中国人肱骨近端形态在MSCT多平面重组下的测量及差异研究

仇一然，元熙哲，周建英

(1.延边大学医学院，吉林 延吉 133000；2.吉林大学第一医院二部麻醉科，吉林长春 130000)

由于人体肩关节结构非常精细，因此针对不同肩关节病变和个体化的肱骨近端形态学差异，医生应当采取不同的肩关节假体，实施不同的手术方式。Pean于1983年开展了肩关节置换的先河，20世纪50年代Neer首先用合金假体置换治疗肱骨头的骨折，开创了人工肩关节置换的新纪元[1]。至今为止，肩关节假体经历了由第一代整体型假体到第四代“三维”型假体的迅速发展，已经能够较好恢复和重建患者发病前和术前的解剖结构，增加个体适应性。与此同时，大量而准确的肱骨近端形态学研究是设计制造肩关节假体的基础，国内外已有部分学者对此进行了研究。本文将着重从肱骨近端形态学研究的发展，肩关节假体的发展和展望进行综述。

1 假体设计的相关解剖形态学研究

不论是哪一代人工肩关节，其目的都是为了尽可能恢复肩关节术前的解剖结构和运动功能。所以，假体设计所需的基本参数均应通过对解剖学不断深入研究来获得，同时假体设计的不断发展也推动了肩关节形态的深入研究，两者相互促进，相互影响。

与肩关节假体设计相关的应用解剖学除了对周围软组织、血管供应、神经支配等基本参数的研究以外，最关键的是对骨性结构的研究，包括肱骨、肩胛骨及锁骨的各项参数。肱骨主要是对其近端，也就是肱骨头、解剖颈、外科颈、大小结节、结节间沟及中上段髓腔的研究；肩胛骨主要是对肩胛盂的研究。所以全面系统地研究肱骨上端和肩胛盂的各项参数对肩关节假体设计成功与否起着决定作用。

肱骨头的关节面不是圆形，而是由两个呈上下关系的椭圆形构成。关节面上半部的半椭球和下半部的半椭球共高，共短轴，共球心，长轴不同，故肱骨头关节面上半部的顶部较为圆钝，下半部的底部较为尖[2]。

1.1扭转角(retroversion angle or retrotorsion angle)：是指肱骨头关节面相对于肱骨远端向后或向后扭转的角度。RA在临床上有着十分重要的意义，在行肩关节成形术时，外科医生必须将假体置于适当向后扭转角度，否则，肩关节的活动范围和稳定性将会受到很大的影响[3-4]肱骨头扭转角的测量方法主要包括直接解剖测量、超声测量、X线摄片测量、CT测量等。

1.1.1直接解剖测量：1857年，一位名叫Charles Martins法国植物学家首次详细的提出了肱骨头扭转角的理论。此后，Broca,Evans和Krahl都进行了相关研究，其中，Broca在1881年首次用一种特别的设备成功的完成了扭转角的测量[5]。Kumme等为了确定肱二头肌间沟的位置对于假体放置的作用，他们选取了420例肱骨标本，测量了扭转角与肱二头肌间沟位置的关系[6]。他们主要利用一种特别设计的可调节的垂直环形角度计来完成测量。测量过程是在顶视位进行，扭转角的近端定义线是肱骨头关节面的中心点(通过一种特制的中心定位仪确定)与肱骨干的解剖轴的连线，远端定义线是肱骨内外上髁的中心的连线；而二头肌间沟的定义线为其上部沟基底与肱骨干的解剖轴的连线，其与扭转角的远端定义线的夹角即为二头肌间沟的位置角。结果显示扭转角的平均测量值为(28.3±13.2)°，而二头肌间沟的位置角的平均测量值为(55.5±13.8)°，二者的差异为(27.3±14.2)°。据此，作者认为这个结果提示可以依据肱二头肌间沟的位置放置假体柄部，但是与此同时要关注患者的个体差异，适当进行个性化设计。

