冈上肌部分损伤对肌腱应力分布影响的有限元分析

邢秋娟，赵东峰，戴薇薇，吴佶，黄春水，暴洁，焦丹丽

(1.长宁区天山中医医院康复科，上海 200051；2.上海中医药大学脊柱病研究所，上海200032；3.上海中医药大学附属龙华医院科技中心实验室，上海 200032；4.上海中医药大学，上海 200120)

冈上肌起自冈上窝，止于肱骨大结节，是组成肩袖的四块肌肉之一，同时也是肩袖损伤中最易损伤的部分，Morrison[1]报道冈上肌肌腱撕裂占肩袖损伤85%以上。Ellman[2]将部分肩袖损伤分为关节侧、滑囊侧、肌腱内，并进一步依据损伤深度分为3度：Ⅰ度<3 mm，Ⅱ度3～6 mm或不超过肌腱厚度的50%，Ⅲ度>6 mm或超过肌腱厚度的50%。2016年国际关节镜、膝关节外科与骨科运动医学学会提出肌腱损伤超过厚度的50%将严重影响肌腱功能，应积极采取手术治疗。然而Engelhardt[3]通过有限元分析认为部分撕裂40%以下，应以康复治疗为主，而60%以上者应手术修复以恢复肩部力量。Thunes通过有限元分析发现冈上肌在其止点前后方向上，不同区域的肌腱发挥着不同的作用[4]。因此，有必要进一步研究冈上肌在不同区域出现不同深度损伤后对肌腱强度的影响，从而尽早采取适宜的治疗措施，防止损伤加重。本研究采用有限元分析的方法，建立了包含冈上肌的肩关节计算机模型，观察了冈上肌在前后方向不同区域出现部分损伤后肌腱应力的变化，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 冈上肌损伤模型构建 选取成年男性志愿者1名，身高178 cm，体重76 kg。X线检查肩部无发育畸形及骨折、代谢性疾病病史。采用64排螺旋CT对志愿者肩部行薄层扫描，CT图像以DICOM格式导入医学软件Mimics 16.0中，根据骨及肌肉组织的灰度值，按照区域分割的方法，剥离出肩胛骨、肱骨近端、冈上肌，然后以点云文件格式导入Geomagic studio2012，对模型进行封装、平滑、构造曲面片等处理，拟合模型的NURBS曲面，以IGES格式导入Hypermesh 13.0，在Hypermesh 13.0将冈上肌划分出肌性部分和腱性部分，腱性部分由前向后分为3个区域，以滑囊侧损伤为代表，每个区域设计出损伤深度依次为20%(A组)、40%(B组)、60%(C组)肌腱损伤的有限元模型，并与正常无冈上肌损伤模型为对照，将上述模型分别进行网格化，单元类型为C3D4。所有结构的材料属性为各项同性线弹性材料，材料属性参考既往文献进行设定，其中肌肉的弹性模量为1.08 MPa，泊松比为0.49；肌腱的弹性模量为1 200 MPa，泊松比为0.4，皮质骨的弹性模量为1.34×104MPa，泊松比为0.3[5]。通过改变盂肱关节的相对位置，建立外展0°、30°、60°、90°四个肩关节模型，将模型分别以inp格式导入Abaqus 6.14。将上述模型合并成组件模式导入中划分网格。

1.2 边界条件及加载 以冈上肌纵轴为坐标Y轴，将肱骨头的几何中心为参考点，使其与肱骨头表面节点Coupling约束，约束参考点的全部自由度作为边界条件。沿Y轴正方向添加400 N的拉力[6]，为对抗拉力载荷，在肱骨远端添加约束，从而构建出肩关节在外展0°、30°、60°、90°时，上肢负重的力学模型。

2 结 果

2.1 部分冈上肌损伤的应力分布特征 本实验建立的肩关节有限元模型共包含115 102单元，27 237节点，与人体肩关节具有良好的几何相似性。通过在不同肩关节外展角度添加拉力载荷，可以发现不同区域损伤后的肌腱内部应力变化：a)无论对照组还是三个观察组，冈上肌中区受到的应力最大，其次为前区和后区(见图1)。b)B组模型中，冈上肌中区肌腱损伤的周围应力明显高于A组模型和C组模型(见图2)。

图1 正常冈上肌外展0°位的应力分布

a 前区 b 中区 c 后区

2.2 冈上肌肌腱不同区域损伤对肌腱应力影响 a)在肩关节外展过程中，中区受到的应力最大，其次为前区和后区。三个区域的肌腱应力存在显著差异(P<0.01)。b)在四个观察组中，伴随着肩关节外展角度的增大，冈上肌载荷产生的肌腱应力以外展30°最大，与其他外展角度相比存在显著差异(P<0.05)，超过30°后肌腱应力虽有变小的趋势，但外展90°的肌腱应力仍明显大于外展0°时的应力，差异有统计学意义(P<0.05)。c)在前区及后区损伤的三组中，C组中肌腱应力明显大于A组和B组(P<0.01)，A组和B组之间差异无统计学意义(P>0.05)。d)在中区损伤的三组中，B组和C组的肌腱应力明显大于A组(P<0.01)，B组和C组之间差异无统计学意义(P>0.05，见表1)。

