肩關(guān)節(jié)盂唇有限元分析研究進展

張 廷，曹 鈞

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

肩關(guān)節(jié)可保持穩(wěn)定和靈活的平衡[1]，而維持這種平衡的結(jié)構(gòu)分為動態(tài)結(jié)構(gòu)和靜態(tài)結(jié)構(gòu)。盂唇是維持肩關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要靜態(tài)結(jié)構(gòu)，其損傷會導(dǎo)致肩關(guān)節(jié)脫位、不穩(wěn)、疼痛、活動受限、運動表現(xiàn)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(guān)節(jié)急性創(chuàng)傷或反復(fù)運動損傷會引起盂唇損傷。

傳統(tǒng)的生物力學(xué)測量技術(shù)受限于技術(shù)本身或倫理要求，無法測得在體的肩關(guān)節(jié)復(fù)合體的力學(xué)參數(shù)。大部分肩關(guān)節(jié)生物力學(xué)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(shù)字模擬方法提供了一種能評估不同載荷條件下肩關(guān)節(jié)生物力學(xué)行為的有用工具。

1 肩關(guān)節(jié)有限元模型分類

肩關(guān)節(jié)有限元模型可分為基于剛體動力學(xué)多體模型和基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元模型。多體模型中，體節(jié)被假定為沒有形變的剛體，肌肉簡化為沒有體積的線性執(zhí)行器，常用來評估在體的肌力[2]。多體模型不能模擬復(fù)雜的形變、應(yīng)力分布和肩關(guān)節(jié)不同結(jié)構(gòu)之間的相互作用，因此獲得的數(shù)據(jù)難以對臨床產(chǎn)生指導(dǎo)意義。驅(qū)動剛體模型的測量數(shù)據(jù)來源于運動分析系統(tǒng)的標識器，貼于皮膚表面的標識器會受到皮膚偽影影響?；谶B續(xù)介質(zhì)力學(xué)有限元模型[3]，可評估在體方法無法測量的應(yīng)力分布，基本理念是離散化，把復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)分割成多種有限數(shù)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(xué)和骨科領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 肩關(guān)節(jié)有限元建模技術(shù)

肩關(guān)節(jié)有限元建模的第一步是重建肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的幾何形狀[4]，常用基于CT影像數(shù)據(jù)的方法。有時，骨骼的幾何數(shù)據(jù)直接從尸體標本上測得或引用自文獻數(shù)據(jù)。軟組織(例如肌肉、肌腱、韌帶)的幾何建模數(shù)據(jù)通常從核磁共振或冷凍切片獲得。關(guān)節(jié)軟骨的幾何形狀重建比較困難，需要設(shè)定被用來定義關(guān)節(jié)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(shù)據(jù)的關(guān)節(jié)軟骨幾何建模更加精確，有助于了解肱盂關(guān)節(jié)的在體軟骨生物力學(xué)[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(jù)處理問題的不同，可在不影響分析結(jié)果的前提下對生物材料特性進行簡化。大多數(shù)肩關(guān)節(jié)有限元研究需要做主要設(shè)定(Major assumptions)，通常骨骼被設(shè)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(shè)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(xué)行為[8]。還有肩關(guān)節(jié)有限元研究應(yīng)用本構(gòu)關(guān)系來代表肌肉沿肌纖維方向的主動和被動生物力學(xué)行為，以表示肌肉的材料特性，用不同的參數(shù)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(shù)情況下，關(guān)節(jié)囊被描述為各向同性超彈性材料，有的研究根據(jù)驗證試驗的應(yīng)力測試結(jié)果給關(guān)節(jié)囊的不同區(qū)域賦以具體的參數(shù)。盂唇通常設(shè)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(jié)果的一致性很好。對于關(guān)節(jié)軟骨，大部分研究將其設(shè)定為均勻線性彈性材料。

由于肩關(guān)節(jié)活動和載荷的復(fù)雜性，肩關(guān)節(jié)有限元研究中的邊界和載荷條件定義差異很大。有人根據(jù)尸體實驗中的儀器設(shè)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(shè)定的特定肌肉與骨骼的位移或旋轉(zhuǎn)來定義[11]。但這些研究仍不能描述出真實世界的肩關(guān)節(jié)復(fù)合體的生理狀態(tài)，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(qū)動的肩關(guān)節(jié)活動，能更好地預(yù)測在體的組織應(yīng)力環(huán)境。

由于肩關(guān)節(jié)有限元模型進行了簡化和設(shè)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(shù)據(jù)對比來進行模型驗證[14-15]。理論上，有限元模擬結(jié)果能夠通過在體測量的位移、應(yīng)變和應(yīng)力數(shù)據(jù)來驗證，但受當(dāng)前測量技術(shù)的的限制，在體驗證實現(xiàn)存在困難。三維運動分析或X線動態(tài)攝片獲得的骨與關(guān)節(jié)的位置和空間數(shù)據(jù)可以用來有限元模擬的在體驗證。醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域的新技術(shù)，如動態(tài)MR/CT掃描、動態(tài)超聲和壓力傳感器技術(shù)，提供了通過在體組織形變和壓力數(shù)據(jù)來驗證有限元模擬數(shù)據(jù)的新方法。