1.1.2X线平片测量：由于X线测量方法简单，易于操作性，所以该方法被广泛应用，很多研究者致力于提高测量的准确性。Dunlap根据测量股骨扭转角的方法设计测量了肱骨扭转角的方法，并测量了一系列复杂性肩关节脱位患者的肱骨头扭转角[7]。Cyprien改进了这个方法，待测量肢体置于外展60°、屈肘90°、前臂中立位，用木架固定，摄前后位X线片和腋轴位X线片两个方位X线片，在腋位X线片上做出小结节前面和肱骨头关节面的切线，测量切线与水平线之间即完成扭转角的初步测量，然后通过换算公式得到扭转角值[8]。分析测量结果，作者认为该方法存在一定误差，有必要通过计算公式校正。Kronberg等用50例健康人100例肩关节X线平片测量，患者取卧位，肩关节90°屈曲、外展10°，肘关节90°屈曲，上臂旋转中立位[9]。其平片投照位置是半轴位(Semiaxial view)，头侧定义线位头中轴线，远端定义线为内外上髁切线，头扭转角测值优势侧(33±9.3)°，非优势侧(29±8.4)°，性别间差异无统计学意义(P>0.05)。并随机选择10例做CT测量，误差2°以内。这种测量方法患者处于仰卧位，部分肱骨骨折患者此体位顺从性差。Volkan等设计了一种相对更加准确和简便的X线片测量方法[10]。为了验证其方法的准确性，先测量20例肱骨干标本，在半轴位X线片上，于肱骨滑车前关节面作一切线作为扭转角的远端定义线，关节面连线的垂线作为肱骨头的中轴线，即近端定义线，二者夹角即为肱骨头扭转角。该方法大大提高了测量数据的准确性。之后，其又进行了50例志愿者的双侧扭转角测量，结果显示两侧并无显著差异，因而认为行肱骨近端成形术时，左右侧都可以作为对照的参考。不可否认， X线平片测量法相对来说更加廉价、简便，有一定的临床实用型，但是，这种测量方法存在不够精确的缺点。同时，测量过程中对肢体的摆放位置，有一定的要求，这对某些活动受限的患者，有一定的局限性。

1.1.3CT测量法：相对于X线片测量方法，CT更加准确，不会出现轴位X线片图像扭曲的情况，而且能够清晰的反应盂肱关节的相对关系，更利于进行精确的测量。与此同时，被检查者接受的放射剂量相对较低。CT测量技术已成功应用于测量胫骨和股骨的扭转角(近端轴线和远端干骺端轴线的夹角)[11-12]。1984年，Laumann和Kramps首次报道利用CT测量了32例复发性肩关节脱位的患者的肱骨头扭转角，测量值28～31°与正常肩关节的扭转角无显著差异[13]。1986年，Randelli报道使用CT断面图像来测量分析健康成年人和复发性肩关节前脱位患者的扭转角等相关参数[14]。其测量方法与Laumann和Kramps相同，以肱骨的头颈轴线为近端定义线，以肱骨髁部轴线为远端定义线。结果显示健康成年人和复发性肩关节前脱位患者的扭转角并无显著差异。随着研究的增多，CT测量的局限性凸显出来，Farrokh等人发现，不同的标本摆放位置，CT上的测量结果有显著性差异，认为在完全的轴位图像上获得的测量值最接近真实值[15]。由于二维CT测量对肢体或者标本的摆放位置有严格要求，大大降低了临床应用的实用性。因此肱骨的三维重建技术的应用，使肱骨测量更加方便和准确。Robertson等选取了30对新鲜肱骨标本，经过CT扫描后，经三维图像的顶视位进行测量，其近端定义线为关节面中轴线，远端定义线为远端关节面前切线，二者夹角即为扭转角，测值(19±6)°，该研究表明三维CT重建图形测量时对肱骨标本检查位置无特殊要求，提高了测量的准确性[16]。

