肩关节相关生物力学介绍

肩关节相关生物力学介绍

肩关节是由胸锁关节、锁骨、肩锁关节、肩胛骨、盂肱关节、肱骨近端以及肩胛胸壁关节共同组成的复杂结构。本文介绍了与临床工作密切相关的肩关节功能解剖及生物力学特性。

胸锁关节

关节运动：胸锁关节围绕水平轴、垂直轴及前后轴形成六个方向的运动。分别为向前的旋转、向后的旋转、前伸、后伸、上举及下压。其中上举可达35°，前、后伸35°,延锁骨长轴的轴向旋转可达45-50°

肩锁关节

1、韧带结构：锁骨远端的韧带结构对于骨科医生来说都十分熟悉。最重要的喙锁韧带由锥状韧带和斜方韧带两部分组成。其中斜方韧带更加粗壮一些。另外上部肩锁关节囊增厚形成了肩锁韧带。

2、关节运动：肩锁关节的运动可包括锁骨相对于肩胛骨在三个方向上的运动，即前后运动、上下运动以及轴向旋转运动。其中前后向的运动范围最大: 约为上下方向的运动范围的3倍。目前对于肩锁关节各个方向上的运动角度的研究较少。研究的重点集中于韧带结构对肩锁关节运动的限制作用上。对于锁骨相对肩峰前后方向的旋转运动的限制作用主要来自于肩锁关节囊的前后部纤维。喙锁韧带，主要是锥状韧带限制了锁骨相对肩峰的向上方的运动。实际上并没有韧带结构限制锁骨向下方的运动。对于限制锁骨的轴向旋转运动的韧带各家报

道不同。Rockwood等认为向后的轴向旋转主要可使斜方韧带紧张但同时锥状韧带和肩锁韧带复合体亦有作用。Fukuda等则从不同的韧带结构对不同程度肩锁关节移位的限制作用角度进行了研究。他提出，肩锁韧带主要可限制肩锁关节轻度的移位，而喙肩韧带对肩锁关节较大的移位的限制作用更加明显。从临床上我们也能看到: 若肩锁关节发生在X线上可以看出明显脱位(>3度的肩锁关节脱位), 则此时锥状韧带必然受损。

锁骨的运动

锁骨潜在可达到的运动范围超过在实际活动中所达到的运动范围。在三维模型上准确描述锁骨的运动是一件困难的事。在上肢上举过程中，锁骨的上举最大可达30°，发生在上肢上举至130°左右时。在上肢上举的前40°时锁骨相对肩峰前伸10°，此后至在上肢上举达130°之前: 锁骨并没有进一步的前伸: 而若此后上肢继续上举至极限时: 锁骨还有15-20的前伸。对于锁骨轴向运动在上肢活动中的意义: 各家说法不同。但实际临床的经验更支持Rockwood和Green的观点: 即在上肢上举的整个过程中: 锁骨相对于肩峰的轴向旋转活动不超过10°,因此临床上可以看到发生肩锁关节骨性融合的患者其上肢上举功能无明显受限。对于上肢活动来说: 更重要的是发生在胸

锁关节的锁骨轴向旋转运动，将锁骨与喙突以螺钉固定并不会明显影响肩关节的上举活动: 但若胸锁关节强直则上肢即不能上举超过90°

肩关节运动

整个肩胛带的活动范围超过了人体上其它任何一个关节的活动度，上肢可外展上举近180°: 内、外旋活动范围加起来超过150°: 围绕水平运动轴的前屈及后伸活动范围加起来接近170°.这么大的运动范围是发生在胸锁关节、肩锁关节、盂肱关节及肩胛骨胸壁关节的运动范围所综合在一起达到的。其中主要的运动发生在盂肱关节和肩胛骨胸壁关节上，而在运动范围的极限部分,胸锁关节的运动也很重要。

1、静息位：肩胛骨的静息位是相对躯干的冠状面向前旋转30°。另外从后方看，肩胛骨长轴相对于躯干的长轴向上方旋转3°。最后，从侧方看，肩胛骨静息时相对于躯干的冠状面前屈20°。肱骨头静息时位于肩盂的中心。肱骨头及肱骨干均位于肩胛骨平面内。肱骨头关节面相对于肱骨干有30°的后倾。

2、关节面及其指向：肱骨头的关节面约占整个球型的表面积的1/3,并呈120°的圆弧状。相对肱骨干长轴，肱骨头关节面有45°的向上倾斜。相对于肱骨远端两髁之间的连线，肱骨头关节面后倾30°。肩盂的形状像一个反向的逗号。一般来说，肩盂关节面相对于肩胛骨内缘有约5°的向上倾斜，并且肩盂关节面相对于肩胛骨有平均7°左右的后倾。

