肩锁关节解剖和生物力学分析

何鸿陶,陈云丰

(上海交通大学附属第六人民医院骨科,上海 200233)

肩锁关节损伤是一类常见损伤 ,发病率为 3‰～ 4‰。年轻男性发病率高,25%～52%的损伤是由体育锻炼引起[1]。直接和间接暴力都会引起肩锁关节损伤[2]。直接暴力作用在肩部,引起上肢内收,损伤从肩锁韧带开始,之后导致喙锁韧带、三角肌筋膜和斜方肌筋膜损伤,引起肩锁关节损伤。而间接暴力作用在前臂或上臂上,使上臂外展,肱骨头向上移导致锁骨远端向下移,当肩锁和喙肩韧带受到一定程度的牵拉时就会发生断裂,锁骨远端快速向上抬起使喙锁韧带损伤导致断裂,形成肩锁关节脱位[2]。过去多种内固定(克氏针固定、螺钉固定和钩钢板固定)手术治疗肩锁关节脱位方法都能够使大部分的病人恢复原来的功能,但是肩锁关节是一个微动关节,在过伸情况下的活动大部分病人都会出现肩部疼痛和撞击,所以在治疗前要了解该部位的结构、功能和生物力学分析,使患者得到有效的治疗方案。

1 解剖

肩锁关节由锁骨远端、肩峰内侧和喙突上方三部分组成,肩锁韧带、喙肩韧带和喙锁韧带连接上述三部分,肩锁关节面大多由外上向内下倾斜,呈 10°～ 55°。各韧带的功能都很重要,它们是稳定肩锁关节必不可少的结构,而三角肌和斜方肌加强关节的稳定性[1]。肩锁关节是一个活动性的关节,活动范围包括上下前后移动。其关节盘是半月板同系物,它随着年龄的增长而退化,肩锁关节盘的退化会直接影响活动范围。肩锁关节包括静止和活动的稳定,静止的稳定性由肩锁韧带、喙锁韧带和喙肩韧带所组成。活动的稳定性由三角肌和斜方肌组成[3]。肩锁关节上的所有组织都起着协同作用,共同使肩锁关节获得较好的稳定性。肩锁关节囊和囊内韧带能够有效控制锁骨远端前后移位,上肩锁韧带比下肩锁韧带更厚和更稳定,上肩锁韧带附着在锁骨上,与三角肌和斜方肌内腱膜交错连在一起。

1.1 肩锁韧带 成人肩锁关节前后径平均为 19 mm,上下径为 9 mm,肩锁关节是锁骨外侧和肩峰内侧所形成的滑膜关节,锁骨远端呈轻微圆形,匹配肩峰的外形。肩峰与锁骨之间由肩锁韧带连接起来,因为它的长度短,所以难以精确测量,它的厚度为 0.20～0.55 cm。这条韧带又分上关节囊韧带和下关节囊韧带,上关节囊韧带比下关节囊韧带厚[3]。斜方肌和三角肌腱膜与上关节囊韧带混在一起,这能加强锁骨肩峰端的稳定性。

1.2 肩锁关节盘 肩锁关节盘是一个很薄弱和功能不明的结构。由于个体的差异或年龄老化等因素,每个人的情况也不同,有些会很清楚,有些只看到残留一部分,有些则完全缺如。完整的肩锁关节盘显示为纤维软骨组织,环绕着肩锁关节囊的上方及下方。残留的肩锁关节盘只有一部分在关节囊上方[4]。通常肩锁关节盘多出现在肩锁关节囊上方,与上关节囊韧带结合在一起。

1.3 喙锁韧带 锁骨与喙突之间距离平均为 1.2 cm,由喙锁韧带连接在一起,喙锁韧带是由两条韧带所组成的“V”形结构,分别是外侧的斜方韧带和内侧的锥韧带,男性锥韧带的长度为(33.5±4.4)mm,女性为(28.9± 2.5)mm,男性斜方韧带的长度为(16.7±2.4)mm,女性为(16.1±1.4)mm,它们起着悬吊肩锁关节的作用[2]。锥韧带为锥形,其根部在喙突上 ,与喙突平行 ,螺旋上升到锁骨外 1/3的中下方 ,锥韧带还会与锁骨下方筋膜结合在一起,能防止肩锁关节向上、向前或旋转移位。斜方韧带位于锥韧带外侧,也是从喙突的上方伸展到锁骨的外下方,它从喙突到锁骨的伸展方向几乎是水平伸展,因此能防止肩锁关节向后或少许旋转移动。这两条韧带在喙突上融合在一起,但在锁骨上存在一段距离[3]。锥韧带由喙突到锁骨上成垂直位置,而斜方韧带成横向位置,两条韧带构成垂直关系。斜方韧带成四边形,而锥韧带比斜方韧带小,成圆锥形,它在喙突的着落点比较宽 ,宽度逐渐变小向锁骨下方附着。在两条韧带之间存在着滑液囊,滑液囊填充两条韧带及喙突到锁骨之间的空隙。

