肩关节盂唇有限元分析研究进展

张 廷，曹 钧

(1.西安交通大学第二附属医院骨科，西安 710004；2 西藏民族大学体育学院，陕西 咸阳 712082)

肩关节可保持稳定和灵活的平衡[1]，而维持这种平衡的结构分为动态结构和静态结构。盂唇是维持肩关节稳定的重要静态结构，其损伤会导致肩关节脱位、不稳、疼痛、活动受限、运动表现下降。SLAP损伤是一种上盂唇的损伤，从前向后撕裂，累及肱二头肌长头腱在此处的止点。肩关节急性创伤或反复运动损伤会引起盂唇损伤。

传统的生物力学测量技术受限于技术本身或伦理要求，无法测得在体的肩关节复合体的力学参数。大部分肩关节生物力学试验只能在体外条件下进行，而有限元分析作为一种基于肌肉骨骼模型的数字模拟方法提供了一种能评估不同载荷条件下肩关节生物力学行为的有用工具。

1 肩关节有限元模型分类

肩关节有限元模型可分为基于刚体动力学多体模型和基于连续介质力学的有限元模型。多体模型中，体节被假定为没有形变的刚体，肌肉简化为没有体积的线性执行器，常用来评估在体的肌力[2]。多体模型不能模拟复杂的形变、应力分布和肩关节不同结构之间的相互作用，因此获得的数据难以对临床产生指导意义。驱动刚体模型的测量数据来源于运动分析系统的标识器，贴于皮肤表面的标识器会受到皮肤伪影影响。基于连续介质力学有限元模型[3]，可评估在体方法无法测量的应力分布，基本理念是离散化，把复杂机械结构分割成多种有限数目组分，每种组分有着简单的几何形状，称为单元。这种有限元方法在生物力学和骨科领域中得到了广泛的应用。

2 肩关节有限元建模技术

肩关节有限元建模的第一步是重建肌肉骨骼结构的几何形状[4]，常用基于CT影像数据的方法。有时，骨骼的几何数据直接从尸体标本上测得或引用自文献数据。软组织(例如肌肉、肌腱、韧带)的几何建模数据通常从核磁共振或冷冻切片获得。关节软骨的几何形状重建比较困难，需要设定被用来定义关节软骨的几何形状，如在整个骨表面加以估算的平均软骨厚度或在肱骨头和肩胛盂之间的间隙填充透明软骨，基于特定个体数据的关节软骨几何建模更加精确，有助于了解肱盂关节的在体软骨生物力学[5-6]。

生物材料具有各向异性、非均匀性、非线性及黏弹性。根据处理问题的不同，可在不影响分析结果的前提下对生物材料特性进行简化。大多数肩关节有限元研究需要做主要设定(Major assumptions)，通常骨骼被设定为刚性或各向同性线性弹性材料，具有相对较大的杨氏模量。早期研究中，肌肉和肌腱被设定为各向同性线性弹性材料[7]，后来考虑到肌肉、肌腱的非线性材料特性，但仅仅表示了肌肉、肌腱的被动生物力学行为[8]。还有肩关节有限元研究应用本构关系来代表肌肉沿肌纤维方向的主动和被动生物力学行为，以表示肌肉的材料特性，用不同的参数来表示肌腱沿纤维方向和垂直纤维方向的材料特性[9]。大多数情况下，关节囊被描述为各向同性超弹性材料，有的研究根据验证试验的应力测试结果给关节囊的不同区域赋以具体的参数。盂唇通常设定为各向同性材料，还被具体赋以横向各向同性材料特性，与试验验证结果的一致性很好。对于关节软骨，大部分研究将其设定为均匀线性弹性材料。

由于肩关节活动和载荷的复杂性，肩关节有限元研究中的边界和载荷条件定义差异很大。有人根据尸体实验中的仪器设置，确定边界和载荷条件，以利于模型验证[10]。有的通过施加人为设定的特定肌肉与骨骼的位移或旋转来定义[11]。但这些研究仍不能描述出真实世界的肩关节复合体的生理状态，有人采用多体模型的肌力作为边界和载荷条件，但尚不完善[12-13]。最理想的边界和载荷条件生成是不施加人为限定，而是表示生理条件下真实肌力驱动的肩关节活动，能更好地预测在体的组织应力环境。

由于肩关节有限元模型进行了简化和设定，因此需要实验验证。基于体外实验研究，可通过直接和特定尸体标本的实验数据对比来进行模型验证[14-15]。理论上，有限元模拟结果能够通过在体测量的位移、应变和应力数据来验证，但受当前测量技术的的限制，在体验证实现存在困难。三维运动分析或X线动态摄片获得的骨与关节的位置和空间数据可以用来有限元模拟的在体验证。医学影像学领域的新技术，如动态MR/CT扫描、动态超声和压力传感器技术，提供了通过在体组织形变和压力数据来验证有限元模拟数据的新方法。

3 肩关节盂唇损伤生物力学研究进展

3.1 肩关节前向不稳定相关损伤

Bankart修复作为肩关节前向不稳定手术的金标准已得到广泛认可，但应注意肩关节前向不稳定中骨质缺损的临界尺寸，包括肩胛盂骨缺损和Hill-Sachs损伤[16-17]。肩胛盂轨迹理论被用来指导临床手术决策，对于“在轨”病损且肩胛盂骨缺损小于盂宽度25%的，关节镜下的Bankart修复能够做到避免术后复发。对于“偏离轨道”病损且肩胛盂骨缺损小于盂宽度25%的，需要在Bankart修复上做Remplissage手术。对于“在轨”病损且肩胛盂骨缺损大于盂宽度25%的，需要做Latarjet手术的骨移植手术。对于“偏离轨道”病损且肩胛盂骨缺损大于盂宽度25%的，同样需要做骨移植手术，不需要对 Hill-Sachs病损做处理。除了骨病损，治疗时还需要考虑其他因素，如年龄、关节松弛度、运动类型、运动水平等。