表1 冈上肌肌腱不同区域损伤对肌腱应力影响

3 讨 论

冈上肌是肩袖的重要组成部分，其主要生理功能是主动收缩使上臂外展，冈上肌损伤与上述力学功能及局部的解剖特点有很大的相关性。肩关节外展运动是在冈上肌及三角肌组成的外展力臂的作用下，由肱骨头围绕其几何中心来完成，由于作用点与旋转中心的距离差异，导致在不同的外展角度，两肌肉发挥着不同的作用[7]。研究显示冈上肌在外展0°～30°时外展力臂最大，随着外展角度的增大逐渐被三角肌替代，冈上肌的作用逐渐转化为维持旋转中心的稳定，防止肱骨头下移或上移。为更精确的分析冈上肌在上述运动中其止点不同区域应力变化，本研究将冈上肌止点由前向后方向分为3个区域，即前区、中区、后区，并对每个区域损伤又建立了外展0°、30°、60°、90°四个模。

人体肌肉组织通常表现出各向异性、粘弹性的材料性质[8]。因此，对冈上肌力学模型的研究关键是根据对象及研究目的不同对其材料属性进行简化设定。目前常用的有以下三种方案：第一，在肌肉止点部位，按照肌肉力线的方向添加负载代替肌力，该种方法忽略了肌肉本身的力学性质，将肌肉简化为线性集中力载荷，模拟了肌肉在特定角度下力学作用，适用于骨折内固定、关节假体的应力分析[9]。第二，通过弹簧模型代表肌肉[10]，该方法将肌肉简化为线弹性材料，虽然仍缺少对肌肉组织全面仿真，但可以通过弹簧的约束作用，实现骨与骨之间的运动关系。第三，建立肌肉的二维或三维模型，根据赋予的材料参数不同，分为弹性材料模型[5]、超弹性模型[4]、粘弹性模型[11]，通过上述方法不仅可以完全重建肌肉组织，而且各模型的材料数据来源于实体组织的力学实验，从而实现了对肌肉组织力学特性的完全模拟。本文利用冈上肌的CT图像，通过逆向建模的方法建立冈上肌三维模型，并将其材料属性设定为弹性材料。同时根据胡涛[12]的解剖观察结果冈上肌为一扇形羽状肌，肌中部为横断面呈“Ⅰ”字的白色腱板，我们在肌肉单元内部，添加膜单元对腱板进行重建，腱板与末端肌腱连接，并将冈上肌肌腱的大结节止点分为3个区，根据损伤深度分为对照组、20%(A组)、40%(B组)、60%(C组)三组，然后依据肩关节外展角度0°、30°、60°、90°，每组建立四个模型。

通过加载冈上肌肌力，我们分析了在冈上肌前、中、后三个区域不同深度损伤后对肌腱应力的影响，并且对比观察了伴随肩关节外展对上述规律的作用。结果发现：a))在肩关节外展过程中，冈上肌中区受到的应力最大，其次为前区和后区，这一规律并不会因肌腱损伤深度的不同而改变。作者认为这与冈上肌的解剖特征相关，冈上肌为羽状肌，其中间腱板在近大结节止点处扩展并融合部分周围腱性纤维形成冈上肌腱性止点。在外展过程中，伴随着肌肉的收缩，冈上肌腱形成以中央腱板为纽带的弓状结构，此时肌腱中区形成应力集中。同时我们亦观察到相对于冈上肌前后区损伤，在中区损伤深度为40%，即可导致肌腱应力明显集中，而在前后区这种损伤深度要达60%，这与冈上肌上述解剖特征明显相关，亦有利于临床治疗方案的设计。王微[13]等以肩袖撕裂50%作为标准，将小于50%的撕裂采用清创治疗，大于50%的撕裂采用修复缝合治疗，取得良好的临床疗效。b)伴随着肩关节外展角度的增大，冈上肌载荷产生的肌腱应力以外展30°最大，与其他外展角度相比差异有统计学意义(P<0.05)，超过30°后肌腱应力虽有变小的趋势，但外展90°的肌腱应力仍明显大于外展0°时的肌腱应力，两者之间差异有统计学意义(P<0.05)，提示冈上肌维持盂肱关节在上下方向的稳定，这一力学主要是从外展30°开始，并逐步增强，笔者认为这是由于肩关节外展，使冈上肌与肱骨之间的夹角减小，从而将冈上肌的外展力矩转换为横向的拉力，从而进一步将肱骨头拉向关节盂。而这同既往的力学研究结果相一致[13]。

综上所述，冈上肌是提供肩关节外展并维持横向稳定的主要动力肌。在此过程中，基于冈上肌解剖特征，使其中部的应力明显高于前后部。因此，相比冈上肌止点前后部区域的部分损伤，中部肌腱部分损伤更容易导致损伤周围肌腱的应力集中，并延伸为全层损伤，应积极进行手术重建。

参考文献：

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