1.4 喙肩韧带 喙突与肩峰之间由喙肩韧带相连接,喙肩韧带是一条三角形的韧带,在喙突外侧缘向后变窄,到肩锁关节前方又变宽延伸到肩峰尖上,喙肩韧带从喙突基底延伸,位于喙锁韧带的下部,被肩峰下方关节囊组织分离,喙肩韧带前后缘较宽,由坚韧的纤维束组成,中部较薄甚至缺如[5]。韧带把肩峰及喙突包围,增加肱骨的稳定性。喙肩韧带的结构宽而长,长度 3.1～4.9 cm,宽 0.95～2.8 cm。在喙突的起点平均 3.7 cm,范围在 2.8～5.0 cm,而在肩峰的止点平均 1.5cm,范围在 0.7～2.5cm。在显微镜下可看到喙肩韧带纤维与肩锁关节前关节囊结合在一起,这是为了防止肩锁关节脱位,如果喙锁韧带脱位,则上下关节囊断裂[4]。喙肩韧带的功能是缓冲肩峰和肩袖之后的碰撞,支持下关节囊韧带和喙锁韧带。所以喙肩韧带断裂,韧带纤维会逐渐萎缩,导致失去缓冲功能。

1.5 三角肌 三角肌起于锁骨外侧 1/3、肩峰及肩胛冈,从前、外、后三面包绕肩关节,形成肩部膨隆,其前部肌束行向外下后方,中部肌束行向下方,后部肌束行向外下前方,三部分肌束集中成粗壮的的止腱,止于肱骨三角肌粗隆[6]。三角肌前部纤维覆盖肱二头肌和喙肱肌,后部纤维覆盖冈上肌、岗下肌、小圆肌和大圆肌的止点及肱三头肌长头的起点。三角肌深面的血管神经束有旋肱前、后血管和腋神经。腋神经为臂丛后束的分支,与旋肱后动脉一起通过四边孔,在三角肌后缘中点,紧靠肱骨外科颈后面走行[7]。三角肌的作用为肩关节外展,前部纤维使肩关节前屈和内旋,后部纤维则使肩关节后伸和外旋。三角肌附着在锁骨远端及前方,另外还附着在肩峰上与斜方肌结合在一起,特别在肩锁关节相关韧带损伤时起着主要的稳定肩锁关节作用。

1.6 斜方肌 位于颈部和背上部的浅层。起自上项线、枕外隆凸、项韧带、第 7颈椎和全部胸椎棘突,止于锁骨外侧 1/3、肩峰和肩胛骨[8]。它由第十一对脑神经自颈静脉孔出颅后,向下外行于胸锁乳突肌的深面,从该肌后缘中点斜越颈外侧区,入斜方肌深面,支配该肌。作用是使肩胛骨向脊柱靠拢,上部及中部纤维可提肩,上部肌纤维可把锁骨提起,中部肌纤维可使肩胛骨上抬,下部纤维可降肩。

2 生物力学分析

2.1 肩锁关节活动 Rockwod[9]报道指出,肩锁关节在肩关节前举 和外展至 180°时会出现 5°～ 8°的移动 ,前举到 180°时锁骨会出现 40°～ 50°的旋转。这个前举活动结合肩胛骨的旋转活动。外展及前举活动由锁骨上旋和肩胛骨下旋同时活动来完成,需要喙锁韧带协调。

肩锁关节活动有着重要的临床意义,因为在肩锁关节融合或与喙锁螺钉稳定喙突和锁骨时会影响肩关节完全上举或外展活动,如果肩关节过分上举或外展活动会使这样的植入物出现提前退化和断裂。

有学者针对这个微动关节进行力学试验,他分别以 70N的应力作用在肩锁关节的前方、上方和后方,测试肩锁关节在同一应力下不同方向的变化,由于锥韧带及斜方韧带结构及位置的不同,就算同一应力下所受的负荷也不相同。

2.2 肩锁关节囊韧带 在很多生物力学测试中证明韧带对肩锁关节稳定性起着重要的作用[10]。用 70N的应力作用在肩锁关节前方,上肩锁关节囊韧带能承担(24±14)N的应力,而斜方韧带和下肩锁关节囊韧带分别能承担(23±15)N和(14±12)N的应力,这说明上肩锁关节囊韧带在承受前方的应力中起着主要作用,表明肩锁关节囊韧带能够有效控制锁骨远端向后移位。这条韧带在不同的位置受伤都会引起锁骨远端不同的移位。如果肩锁关节囊韧带前下方断裂不会造成锁骨远端明显向后移位,但在后上方断裂就会造成锁骨远端向后移位。肩锁关节囊韧带后方和上方韧带,分别分散锁骨远端向后移位的 56%和 25%的作用力。锁骨远端后水平不稳定可导致锁骨后外侧插入肩胛骨上。稳定锁骨位移能够有效地避免肩锁关节脱位时锁骨远端向肩胛骨移位时带来的疼痛。