3、 上肢上举：肩关节最重要的功能为使上肢上举，因此对目前这一动作有详尽的研究。研究的重点在于，在上肢上举的过程中，盂肱关节及肩胛胸壁关节各自的运动范围有多大，也就是经常说到的肩胛骨、肱骨节律的问题。 Bergmann总结了前人的研究结果，认为在上举的前30°内，盂肱关节的运动范围占较大比例，而在最后60°上举活动中，盂肱关节和肩胛胸壁关节的运动度是基本相等的。最终，在整个上臂上举的过程中，盂肱关节和肩胛胸壁关节的总运动角度的比例约为2:1。对于接受过非限制性全肩置换手术患者的研究表明，他们术后患肢上举时，盂肱关节和肩胛胸壁关节运动比例变为1:2。另外从侧方看随着上肢的上举，肩胛骨相对于胸壁亦有前后方向的旋

转运动。在上举的前90°内，肩胛骨相对于胸壁旋前约6°；在随

后的上肢继续上举的过程中，肩胛骨又向后旋转16°。因此，在上肢极限上举时，肩胛骨处于相对于静息位向后旋转10°的位置。

4、上肢外旋：实验证明，在上肢极度上举时必伴随肱骨头的外旋以使肱骨大结节能避开喙肩弓从而避免发生撞击。另外上举时肱骨的外旋运动还可放松盂肱关节下方的韧带结构使上臂能达到最大限度的上举。上肢可在不同位置上举，因此我们对上肢上举活动的描述需说明一方面此时上肢所在平面相对于肩胛骨平面之间的夹角L 另一方面还需明确在肢体上举的平面内，上肢上举所达到的角度。Browne 设计了实验来说明在肩胛骨固定的模型上，上臂上举时上举角度与肱骨外旋角度的关系。他发现，上臂最大程度的上举发生在肱骨活动平面位于肩胛骨平面前方23°时。肱骨在肩胛骨平面前方的任一角度的

位置上举时，均伴有肱骨干的外旋。最大限度上举时肱骨干外

旋达35°。而在肱骨干内旋时上臂最大上举位于肩胛骨平面后

方20°-30°的平面内，且此时上臂上举最大仅为115°。

5、旋转中心：对肩关节运动的研究表明，盂肱关节旋转中心位于肱骨头几何中心旁（6+2）mm 范围内。这表明在盂肱关节旋转过程中，肱骨头的移位很小。在整个上臂上举的过程中，肱骨头仅向上移位约4mm。因此，若肱骨头向上移位过大，可能意味着存在肩袖的缺损或肱二头肌长头腱的断裂。上举过程中肩胛骨的旋转中心位于肩峰尖端。

6、相关临床：上述生物力学知识对于指导临床工作很有帮助。例如，根据肩胛骨与胸廓的相对位置， 我们在摄肩胛骨正侧位片时，就应将患者的体位作出相应的调整，由于肩关节上举总伴有肱骨的外旋，因此就可以解释对于冰冻肩的患者，由于肩关节外旋明显受限，结果造成上肢上举的明显受限。知道这些运动之间的相互伴随的情况对于我们在术后指导患者的功能锻炼很有好处。

关节融合是解决肩关节问题的一种有效手段。融合位置的选择对于患者术后的功能有极其重要的影响，目前最佳的融合位置尚有争议。选择的主要依据为肩胛胸壁关节的运动范围以及日常生活所需肩关节运动范围，肩胛胸壁关节的运动很好地解释了那些冰冻肩及关节融合术后的患者其肩关节为何仍有一定的活动度。另外，肩胛胸壁关节的活动使三角肌在整个上肢上举过程中均能保持适当的长度以发挥其最佳作用。

由于盂肱关节的旋转中心很接近于肱骨头的几何中心，在盂肱关节旋转时肱骨头的移位很小，这就证实了目前所用的非限制型盂肱关节假体设计上的合理性。另外，对于肱骨头和肩盂之间半径的不匹配，最佳值似乎应为3-4mm,因为这样就可以复制出正常关节在运动过程中肱骨头的微小移位。