3 肩關(guān)節(jié)盂唇損傷生物力學(xué)研究進展

3.1 肩關(guān)節(jié)前向不穩(wěn)定相關(guān)損傷

Bankart修復(fù)作為肩關(guān)節(jié)前向不穩(wěn)定手術(shù)的金標準已得到廣泛認可，但應(yīng)注意肩關(guān)節(jié)前向不穩(wěn)定中骨質(zhì)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(dǎo)臨床手術(shù)決策，對于“在軌”病損且肩胛盂骨缺損小于盂寬度25%的，關(guān)節(jié)鏡下的Bankart修復(fù)能夠做到避免術(shù)后復(fù)發(fā)。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(fù)上做Remplissage手術(shù)。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(shù)的骨移植手術(shù)。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(shù)，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(guān)節(jié)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(xué)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(fù)的過頂運動。尸體標本研究表明，肩關(guān)節(jié)前屈比后伸時更容易發(fā)生SLAP損傷[18]。Bey等的研究發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定性和上盂唇/肱二頭肌腱復(fù)合體的損傷類型取決于投擲不同時期肩關(guān)節(jié)的位置。Kuhn等的研究發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)力，只有在后期跨步期上臂最大外旋時，上盂唇應(yīng)力明顯增加，且上盂唇后部應(yīng)力明顯大于前部應(yīng)力，但也有人得出相反結(jié)論，有限元分析顯示[22]，投擲減速期的應(yīng)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(guān)系SLAP損傷發(fā)生發(fā)展的重要因素。

4 肩關(guān)節(jié)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(yù)測生理負荷下肱盂關(guān)節(jié)穩(wěn)定性及盂唇對于關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的作用。Drury NJ等[24]考量了盂唇和關(guān)節(jié)囊的生物力學(xué)作用，在模擬誘發(fā)肩關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)囊應(yīng)力的變化，結(jié)果顯示，盂唇退變引起的厚度減小會增加盂唇的平均應(yīng)力和峰值應(yīng)力。盂唇和關(guān)節(jié)囊是肩關(guān)節(jié)的主要被動穩(wěn)定裝置，在限制脫位時，盂唇和關(guān)節(jié)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(fù)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(guān)節(jié)也會出現(xiàn)前向不穩(wěn)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(fù)，測試在日常活動的載荷條件下在體應(yīng)力變化和肩關(guān)節(jié)脫位風(fēng)險。結(jié)果顯示，當(dāng)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(fù)，日?；顒尤杂泻艽蟮拿撐伙L(fēng)險。Inoue K等[26]模擬了兩種Bankart修復(fù)手術(shù)方式，分別是去除盂前下方的關(guān)節(jié)軟骨并在盂的骨緣修復(fù)盂肱韌帶復(fù)合體，不去除盂前下方的關(guān)節(jié)軟骨，直接在盂緣修復(fù)盂肱韌帶復(fù)合體，分析修復(fù)后肩胛盂前下緣的載荷應(yīng)力。章志望[27]應(yīng)用有限元分析，對肩關(guān)節(jié)Bankart損傷修復(fù)前后、Bankart損傷錨釘在不同角度固定修復(fù)、Bankart損傷不同數(shù)量錨釘固定修復(fù)進行研究，結(jié)果顯示，Bankart損傷修復(fù)前，肩胛骨、關(guān)節(jié)盂和盂唇應(yīng)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(yōu)角度，在這一角度肩關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最小。隨著植入錨釘數(shù)量的增加，肩關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力呈非線性的下降趨勢。

Gatti CJ等[28]驗證了一種肩關(guān)節(jié)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(yīng)力分布在SLAP損傷中的作用，建立了肩關(guān)節(jié)盂唇復(fù)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(yīng)力的改變。結(jié)果顯示，投擲減速期的峰值應(yīng)力為160 Mpa，2倍于投擲后期跨步期的峰值應(yīng)力，說明減速期的過高應(yīng)力可能導(dǎo)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(yīng)力是SLAP損傷產(chǎn)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(guān)節(jié)外旋外展位由于肱骨頭和肩袖的影響，后上盂唇向內(nèi)移位并引起肱骨頭的向后上半脫位并擠壓肩袖。

5 結(jié)語

有限元模型是研究肩關(guān)節(jié)復(fù)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(guān)肩關(guān)節(jié)活動度、穩(wěn)定性、疾病病理機制的理解，有助于肩關(guān)節(jié)疾病的診斷和治療[33]。肩關(guān)節(jié)盂唇有限元分析需要和臨床工作相結(jié)合，應(yīng)用最新的影像學(xué)和傳感技術(shù)，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(yù)測并給予臨床反饋。