kan dock rotera utan att röra sig. D.v.s. en kraft kan endast orsaka rotation utan translation. Ett kraftpar är ett system som utövar en resulterande rörelse, men ingen resulterande kraft. Två lika och motsatta krafter utövar en ren rotationskraft. I axeln är kroppen humerushuvudet och de lika men motsatta krafterna är rotatorcuffmusklerna.

I ett kraftpar kräver den kraft som genereras av en muskel (den primära agonisten) att en antagonistisk muskel aktiveras så att det inte uppstår en dislokerande kraft (Nordin & Frankel, 2001).

Rotatorcuffmusklerna agerar som ett kraftpar med varandra och deltoideus. Rotatorcuffmusklerna arbetar tillsammans för att innesluta den glenohumerala leden, som är en i sig instabil led. Progressionen av en bristning eller dysfunktion i rotatormanschetten leder till superiorsubluxation av humerushuvudet. Detta leder till dysfunktion i axeln.

Rotatormanschetten stabiliserar glenohumeralleden genom kraftpar i både det koronala och det transversala planet.

Koronalt kraftpar

Deltoideus och supraspinatus bidrar båda lika mycket till abduktionen. När armen abduceras riktas den resulterande ledreaktionskraften mot Glenoid. Detta ”komprimerar” humerushuvudet mot Glenoid och förbättrar ledens stabilitet när armen är abducerad och över huvudet.

Transversalplanets kraftkoppling

Under hela rörelseomfånget bidrar den kompressiva resulterande ledreaktionskraften i det transversala planet till ledens stabilitet. Detta är den dominerande mekanismen som motstår förskjutning av det överhumerala huvudet vid manschettbrott. Så länge kraftparet mellan subscapularis och Infraspinatus är balanserat förblir leden centrerad.

Statiska begränsningar

Förutom de dynamiska stabilisatorer som nämns ovan finns det viktiga sekundära begränsningar för överlägsen förskjutning av humerushuvudet vid manschettbrott.

Coraco-akromialbåge

Coraco-akromialbågen är kombinationen av coracoideum, coraco-akromialbandet och acromion. Dessa bildar en båge ovanför rotatormanschetten och humerushuvudet.

Coraco-akromialbågen (grönt) bildas av coracoid, coracoacromial ligament och acromion

Långt bicepshuvud

Det långa bicepshuvudet passerar över humerushuvudet och kröker sig i två plan och bildar formen av ett frågetecken. Det anses ge en liten grad av stabilitet åt den gleno-humerala leden. Detta sker främst vid abduktion och extern rotation av armen i scapularplanet.

Bicepsrullan är en stabilisator för biceps huvudet i bicepsfåran. Ruptur av denna pulley med en rotatorcuffbristning leder till medial subluxation av biceps långa huvud och dysfunktion.

Rotatorcuff patho-anatomi

Muffens ultrastruktur

Sammansmältningen av rotatorcuffens senor tyder på att de agerar mer som en kombinerad och integrativ struktur än som enskilda enheter. Mikrostrukturen hos rotatorcuffens senor nära insatserna av supraspinatus och infraspinatus har vidare beskrivits som en femskiktsstruktur:

• Skikt ett består av de ytliga fibrerna i coracohumeralligamentet.
• Lager två, som utgör huvuddelen av manschettsenorna, ses som tätt packade parallella senfibrer grupperade i stora buntar som sträcker sig direkt från muskelbucklarna till insatsen på humerus.
• Lager tre är också en tjock senstruktur men med mindre fascialer än i lager två och en mindre enhetlig orientering.
• Lager fyra består av lös bindväv med tjocka band av kollagenfibrer som löper vinkelrätt mot den primära fiberorienteringen i manschettsenorna. Detta lager innehåller den djupa förlängningen av det korakohumerala ligamentet och har på olika sätt beskrivits som ett tvärgående band, ett pericapsulärt band eller en rotatorkabel. Detta skikt kan ha en roll i fördelningen av krafter mellan senans insättningar och kan förklara varför vissa revor i rotatormanschetten är kliniskt asymptomatiska.
• Skikt fem är det egentliga kapselskiktet och bildar en kontinuerlig cylinder från glenoid till humerus. Fibrerna i detta lager är till största delen slumpmässigt orienterade.

Fiberorienteringen skiljer sig också åt längs längden på rotatorcuffsenan. Nära de muskulotendinösa korsningarna består senorna huvudsakligen av parallella homogena kollagenfibrer men blir platta bandliknande buntar av fibrer som korsar varandra i en vinkel på cirka 45 grader när de når insättning i humerus . På grund av de olika fiberriktningarna och de distinkta lagren inom det övre kapselkomplexet finns det sannolikt betydande skjuvkrafter som kan spela en roll vid revor i manschetten. Dessa intratendinösa variationer i manschettstrukturen kan förklara varför revor inom substansen uppstår. Skjuvkrafterna riktas troligen mot skikt fyra, där intratendonösa revor i manschetten utvecklas. Dessa tenderar att vara degenererade revor i manschetten.