1.1.4超声图像测量：Ito等人可能是最早利用超声来测量肱骨扭转角的[17]。他们征集25名正常志愿者，被测量者平躺于水平桌面上，屈肘90°，超声探头置于肩部肱二头肌间沟处，适当内或者外旋前臂使肱二头肌间沟朝向正上方。测量前臂轴线和竖直线之间的夹角即获得扭转角大小。Krahl等人研究肱骨干标本的扭转角结果显示，新生儿扭转角为155°，成人为164°。通过与Krahl的研究结果进行比较，二者测量方法的差异性不大。

1.2头的斜倾角(inclination angle) ：Joseph等用96例标本和44例人共140例肩关节[18]，用测骨器和磁共振仪测肱骨头的倾斜角值为(135±5)°。Boileau等用三维数字化仪器测量了65例标本，斜倾角为头关节面直径的垂直平分线和肱骨干轴线的夹角，测值(129.6±12.9)°[3]。Robertson等使用CT及三维计算机模型测量了60例标本的斜倾角，定义线与Joseph等相似，测值(131±3)°，左右侧差异有统计学意义，性别间差异无统计学意义(P>0.05)[16]。Pearl等用21例肱骨平片测量斜倾角：(130.7±4.7)°，方法简单，可以重复[19]。Buchler等研究显示，头斜倾角平均137°[20]。DeLude等的颈干角的定义线与Boileau的相同，测值左侧为(132.9±2.9)°，右侧为(132.8±4.4)°，左右侧差异无统计学意义(P>0.05)[21]。肱骨头的斜倾角决定了三角肌力臂的长短，与术后外展功能恢复密切相关。虽然头斜倾角测值的个体变异相对于扭转角的要小，但是由于斜倾角并不与其他参数相关联，所以有必要个性化斜倾角测量。

1.3头的偏心距(offset) ：肱骨头关节面与肱骨干的相对关系可以用头的旋转中心与髓腔中心的距离来表示，即偏心距。在冠状面为向内偏心，在矢状面为向后偏心。一般在两个平面都存在偏心距。Roberts在临床实践中发现，肱骨头可能位于肱骨干轴心的后面，提出来向后偏心的概念[22]。他们选取了29例肱骨标本，测量后证实，肱骨头的扭转角为21.4°，向后偏心距为4.7 mm。Boileau等首次全面提出了向内偏心局和向后偏心距的概念，示意肱骨头的旋转中心与肱骨干近端的轴线在冠状面为向内偏心，在矢状面为向后偏心[23]。测量显示向内侧偏心距：(6.9±2.0)°mm，向后方偏距：(2.6±1.8)°mm。Roberts和Boileau通过研究都认为扭转角可能和向后偏心距有某种联系，有必要行进一步的研究。Robertson等使用CT三维重建图像测量了60例标本的偏心距，结果显示向内偏心距为(7±2.0)mm，向后偏心距为(2±2)mm[16]。偏心距在左右侧的差异无统计学意义，但是向内偏心距在性别间的差异有统计学意义。Ballmer等测向后的偏心距范围：-3～4 mm[23]。Walch等测肱骨头向内侧偏心距6.9 mm，向后方偏心距2.6 mm[24]。Hertel等测量向内侧偏心距平均6 mm，向后方偏心距1.4 mm[25]。综合上述各种测量方法可知，在肱骨冠状面可以求出向内侧偏心距，在肱骨侧位片可以求出向后的偏心距。各种测量方法结果大致一致，但是这两个偏心距如果发生偏离，会影响预后。肱骨头假体的设计主要考虑有两方面因素：①假体头常会发生错位：由于假体的一体性，往往假体柄的位置决定了假体头的位置，故易导致假体头发生扭转移位。②假体头通常过大：由于假体头的直径不变，不同的假体之间只是厚度不同，在手术过程中易植入过大的肩关节假体[26]。

