肩關節盂唇有限元分析研究進展

張 廷，曹 鈞

(1.西安交通大學第二附屬醫院骨科，西安 710004；2 西藏民族大學體育學院，陜西 咸陽 712082)

肩關節可保持穩定和靈活的平衡[1]，而維持這種平衡的結構分為動態結構和靜態結構。盂唇是維持肩關節穩定的重要靜態結構，其損傷會導致肩關節脫位、不穩、疼痛、活動受限、運動表現下降。SLAP損傷是一種上盂唇的損傷，從前向后撕裂，累及肱二頭肌長頭腱在此處的止點。肩關節急性創傷或反復運動損傷會引起盂唇損傷。

傳統的生物力學測量技術受限于技術本身或倫理要求，無法測得在體的肩關節復合體的力學參數。大部分肩關節生物力學試驗只能在體外條件下進行，而有限元分析作為一種基于肌肉骨骼模型的數字模擬方法提供了一種能評估不同載荷條件下肩關節生物力學行為的有用工具。

1 肩關節有限元模型分類

肩關節有限元模型可分為基于剛體動力學多體模型和基于連續介質力學的有限元模型。多體模型中，體節被假定為沒有形變的剛體，肌肉簡化為沒有體積的線性執行器，常用來評估在體的肌力[2]。多體模型不能模擬復雜的形變、應力分布和肩關節不同結構之間的相互作用，因此獲得的數據難以對臨床產生指導意義。驅動剛體模型的測量數據來源于運動分析系統的標識器，貼于皮膚表面的標識器會受到皮膚偽影影響。基于連續介質力學有限元模型[3]，可評估在體方法無法測量的應力分布，基本理念是離散化，把復雜機械結構分割成多種有限數目組分，每種組分有著簡單的幾何形狀，稱為單元。這種有限元方法在生物力學和骨科領域中得到了廣泛的應用。

2 肩關節有限元建模技術

肩關節有限元建模的第一步是重建肌肉骨骼結構的幾何形狀[4]，常用基于CT影像數據的方法。有時，骨骼的幾何數據直接從尸體標本上測得或引用自文獻數據。軟組織(例如肌肉、肌腱、韌帶)的幾何建模數據通常從核磁共振或冷凍切片獲得。關節軟骨的幾何形狀重建比較困難，需要設定被用來定義關節軟骨的幾何形狀，如在整個骨表面加以估算的平均軟骨厚度或在肱骨頭和肩胛盂之間的間隙填充透明軟骨，基于特定個體數據的關節軟骨幾何建模更加精確，有助于了解肱盂關節的在體軟骨生物力學[5-6]。

生物材料具有各向異性、非均勻性、非線性及黏彈性。根據處理問題的不同，可在不影響分析結果的前提下對生物材料特性進行簡化。大多數肩關節有限元研究需要做主要設定(Major assumptions)，通常骨骼被設定為剛性或各向同性線性彈性材料，具有相對較大的楊氏模量。早期研究中，肌肉和肌腱被設定為各向同性線性彈性材料[7]，后來考慮到肌肉、肌腱的非線性材料特性，但僅僅表示了肌肉、肌腱的被動生物力學行為[8]。還有肩關節有限元研究應用本構關系來代表肌肉沿肌纖維方向的主動和被動生物力學行為，以表示肌肉的材料特性，用不同的參數來表示肌腱沿纖維方向和垂直纖維方向的材料特性[9]。大多數情況下，關節囊被描述為各向同性超彈性材料，有的研究根據驗證試驗的應力測試結果給關節囊的不同區域賦以具體的參數。盂唇通常設定為各向同性材料，還被具體賦以橫向各向同性材料特性，與試驗驗證結果的一致性很好。對于關節軟骨，大部分研究將其設定為均勻線性彈性材料。

由于肩關節活動和載荷的復雜性，肩關節有限元研究中的邊界和載荷條件定義差異很大。有人根據尸體實驗中的儀器設置，確定邊界和載荷條件，以利于模型驗證[10]。有的通過施加人為設定的特定肌肉與骨骼的位移或旋轉來定義[11]。但這些研究仍不能描述出真實世界的肩關節復合體的生理狀態，有人采用多體模型的肌力作為邊界和載荷條件，但尚不完善[12-13]。最理想的邊界和載荷條件生成是不施加人為限定，而是表示生理條件下真實肌力驅動的肩關節活動，能更好地預測在體的組織應力環境。

由于肩關節有限元模型進行了簡化和設定，因此需要實驗驗證。基于體外實驗研究，可通過直接和特定尸體標本的實驗數據對比來進行模型驗證[14-15]。理論上，有限元模擬結果能夠通過在體測量的位移、應變和應力數據來驗證，但受當前測量技術的的限制，在體驗證實現存在困難。三維運動分析或X線動態攝片獲得的骨與關節的位置和空間數據可以用來有限元模擬的在體驗證。醫學影像學領域的新技術，如動態MR/CT掃描、動態超聲和壓力傳感器技術，提供了通過在體組織形變和壓力數據來驗證有限元模擬數據的新方法。

3 肩關節盂唇損傷生物力學研究進展

3.1 肩關節前向不穩定相關損傷

Bankart修復作為肩關節前向不穩定手術的金標準已得到廣泛認可，但應注意肩關節前向不穩定中骨質缺損的臨界尺寸，包括肩胛盂骨缺損和Hill-Sachs損傷[16-17]。肩胛盂軌跡理論被用來指導臨床手術決策，對于“在軌”病損且肩胛盂骨缺損小于盂寬度25%的，關節鏡下的Bankart修復能夠做到避免術后復發。對于“偏離軌道”病損且肩胛盂骨缺損小于盂寬度25%的，需要在Bankart修復上做Remplissage手術。對于“在軌”病損且肩胛盂骨缺損大于盂寬度25%的，需要做Latarjet手術的骨移植手術。對于“偏離軌道”病損且肩胛盂骨缺損大于盂寬度25%的，同樣需要做骨移植手術，不需要對 Hill-Sachs病損做處理。除了骨病損，治療時還需要考慮其他因素，如年齡、關節松弛度、運動類型、運動水平等。