Kollagen

Mittsubstansen i supraspinatustendonet består huvudsakligen av kollagen av typ I, med relativt små mängder kollagen av typ III, decorin och biglykan. Den fibrokartilage delen av insatsen har ett kollagen- och proteoglykaninnehåll som liknar det i vävnader som har utsatts för tryckbelastning. Detta beror delvis på att senan är lindad runt överarmsbenet. Därför innehåller den huvudsakligen kollagen av typ II och större proteoglykaner som aggrekan. Den histologiska organisationen liknar dock inte moget fibrokartilage. Vid tendinopati i rotatormanschetten har man observerat en ökning av kollagen typ III, ett protein som spelar en roll vid läkning och reparation, och av innehållet av glykosaminoglykaner och proteoglykaner. Dessa sammansättningsförändringar kan vara adaptiva, patologiska eller båda, och har visat sig vara förändrade i den äldre befolkningen.

För övrigt har nyligen genomförda studier visat på ökade nivåer av glatt muskelaktin (SMA) i trasiga rotatormanschetter. SMA-positiva celler har visat sig kontrahera en kollagen-glykosaminoglykananalog in vitro. SMA-innehållande celler i rotatorcuffens revor kan reagera med de höga nivåerna av GAG och proteoglykan, vilket kan leda till att den trasiga rotatorcuffen dras tillbaka och att den potentiella läkningen hämmas.

Vaskularitet

Den huvudsakliga artärförsörjningen till rotatormanschetten härrör från den uppåtgående grenen av den främre humerala circumflexaartären, den akromiala grenen av den thorakoakromiala artären samt de supraskapulära och posteriora humerala circumflexaartärerna.

Patogenesen för rotatorcuffens revor har ansetts påverkas av den mikrovaskulära försörjningen av rotatorcuffens senor. De flesta kadaverstudier har visat ett hypovaskulärt område inom den kritiska zonen av supraspinatustendonet. Det har föreslagits att detta hypovaskulära område har en betydande roll i den åldrande senans slitningsdegeneration. Nyare studier av den mikrovaskulära tillförseln till supraspinatussenan hos symtomatiska patienter med impingement syndrom tyder på att det i det område där impingementet är störst, dvs. den kritiska zonen (8 mm proximalt från supraspinatussenans insättning), faktiskt finns hypervaskulära förhållanden. I motsats till kadaverundersökningarna tycks dessa studier antyda att hypervaskularitet eller neovaskularisering är förknippad med symtomatisk rotatormanschettsjukdom sekundärt till mekanisk impingement.

In vivoanalyser med hjälp av ortagonal polariseringsspektralavbildning har visat att det finns en god vaskularitet i supraspinatus, även i den kritiska zonen i intakta rotatormanschetter .

A – kapillärer i normal supraspinatus-sena. B – frånvarande kapillärer i kanterna av en supraspinatus manschettruptur.

Ätiologi för manschettrupturer

Det finns två huvudteorier för orsaken till rotatormanschettrupturer:

1. Extrinsisk – på grund av kompression och impingement av rotatormanschetten utifrån. Till exempel på den subakromiala bursalsidan från akromiala sporrar och coracoacromialligamentet (subakromial impingement) och på den artikulära sidan från att senan fastnar mellan Glenoid och humerus vid extrem abduktion och extern rotation (intern impingement)
3. Intrinsic – utveckling av revor på grund av förändrade egenskaper hos själva rotatormanschetten.

Vi kommer att undersöka några av de biomekaniska orsakerna till utvecklingen av revor i manschetten, snarare än skillnaderna mellan extrinsiska och intrinsiska orsaker.

Strängningar

Tilltagande belastning i supraspinatus upp till 60 graders abduktion med hjälp av MRT.

Ingen skillnad i belastning mellan bursala & artikulära sidan av senan .

Stresskoncentration

Med hjälp av finita elementmodellering av rotatorcuffen studerades stresskoncentrationerna vid olika grader av subakromial impingement. Spänningskoncentrationerna var högst i den kritiska zonen av manschetten med revor som förstärktes på den artikulära sidan, den bursala sidan och den intratendinösa sidan. Articularsidan var något vanligare.

Subacromial Extrinsic Impingement

Neer trodde ursprungligen att revor i rotatormanschetten uppstod genom en mekanisk process som var sekundär till progressivt slitage. Han fann den främre aspekten av acromion involverad med eller utan osteofyter från AC-leden

Morfologin hos den främre acromion har visat sig korrelera med revor i manschetten. I en kadaverstudie av 140 axlar konstaterades att 73 % av de rotatormanchettbrott som hittades var i typ 3 krokiga acromioner . Detta har också bekräftats i nyligen genomförda kliniska studier där akromial morfologi har visat sig vara en prediktor för bristningar i manschetten.

Bigliani-klassificering av akromial morfologi. Typ 3 var vanligare förknippad med rotatorcuffrevor

Internt impingement

Triaden av främre capsulära laxitet, bakre kontraktion och internt impingement beskrevs ursprungligen hos atleter med över huvudet . Det interna impingementet uppstår när manschetten kläms mellan humerushuvudet och postero-superiorlabrum under extrem abduktion och extern rotation. Detta skrapar och sliter på manschettens artikulära yta vilket successivt leder till manschettbrott.

Tendedegeneration

Rotatormanschetten tycks degenerera med åldern. Vid undersökningar med magnetisk resonans (MRT) fanns det revor i manschetten hos 54 % av asymtomatiska personer över 60 år . MRT är dock endast 75-90 % tillförlitlig när det gäller att diagnostisera full tjocklek i rotatormanschetten. Mer arbete måste göras på de åldersrelaterade förändringarna i rotatormanschetten, men den åldrande manschetten är troligen mer utsatt för extrinsiska och intrinsiska mekanismer.