肩关节稳定率测量方法研究进展

张广程 胡庆翔 何耀华

肩关节是人体活动范围最大的关节，同时也是最不稳定、最容易发生脱位的关节[1]。肩关节脱位中绝大多数为前脱位，约占95%[2-4]。初次肩关节脱位后，26%～100%的患者会再次脱位[2,5-8]。复发性肩关节前脱位是临床常见疾病，总人群发病率为1%～2%[9-10]，多发于年轻人[11-12]，可严重影响患者的肩关节功能和生活质量。手术治疗可降低肩关节脱位复发率[13-14]，并改善患肢功能[14-15]，但手术前对肩关节稳定性的评估仍是一大难题。

临床医生常通过影像学方法测量肩胛盂骨缺损面积（BDA）来评估患者的肩关节稳定性[16-19]，但这种方法无法获取肩关节的生物力学信息。与肩胛盂BDA相比，肩关节稳定率可对肩关节稳定性提供更直接、更精确的生物力学评估[20]，肩关节稳定率的定义为当肱骨头脱位即将发生时，肱骨头受到的最大平移力与压缩力的比值[21]。

目前，肩关节稳定率的测量方法主要分为生物力学方法、有限元分析法和几何学测量法。本文回顾相关文献，对肩关节稳定率的测量方法进行综述。

1 复发性肩关节前脱位术前评估方式及其局限性

目前，临床医生常以影像学方法测量肩胛盂BDA为依据选择手术方式。然而，不同程度的肩胛盂BDA应使用何种手术方式尚存较大争议。

有学者认为，肩胛盂BDA达20%～25%时应选择肩胛盂植骨术进行治疗[22]；也有学者认为，肩胛盂BDA达25%～27%以上才需行肩胛盂植骨术[23]。肩胛盂BDA为15%～20%时，有学者认为Latarjet手术较Bankart修补术能获得更好的术后功能[24]，也有学者认为这两种手术的术后功能并无显著差异[25]。肩胛盂BDA为10%～15%时，有学者认为单纯Bankart修补术即可得到满意的稳定性和术后功能[26]；也有学者认为，对于运动需求较高的患者，肩胛盂BDA＞13.5%就应考虑肩胛盂植骨术[27]；而Tasaki等[28]认为，对于从事碰撞运动的运动员，应使用关节镜下Bankart修补联合开放性Bristow手术进行治疗，且术前肩胛盂BDA≥10%与＜10%的患者，其术后结果并无显著差异。

肩胛盂BDA的测量无法反映复发性肩关节脱位患者的肩关节生物力学状态。Moroder等[20]认为，肩胛盂BDA值与其生物力学影响的关系是非线性的，且肩胛盂骨缺损对肩关节稳定性的生物力学效应取决于肩胛盂凹陷的个体差异。Bhatia等[29]认为，与完整的肩胛盂相比，肩胛盂BDA为10%时引起的肩胛盂凹陷深度变化最大（1.2 mm），已达肩胛盂BDA为40%时肩胛盂凹陷深度变化的80%。Wermers等[30]认为，与肩胛盂BDA相比，肩胛盂凹陷程度更能反应肩关节稳定率，仅考虑肩胛盂BDA似乎不适合外科治疗的选择和决策。

2 凹面-加压效应与肩关节稳定率

当肩关节处于动态非极限活动位时，维持肩关节稳定性的主要机制是“凹面-加压效应”，其有效性取决于肩关节肌肉力量和肩胛盂关节面特性[31]。 肱骨头关节面可近似看作球面，当其受周围肌肉活动产生的压缩力后，被压向肩胛盂[32-33]；同时，肩胛盂凹面的骨性结构和软组织结构则限制肱骨头的侧向移动，使肱骨头中心维持稳定状态，这种机制就是凹面-加压效应[21,34]。肩关节稳定率是定量描述凹面-加压效应的指标，其定义为当肱骨头发生脱位时，肱骨头所受最大平移力与压缩力的比值[21]，计算公式（式1）如下：