1.4肱骨干：肱骨干的研究主要是针对假体柄的设计，这不仅涉及肱骨干髓腔的测量，还涉及颈干角、肱骨头的偏心距的测量。这两项也是目前假体设计中极为重要的参数。髓腔的测量目前已有许多学者通过对干骨、尸体以及影像学图像的对比测量有了较为细致的了解。根据影像学研究显示[27]，髓腔狭窄部约位于肱骨干中1/3交界处，为一狭窄段，近端横断面髓腔形态由近向远从不规则形向椭圆和圆形变化，皮质骨逐渐增厚。冠、矢状位上由远向近髓腔逐渐增宽，呈张口状，张口变化以干骺端最大。由于个体差异较大，目前假体均不含有固定的扭转角，术中假体植入必须遵从肱骨头原来的扭转角。在安装假体柄之前，要对髓腔进行改造，以使得假体柄与髓腔接触面增大，提高假体柄的稳定性。一些学者从生物学角度研究发现，肱骨颈干角、肱骨头的偏心距与肩关节活动范围密切相关，但在第1代和第2代假体设计中，这些参数并未被设计者考虑，因此，Buchler、Walch、Hertel等人针对这一缺陷进行了相应的解剖学研究。Walch等测量肱骨头后侧偏心距2.6 mm；内测偏心距为6.9 mm[28]；Hertel的测量结果：内测偏心距为3.9～8.6 mm,平均6 mm；后侧偏心距为0.4～3.2 mm，平均1.4 mm；肱骨头后倾角在7～38.5°之间，平均23.3°。Buchier测量的颈干角平均(135±5)°；并且发现肱骨头后倾角与肱骨干直径显著相关，所以假体设计时，肱骨头的后倾角度应与不同的肱骨头直径相对应[29]；还发现肱骨头与肱骨干的旋转中心也不一致，这也是术后假体松动与脱位的直接原因[34]。所以，只有在二者配合一致的情况下才能保持假体稳定，减少假体的磨损。通过前人的努力，上述数据才在第三代假体设计中得以重视和应用。

结节间沟是假体植入时确定假体柄侧鳍放置位置以及调节肱骨头假体后倾角度常用的标志。Harris等进行尸体测量，得出结节间沟的平均长度为5.2 mm；与肱骨头中轴线之间的距离6～10.5 mm[30]。目前认为植入假体柄时，保持其外侧鳍位于结节间沟后方9～12 mm，就可以使假体头保持30～40°的后倾角。

1.5肩胛骨关节盂：肩胛骨关节盂是肩关节假体的重要组成部分，其设计原则也是尽量接近正常关节盂的解剖形态结构，关节盂假体的设计成功与否，直接影响到肩关节运动功能的恢复和术后并发症的发生。在第2代假体的设计中就已出现肩胛骨关节盂假体，但关节盂假体的设计一直未受到广泛的关注，并因此引起了一些临床并发症。Hawkins及Buckingham认为，近30%的翻修术是由于关节盂假体松动造成的[31-32]。因此有必要对其进行更精确的研究。在2001年Churchill通过对344例肩胛骨标本的观察测量，得到一组关节盂解剖形态的数据：男性宽度(27.8±1.5)mm，高度(37.5±2.0)mm；女性宽度为(23.6±1.5)mm，高度(32.6±1.7)mm[33]。而Welsch的研究发现同一个体左右两侧的关节盂形态也存在明显区别：左侧高度为(49.16±7.68)mm,宽度为(34.34±5.62)mm；右侧高度为(51.46±10.7)mm，宽度为(36.44±7.36)mm，左侧明显小于右侧[34]。这就要求关节盂假体的设计也要有大小、形态不同的多种型号。

关节盂与肩甲体轴心之间还存在不同的倾斜角。Checroun通过CT扫描图像的测量发现，肩甲盂有向前向后的倾斜角2～7°，平均后倾1.23°，该倾斜角存在着明显的人种差异，例如白人平均后倾2.65°，黑人约为0.20°[35]。这些参数直接关系到假体的正常植入、运动时关节盂与肱骨头关节面之间的接触角度和面积以及肩关节假体的稳定性和使用寿命。至今，有关国人关节盂解剖学系统研究的报道甚少。