3.2 SLAP損傷

造成SLAP損傷的力學機制尚不明確，通常認為有以下幾種可能：上臂的軸向牽拉傷，直接的擠壓損傷(如上臂過伸位摔倒時的軸向擠壓)，反復的過頂運動。尸體標本研究表明，肩關節前屈比后伸時更容易發生SLAP損傷[18]。Bey等的研究發現，肱二頭肌長頭腱的牽拉傷會造成II型SLAP損傷，肱骨頭向下半脫位會促進II型SLAP損傷[19]。肱二頭肌腱上止點的穩定性和上盂唇/肱二頭肌腱復合體的損傷類型取決于投擲不同時期肩關節的位置。Kuhn等的研究發現，與早期減速期相比，后期跨步期造成的SLAP損傷所需要的力要小20%，因此后期跨步期可能對投擲運動員的SLAP損傷起到作用[20]。Shepard等[21]研究了不同方向載荷作用于肱二頭肌腱上止點時極限應力的差異，與減速期常見的順肌腱纖維方向的載荷相比，后期跨步期常見的后向載荷的極限應力更小，說明后向載荷更容易造成II型SLAP損傷。有研究在模擬投擲動作時測量上盂唇前部和后部的應力，只有在后期跨步期上臂最大外旋時，上盂唇應力明顯增加，且上盂唇后部應力明顯大于前部應力，但也有人得出相反結論，有限元分析顯示[22]，投擲減速期的應力最大。以上研究表明，載荷加載過程中，肱二頭肌腱長頭腱的位置是關系SLAP損傷發生發展的重要因素。

4 肩關節盂唇損傷的有限元分析研究

C Klemt等[23]通過體外試驗驗證特定個體的有限元模型，利用有限元模型預測生理負荷下肱盂關節穩定性及盂唇對于關節穩定性的作用。Drury NJ等[24]考量了盂唇和關節囊的生物力學作用，在模擬誘發肩關節前脫位查體動作時，分析了盂唇厚度和模量改變時盂唇和關節囊應力的變化，結果顯示，盂唇退變引起的厚度減小會增加盂唇的平均應力和峰值應力。盂唇和關節囊是肩關節的主要被動穩定裝置，在限制脫位時，盂唇和關節囊的材料特性可能比在體載荷大小更重要。C Klemt等[25]確定了Bankart修復后肩胛盂骨缺損尺寸的臨界值，在肩胛盂骨缺損大于等于此臨界值時，即使在生理負荷下肩關節也會出現前向不穩定，建立了兩個有限元模型，分別為完整肩胛盂模型和前方骨缺損尺寸遞增的肩胛盂模型，在不同尺寸的骨缺損下模擬Bankart修復，測試在日常活動的載荷條件下在體應力變化和肩關節脫位風險。結果顯示，當肩胛盂的前方骨缺損達到盂寬度的16%及以上時，即使做了Bankart修復，日常活動仍有很大的脫位風險。Inoue K等[26]模擬了兩種Bankart修復手術方式，分別是去除盂前下方的關節軟骨并在盂的骨緣修復盂肱韌帶復合體，不去除盂前下方的關節軟骨，直接在盂緣修復盂肱韌帶復合體，分析修復后肩胛盂前下緣的載荷應力。章志望[27]應用有限元分析，對肩關節Bankart損傷修復前后、Bankart損傷錨釘在不同角度固定修復、Bankart損傷不同數量錨釘固定修復進行研究，結果顯示，Bankart損傷修復前，肩胛骨、關節盂和盂唇應力較大，肩胛骨和盂唇的變形較大。30°左右是錨釘植入的最優角度，在這一角度肩關節各結構的應力最小。隨著植入錨釘數量的增加，肩關節各結構的應力呈非線性的下降趨勢。

Gatti CJ等[28]驗證了一種肩關節盂唇的有限元模型。Yeh等[22]為了研究過頂投擲運動中肱二頭肌長頭腱在上盂唇止點的應力分布在SLAP損傷中的作用，建立了肩關節盂唇復合體有限元模型，模擬了過頂投擲運動的4個階段，分析了肱二頭肌長頭腱止點在不同位置時投擲峰值應力的改變。結果顯示，投擲減速期的峰值應力為160 Mpa，2倍于投擲后期跨步期的峰值應力，說明減速期的過高應力可能導致上盂唇的撕裂。Hwang E等[29-30]的研究表明，肱骨頭上移引起的對盂唇剪切應力是SLAP損傷產生的可能機制。Hwang E等[31]評估了肱二頭肌長頭腱張力對SLAP損傷進展的影響，表明肱二頭肌長頭腱張力對破損上盂唇的影響要大于完整上盂唇。Jang等[32]建立了SLAP損傷的有限元模型，在肩關節外旋外展位由于肱骨頭和肩袖的影響，后上盂唇向內移位并引起肱骨頭的向后上半脫位并擠壓肩袖。

5 結語

有限元模型是研究肩關節復合體生理功能和臨床疾病的重要工具，能極大促進人們對盂唇相關肩關節活動度、穩定性、疾病病理機制的理解，有助于肩關節疾病的診斷和治療[33]。肩關節盂唇有限元分析需要和臨床工作相結合，應用最新的影像學和傳感技術，對有限元模型進行驗證，并將其用于臨床工作中，對病例治療效果進行預測并給予臨床反饋。