其中SR代表肩关节稳定率，FDmax代表最大平移力，FC代表压缩力。

3 肩关节稳定率测量方法

3.1 生物力学方法

生物力学方法是测量肩关节稳定率的重要方法。根据测量值是否为力，将生物力学方法分为直接测量法和间接测量法。直接测量法是根据肩关节稳定率的定义，直接测量肱骨头脱位时其所受到的最大平移力和压缩力，再使用公式（式1）计算肩关节稳定率。间接测量法则根据平衡稳定角（BSA）的定义[21,35-36]，使用仪器测量肱骨头脱位时其所受到的合外力与肩胛盂中心线间的最大夹角，再根据公式（式2）计算肩关节稳定率（SR）：

3.1.1 生物力学直接测量法

生物力学直接测量法的研究通常在过夜解冻后的新鲜冰冻尸体上进行。尸体标本的处理一般是从胸部切取肩胛骨，并在肱骨干中部的三角肌附着体远端离断肱骨，切除肩袖、肱二头肌、三角肌等所有附着的肌肉和肌腱，或根据研究需要，保留肩胛盂关节面的软骨或盂唇[30,34,37-40]。

生物力学直接测量法需要复杂的生物力学仪器,其模式图见图1。研究中通常需要搭建1个生物力学平台，将肩胛盂标本固定于容器内，使用气缸等方式对肱骨头施加压缩力，通过工作台或手动提供位移，以模拟肱骨头脱位的过程。使用各种力传感器和位置传感器测量并记录肱骨头脱位时平移力和压缩力的大小及方向[34,37-38,40]。

图1 生物力学直接测量法模式图 注：B为底座，C为肩胛盂固定容器，G为肩胛盂，F为力传感器，FD为平移力，FC为压缩力，H为肱骨头，L为六自由度称重传感器，Lt为线性位置传感器，P为塑料棒，Pc为气缸，S为滑动装置，V为垂直杆，XY为x-y工作台

生物力学直接测量法的优点在于可以相对直接、准确地测量肩关节稳定率，更符合肩关节稳定率的定义。但该方法存在两个主要问题：首先，需要复杂的生物力学测量技术和测量平台，仪器价格昂贵；其次，只能在尸体标本上测量，无法对患者进行体外测量，无法满足临床需求。

3.1.2 生物力学间接测量法

生物力学间接测量法也需要在尸体肩胛盂标本上进行。对尸体标本的处理方法与前述直接测量法相同，但通常不使用尸体肱骨头标本测量。既往研究表明，只要肱骨头半径不大于肩胛盂曲率半径，BSA的测量值就不会受到肱骨头大小的影响[41]，所以许多学者使用不同直径、不同质量的金属球或塑料球代替肱骨头标本进行测量[36,42]。

生物力学间接测量法也需要力学仪器。通常是将肩胛盂嵌入底座后保持肩胛盂中心线竖直向下，在组件上放置金属球，其重力竖直向下。随后，使肩胛盂组件逐渐偏离竖直方向，直到金属球脱出。根据定义，此时肩胛盂中心线与竖直方向间的夹角即为BSA。为减小组件间的摩擦，通常在底座上安装1个频率为60 Hz的振动器[36,42]。其原理示意图如图2所示。

图2 BSA生物力学测量方法原理和公式示意图 注：FD为平移力，FC为压缩力，α为BSA，SR为肩关节稳定率

生物力学间接测量法的优点在于所需测量仪器相对简易，且不需要使用尸体肱骨头标本。但由于其测量依然需要尸体肩胛盂标本，且测试仪器仍不够便捷，依然无法应用于临床。在肩关节稳定率的生物力学测量中，可能需要使用基于患者真实肩胛盂解剖结构定制的肩胛盂模型，以准确地进行体外测量。

3.2 有限元分析方法

有限元分析是依靠计算机运算的数学方法，近年来被广泛应用于肩关节研究领域[43-46]。

肩关节稳定性有限元分析研究的原始数据来源多样[20,47-48]，对原始数据需要进行三维重建、模型建立和手动分割，形成盂肱关节的三维模型[47]。通过有限元分析软件，在模型上生成三角形或四面体的有限元网格，将其分割成若干元素。随后，需要设置各组织结构的材料参数，主要包括弹性模量和泊松比等。模拟过程中，在肱骨头上施加一个压缩力，通过软件内的设置，使肱骨头以特定长度为单位进行各水平方向的平移，通过计算肱骨头脱出时平移力与压缩力的比值测得肩关节稳定率。