3.2 SLAP损伤

造成SLAP损伤的力学机制尚不明确，通常认为有以下几种可能：上臂的轴向牵拉伤，直接的挤压损伤(如上臂过伸位摔倒时的轴向挤压)，反复的过顶运动。尸体标本研究表明，肩关节前屈比后伸时更容易发生SLAP损伤[18]。Bey等的研究发现，肱二头肌长头腱的牵拉伤会造成II型SLAP损伤，肱骨头向下半脱位会促进II型SLAP损伤[19]。肱二头肌腱上止点的稳定性和上盂唇/肱二头肌腱复合体的损伤类型取决于投掷不同时期肩关节的位置。Kuhn等的研究发现，与早期减速期相比，后期跨步期造成的SLAP损伤所需要的力要小20%，因此后期跨步期可能对投掷运动员的SLAP损伤起到作用[20]。Shepard等[21]研究了不同方向载荷作用于肱二头肌腱上止点时极限应力的差异，与减速期常见的顺肌腱纤维方向的载荷相比，后期跨步期常见的后向载荷的极限应力更小，说明后向载荷更容易造成II型SLAP损伤。有研究在模拟投掷动作时测量上盂唇前部和后部的应力，只有在后期跨步期上臂最大外旋时，上盂唇应力明显增加，且上盂唇后部应力明显大于前部应力，但也有人得出相反结论，有限元分析显示[22]，投掷减速期的应力最大。以上研究表明，载荷加载过程中，肱二头肌腱长头腱的位置是关系SLAP损伤发生发展的重要因素。

4 肩关节盂唇损伤的有限元分析研究

C Klemt等[23]通过体外试验验证特定个体的有限元模型，利用有限元模型预测生理负荷下肱盂关节稳定性及盂唇对于关节稳定性的作用。Drury NJ等[24]考量了盂唇和关节囊的生物力学作用，在模拟诱发肩关节前脱位查体动作时，分析了盂唇厚度和模量改变时盂唇和关节囊应力的变化，结果显示，盂唇退变引起的厚度减小会增加盂唇的平均应力和峰值应力。盂唇和关节囊是肩关节的主要被动稳定装置，在限制脱位时，盂唇和关节囊的材料特性可能比在体载荷大小更重要。C Klemt等[25]确定了Bankart修复后肩胛盂骨缺损尺寸的临界值，在肩胛盂骨缺损大于等于此临界值时，即使在生理负荷下肩关节也会出现前向不稳定，建立了两个有限元模型，分别为完整肩胛盂模型和前方骨缺损尺寸递增的肩胛盂模型，在不同尺寸的骨缺损下模拟Bankart修复，测试在日常活动的载荷条件下在体应力变化和肩关节脱位风险。结果显示，当肩胛盂的前方骨缺损达到盂宽度的16%及以上时，即使做了Bankart修复，日常活动仍有很大的脱位风险。Inoue K等[26]模拟了两种Bankart修复手术方式，分别是去除盂前下方的关节软骨并在盂的骨缘修复盂肱韧带复合体，不去除盂前下方的关节软骨，直接在盂缘修复盂肱韧带复合体，分析修复后肩胛盂前下缘的载荷应力。章志望[27]应用有限元分析，对肩关节Bankart损伤修复前后、Bankart损伤锚钉在不同角度固定修复、Bankart损伤不同数量锚钉固定修复进行研究，结果显示，Bankart损伤修复前，肩胛骨、关节盂和盂唇应力较大，肩胛骨和盂唇的变形较大。30°左右是锚钉植入的最优角度，在这一角度肩关节各结构的应力最小。随着植入锚钉数量的增加，肩关节各结构的应力呈非线性的下降趋势。

Gatti CJ等[28]验证了一种肩关节盂唇的有限元模型。Yeh等[22]为了研究过顶投掷运动中肱二头肌长头腱在上盂唇止点的应力分布在SLAP损伤中的作用，建立了肩关节盂唇复合体有限元模型，模拟了过顶投掷运动的4个阶段，分析了肱二头肌长头腱止点在不同位置时投掷峰值应力的改变。结果显示，投掷减速期的峰值应力为160 Mpa，2倍于投掷后期跨步期的峰值应力，说明减速期的过高应力可能导致上盂唇的撕裂。Hwang E等[29-30]的研究表明，肱骨头上移引起的对盂唇剪切应力是SLAP损伤产生的可能机制。Hwang E等[31]评估了肱二头肌长头腱张力对SLAP损伤进展的影响，表明肱二头肌长头腱张力对破损上盂唇的影响要大于完整上盂唇。Jang等[32]建立了SLAP损伤的有限元模型，在肩关节外旋外展位由于肱骨头和肩袖的影响，后上盂唇向内移位并引起肱骨头的向后上半脱位并挤压肩袖。

5 结语

有限元模型是研究肩关节复合体生理功能和临床疾病的重要工具，能极大促进人们对盂唇相关肩关节活动度、稳定性、疾病病理机制的理解，有助于肩关节疾病的诊断和治疗[33]。肩关节盂唇有限元分析需要和临床工作相结合，应用最新的影像学和传感技术，对有限元模型进行验证，并将其用于临床工作中，对病例治疗效果进行预测并给予临床反馈。