1.6肩峰及喙突：以往认为，肩峰和喙突是肩胛骨骨折时应注意的两个解剖结构，而不是肩关节假体设计中所需重点考虑的解剖学因素，但作者认为肩峰与喙突的解剖形态对于假体头及盂假体大小和形态的设计还是有一定参考价值的。如假体头过大会在肩关节外展时因假体头与肩峰间的空间过小，而引起肩峰撞击症出现疼痛，这就要求在假体设计和全关节置换时，不仅要注意假体头与盂相适应，也要考虑假体头与肩峰间的距离与盂假体边缘到肩峰的距离。尽管以往的肩关节假体设计中均未提及这方面参数。但现在有必要将其划入肩关节假体设计时应参考的解剖学参数范围之内。

关于肩峰及喙突解剖学基本形态的测量，国内外学者都曾做过一定的研究，但大部分研究结果都是为肩胛骨骨折的诊断和治疗提供依据。Herbert曾测量：肩峰厚度为(9±1)mm；23%为扁平形，63%为弯曲形，14%为钩形；肩甲盂到肩峰的距离平均为(16±2)mm；喙突厚度平均为(11±1)mm[36]。叶林根的测量发现：肩峰颈部直径(102±2.3)mm，前后长度为(45.2±4.8)mm，内外侧宽(23.5±3.5)mm，厚(7.4±1.5)mm，喙突长约(48.5±4.5)mm，厚度(9.0±1.1)mm[37]。今后我们可以在其基础上进行更加细致的研究，是其为肩关节假体的设计服务。

1.7锁骨：近年来对于锁骨的应用解剖学研究发展较快，但主要集中在带血管肌帝锁骨瓣作为骨移植供体方面的研究。锁骨虽然是肩关节构造中的一个重要组成部分，但到目前为止的肩关节假体的设计中，始终没有包括锁骨，而在实际进行的肩关节置换手术中并不能完全排除锁骨同时出现病变的可能性，因此作者认为应对锁骨外侧半及其与肱骨和肩胛骨之间的关系进行系统的研究。为临床特殊病例的治疗提供一定的指导。

2 肱骨头假体的发展和展望

2.1肱骨头假体的发展历程：第一代为整体型(Monoblock)假体，是由Neer设计完成的，并命名为Neer I型，第一代肩关节假体仅能提供一个单一固定的假体柄，而肱骨头的方向是无法改变的，因此对于患者肩部运动不是很方便。第二代为模型化型(Modular)假体，由2部分组成，分为头和柄部，具有不同型号大小的头和柄，可以结合个体的实际情况选择假体，这样有利于患者术后功能的恢复。

第三代为解剖型(Anatomical)假体，基于第二代假体的设计思路，研究出更加适合患者的假体形态，从而减少术后并发症。相对于第二代假体，第三代假体更加灵活，患者可以根据自己的解剖学参数，选择最佳的肩关节假体。目前，在临床应用最多的应该是第三代假体。第三代解剖型假体的设计考虑了肱骨颈干角、头的偏心距，但是未考虑关节盂与肱骨头的前后扭转角以及盂与头的适应性问题；与此同时，头的偏心距属于理想化的模型，因此肩关节假体仍然不能完全替代患者自身肩关节。第四代肩关节假体发展了“解剖关系重建”的哲学思想。逐步解决第三代假体的个体适应性问题，主要代表产品为UNIVERS3-D肩关节假体[38]。

2.2肩关节假体置换存在的问题：由于人工肩关节假体的异体性，与患者自身的关节相比，功能仍然有所差异，因此肩关节置换手术，会有一定几率的并发症。

人工肩关节置换并发症的发生率相对较高，按发生频率高低，依次为不稳定、肩袖损伤、异位骨化、盂假体松动、书中假体周围骨折、神经损伤、术后感染、假体寿命以及肱骨假体松动[39]。肱骨近端骨折中的人工肩关节置换术，术后并发症多集中于机体的固定的问题以及假体柄与肱骨髓腔内骨水泥结合欠佳而导致稳定性方面的问题。