有限元分析方法的优点在于无需进行尸体标本研究或模型实验，而缺点是需要研究人员熟练掌握计算机软件技术，且学习曲线较长，对临床医师有较高技术壁垒，难以在临床应用。

3.3 几何学测量法

由于上述方法存在诸多不便，许多学者提出几何学测量法来测量肩关节稳定率。根据是否使用CT等医学影像设备，可分为直接测量法和影像测量法。

3.3.1 几何学直接测量法

几何学直接测量法通常是测量尸体肩胛盂标本的解剖学特征。Wermers等[30]通过三维测量臂对肩胛盂和肱骨头的解剖标志进行数字化，计算出肩胛盂凹陷半径(r)，并记录肱骨头脱位过程中的最大外侧位移来估算肩胛盂深度（d），根据公式（式3）计算其骨性肩关节稳定率（BSSR）：

Weldon等[36]在尸体标本上使用电磁跟踪系统记录肱骨头从稳定状态到脱出过程中的肱骨头中心路径，以测得肩胛盂宽度的1/2（w）和肩胛盂曲率半径（r），并用公式（式4）计算BSA，再用公式（式2）计算肩关节稳定率，计算公式（式4）如下：

Braman等[35]使用电动激光表面干涉扫描仪对尸体肩胛盂标本表面进行扫描，将扫描数据绘制成肩胛盂表面的三维轮廓图并进行分析。随后，将肱骨头假体放置于肩胛盂关节面上，向各方向移动肱骨头假体，将肱骨头中心点的位置信息绘制成肩胛盂图。他们指出，肩胛盂图上特定方向截面曲线的最大切线斜率就是肩胛盂在该方向上的BSA正切值。

几何学直接测量法虽然需要特殊仪器对肩胛盂标本进行解剖特征测量和扫描，较为不便，但可能从数学和几何学上解释了BSA和肩关节稳定率的本质。肩胛盂各方向的轴向截面所形成的曲线上可能存在1个最“陡”点，为防止肱骨头脱位提供了最大限制。对于复发性肩关节前脱位患者，找到肩胛盂前缘最“陡”点可能是BSA和肩关节稳定率几何学测量的核心。

3.3.2 几何学影像测量法

几何学影像测量法通常通过CT图像进行。Moroder等[48]通过在CT标准化轴向成像平面（SAIP）上测量肩胛盂深度（d）和肱骨头拟合圆半径（r），根据公式（式3）得到BSSR。该方法在后续研究中也有应用[30,49-50]。这种方法较为简便，可操作性强，贴合临床应用场景，但可能存在一些问题。首先，SAIP的精准定位难以实现。SAIP是垂直于肩胛盂长轴并穿过肩胛盂下缘最佳拟合圆中心的平面，测量时在二维CT斜矢状位的肩胛盂正位上难以准确定位来确定肩胛盂长轴所需的盂上结节和盂下结节。其次，该方法选择的SAIP并未考虑肩胛盂与肩胛骨的相对关系，即未考虑肩胛盂前倾的情况，因此无法应用于复发性肩关节前脱位伴肩胛盂骨缺损的患者。

4 结语

肩关节稳定率的测量在临床研究、生物力学研究和患者肩关节稳定性评估等方面有较广泛应用前景。现有测量方法大多不便于临床应用，生物力学方法只能在尸体标本上进行，同时需要大型生物力学测量设备；有限元分析方法基于计算机技术，对临床医师有较高知识壁垒；而几何学方法可能是最具前景的测量方法。

对于临床医师而言，需要一种快速、方便、准确的肩关节稳定率测量方法。后续研究可聚焦于如何基于患者的肩胛盂真实解剖结构进行体外生物力学测量，以及如何对现有影像学测量方法进行改良和创新。