2.3 喙锁韧带 研究指出,当 70 N应力作用在后方时,锥韧带和斜方韧带出现横向水平面升高,顺着纤维排列紧密在一起。一旦应力作用在肩锁关节前方,锥韧带和斜方韧带横向后移位,并与肩胛骨的后方矢状位方向一致。应力作用在肩锁关节上方,锥韧带和斜方韧带位置和方向相对,所以锁骨只会垂直上下移动[11]。用 70N的应力作用在肩锁关节上方,锥韧带是抵抗应力的主要部位,因为它能承担(49±22)N的应力,而上肩锁关节囊韧带和下肩锁关节囊韧带只能承担(25±11)N和(9±9)N的应力。锥韧带负责承担作用在肩锁关节上方的拉力,而作用在肩锁关节后方的应力主要由斜方韧带承担。Debski用生物力学的方法来测试肩锁关节的强度。用 70 N的作用力分别向前、后、上三个方向作用在锁骨上,锁骨远端会向前移位 (5.1± 2.0)mm,向后移位 (5.6±2.2)mm,向上移位(4.2±1.9)mm。又有研究指出用不足10 N的应力作用在肩锁关节,平均在前方用(9±6)N,后方用 (9±7)N,肩锁关节囊韧带会出现分离现象,这个发现正好证明肩锁关节囊韧带能达到前后平衡。而拉力作用在上方时,力量要平均达到 20 N才能使肩锁关节囊韧带分离 ,这是前后负荷的两倍。而锥韧带及斜方韧带之间存在垂直关系,更好证明了肩锁关节向上的抗作用力比前后的抗作用力大。锥韧带有很强地抗向上作用力的作用,而斜方韧带能够抵抗向后的作用力,这两条韧带几乎是同源的,它们的差别是方向相对[11]。在治疗肩锁关节脱位时主要考虑重建喙锁韧带,特别在锁骨远端向后方移位时,重建喙锁韧带更加重要。在正常情况下,切除锁骨远端不会影响喙锁韧带结构[10]。但切除锁骨远端会破坏肩锁韧带,使肩锁韧带原要承受的应力都集中在锥韧带和斜方韧带上,增加锁骨远端不稳定。

2.4 喙肩韧带[12]喙肩韧带使肱盂关节稳定,防止肱骨头向前上方移位。喙肩韧带断裂常发生在肩峰下减压,伴除着锁骨远端切除。在切除喙肩韧带后进行生物力学测试,分别用 70N应力作用在锁骨远端前、后、上三个方向,肩锁关节无明显向前、后、上三个方向移位。

2.5 三角肌及斜方肌[13]三角肌及斜方肌都附着在肩锁关节的上方,这能保护和加强肩锁关节的稳定性,使关节活动时保持锁骨远端的稳定性,三角肌起着动态悬吊作用,使肩锁关节在活动时得到保护及稳定作用。而斜方肌腱膜附着在锁骨远端,斜方肌中部纤维可内收肩胛骨,上下部纤维成为力偶联合收缩,可使肩胛骨外旋,当臂外展外旋时,使肩胛骨抗阻力内收,如作挺胸动作时,斜方肌中部纤维收缩,上下部纤维可稳定肩胛骨,使其无旋转动作。

2.6 锁骨远端切除 锁骨远端切除能有效治疗肩锁关节脱位后带来的肩部疼痛。Branch等研究指出切除锁骨远端5 mm的肩锁关节,会增加锁骨远端上下前后方的不稳定,特别在锁骨远端进行旋转活动时更加不稳定[14]。

Debski等调查在关节镜下行肩峰成形术切除锁骨远端、喙肩韧带和上肩锁关节韧带时,锁骨远端前方稳定性减少,导致锁骨向后移位[7]。常规用关节镜或切开手术进行锁骨远端切除会带给患者肩部长期不稳定和预后不良,当锁骨远端切除后,锁骨远端会失去关节囊、韧带和关节上的组织,使其稳定性降低,使锁骨远端向后方移位的百分比增加 30%。

肩锁关节功能上属微动关节,与胸锁关节、肩胛骨胸壁连接共同构成肩带,主要有上下、前后、旋转三种基本运动形式[15],在肩胛带功能和动力学上占有非常重要的位置。肩锁关节和胸锁关节一起在上肢外展 180°活动中提供 60°的活动范围,同时参与肩关节的前屈和后伸运动。生物力学分析,当肩外展 90°时,肩锁关节的应力已接近人体体重的 2倍 ,故而肩锁关节是一个力的传递关节,是肩关节灵活运动的支撑点。因此,当发生肩锁关节脱位时,不仅会产生肩锁关节疼痛、活动异常等症状,而且极大影响整个上肢的力量和运动的灵活性。

3 总 结

肩锁关节解剖、活动、强度与其他关节不同[12],本文拟通过生物力学分析其结构特点,使我们了解重建喙锁韧带和肩锁韧带的重要性,更加了解肩锁关节的结构和功能,使脱位的病人得到正确诊断、评估及治疗。

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