假体松动是肩关节置换术后最常见的并发症，其中关节盂假体的松动占主要地位，假体固定时各个方面受力的平衡问题，是最终导致假体松动的主要原因。假体和关节盂的吻合程度影响着假体松动，大型号的肱骨头假体因为头盂接触面积较大，对肩关节的活动度和稳定性没有明显影响，小型号的肱骨头假体，术后易出现三角肌松弛，患者上举困难，加上肱骨头假体与关节盂有较小的接触面积及其他肌肉松弛，易发生假体半脱位，因此只有肱骨头假体与关节盂接触面积完全匹配，术后肩关节功能及稳定性才能得到最大恢复。

松动的诊断包括临床松动和X射线片上的松动，不同的松动有不同的诊断标准。临床松动的诊断主要根据患者的疼痛程度和运动功能的情况来界定的，而X射线片上松动的诊断标准为假体下沉或周围透亮区完整并且超过2 mm。通常患者的临床松动不是很常见，往往X线上的松动较多发。肩关节手术过程中，患者有一定的感染几率，与此同时，感染也是最严重的术后并发症，因此预防感染尤为重要。术前患者自身要合理安排生活作息时间采取适当的体育锻炼，增强抵抗力，从而提高抗感染能力。同时，可以提前服用抗生素，预防感染；术中要严格执行消毒隔离制度，避免医源性感染的发生，全程无菌操作；术后保持引流通畅及伤口敷料干洁，敷料潮湿及时更换。患者因怕疼痛而不敢做深呼吸、咳嗽或作无效的咳嗽，使痰液坠积肺部而引起肺部感染。指导并鼓励患者做深呼吸训练和有效的咳嗽排痰训练，并强调这样做的目的和重要性，以取得配合[40]。

3 术后功能锻炼的重要性

人工肱骨头置换术后功能锻炼治疗与手术同等重要。一个设计完善、实施成功的术后康复计划是肩关节达到良好功能恢复的必要条件。

人工肩关节置换术后康复锻炼需要很长时间。患者术后不能剧烈运动，例如用患侧前臂将自己撑起等。术后24 h即可开始尝试钟摆运动和在医生指导下的被动的肩关节活动练习。在被动运动练习过程中，除了外旋和不要超过一定的安全活动范围以外，其他的都是可以的。术后第1～2天，患者可以尝试用手指各关节进行主动屈伸运动、握拳运动。术后第3～5天，随着疼痛减轻，患者可以尝试被动活动，作手腕肘关节伸屈。术后第6～10天，可以开始进行仰卧位外旋和上举运动。术后第10～14天，增加旋转运动。术后第3周开始增加等长功能锻炼，屈肘90%，可用健侧手、墙壁作为阻力，然后等长收缩内外旋肌群。术后第6周，三角肌和肩袖的创伤基本愈合，开始逐渐做三角肌和冈下肌的主动练习。恢复训练应当有规律进行，直至肩关节功能恢复正常。6周以后可以进行过头的滑轮训练，肩袖、三角肌以及肩胛骨周围的肌群6周后也可进行被动的拉伸力量训练。这些练习在患者能耐受的情况下，持续3～6个月。一般术后9～12周可基本恢复正常。

4 结论

综上所述，国外对此方面研究较多。临床应用的假体是根据欧美人肩关节应用解剖数据设计的，并不符合国人肩关节解剖特点而国内目前此方面研究甚少，因此，有必要加强国人肩关节形态学的系统研究，详尽地收集不同年龄、性别、地域和民族等不同人群的肩关节解剖学资料，建立相应的数据库，为设计符合国人解剖学特点的肩关节假体提供较为完整的参数。另外，结合计算机技术。

研制适合于中国人肩关节假体三维设计的应用软件，使肩关节假体的设计更具个体特异性。同时，可利用CT、MRI等现代影像学手段在术前对患者肩关节进行三维重建，确定假体头，关节盂的大小形态及后倾角等指标，以适合每个病人肩关节解剖学特点及功能完善的需求，使国人在肩关节置换中受益。