肩关节的稳定性

肩关节是全身活动范围最大的关节,其稳定性主要依靠静态稳定作用以及动态稳定作用来维持。

一、静态稳定结构

静态稳定结构主要包括软组织、喙肩韧带、盂肱韧带、盂唇、关节囊以及关节面的相互接触、肩胛骨的倾斜和关节内压力。

1、关节因素：解剖上肱骨头关节面有30°的后倾，这对于平衡关节周围肌肉力量显然是很有意义的。目前对于关节面的对应关系对关节的稳定程度影响的研究主要集中于肩盂侧。一般认为，肩盂的大小、解剖形态对于关节的稳定性都很有意义。这可以从肩盂发育不良的患者易出现复发性肩关节不稳定这一现象上得到证实。另一方面，盂唇对于扩大肩盂的面积，增加肩盂深度很有意义。在有盂唇存在的情况下， 肩盂的关节面的面积约占肱骨头关节面面积的1/3而去除盂唇这一比例则降至1/4。但对于盂唇组织能在多大程度上增加肩关节的稳定性仍有争议。

肩盂关节面有5°的向上倾斜9,这与上部关节囊及盂肱上韧带一起对防止肱骨头向下方脱位有很大意义。

关节内压力是另一个重要的稳定因素。试验证明,正常的肩关节内总存在负压,若这种负压因关节囊被切开或空气被泵入关节内而被抵消, 则肩关节极易发生向下方的半脱位。实际上关节内的负压对保持肩关节多方向的稳定性均有重要作用,决不仅限于下方稳定。负压的大小随盂肱关节相对的位置、关节外的负荷等因素的变化而变化。研究表明,关节内负压在上臂轻度上举时最小而在上臂极度上举时最大。

2、关节囊和韧带组织的作用：肩关节囊的生物学组成与包括肘关节在内的全身其他关节的关节囊一致。试验表明， 对于小于40岁的年轻人若要使肩关节脱位需2000N的外力，相比之下脱位肘关节所需外力为1500N。随着患者年龄的增加所需外力下降，但这种下降的趋势在肩关节更加明显。肩关节的关节囊很薄而且有很大的冗余，这种关节囊的冗余程度与遗传相关: 每个人各不相同。因此: 每个人的关节的松弛程度不同，如果关节过于松弛则可能导致好发肩关节不稳定。肩关节的韧带包括上部、中部、下部以及喙肱韧带，这些结构由Flood在1892年首次加以详细的描述。

3、喙肱韧带：喙肱韧带起自喙突基底的前外侧部分成两束: 一束编入关节囊: 另一束则止于肱骨大小结节。关于喙肱韧带的作用有很大争议，有研究认为在肩关节外旋时: 该韧带紧张；另外喙肱韧带还有抵抗肩关节向下方脱位的作用，但另外的研究却呈现相反的结果。另一种意见认为: 喙肱韧带在肩关节外旋位时是重要的下方稳定结构: 但在中立或内旋位则不是。肩袖间隙是位于冈上肌和肩胛下肌之间的空隙，此处有关节囊覆盖并由喙肱韧带加强，试验中试行将肩袖间隙关节囊及喙肱韧带一并切断: 会导致肩关节出现明显的下方及后方不稳定，而仅切断此处关节囊保留喙肱韧带的话并不会出现下方不稳定。

4、肱上韧带：盂肱上韧带自肱二头肌长头自盂上结节的起点的前方发起: 止于肱骨小结节的基底的近端，该韧带与向上倾斜的肩盂一起起到防止肱骨头向下方脱位或半脱位的作用。

5、 盂肱中韧带：盂肱中韧带起自盂上结节和肩盂的上缘以及前上部盂唇向下外走行: 在肩胛下肌位于小结节的止点内侧约2mm处编入肩胛下肌。该韧带十分粗壮: 宽可达2cm: 厚可达4mm，它被认为是阻挡肱骨头向前方脱位的重要结构。当上肢外展、外旋时: 盂肱中韧带紧张，选择性切断盂肱中韧带时的确可以增加肱骨头的移位程度: 但并未导致不稳定，因此盂肱中韧带的确对防止肩关节前方不稳定起到一定作用: 但其本身并不足以解除在患肢外展外旋位时肱骨头向前方的脱位。最近的研究表明: 在上肢外展、外旋位时: 盂肱中韧带在上

肢处于较小的角度的外展时比较紧张; 外展90°时仍紧张; 而若外

展角度继续增大: 则盂肱中韧带的紧张度会下降。在上肢中立位或内旋位时: 不管肢体外展角度如何: 其张力几乎为零。

6、 盂肱下韧带：几乎整个前部的盂唇均为盂肱下韧带的起点。该韧带自起点发出后向外下方走行止于肱骨头关节面的下缘以及解剖颈。O’Brien 经过对盂肱下韧带的仔细研究: 将其前方特殊增厚的部分称为前束: 而后方特殊增厚的部分称为后束。盂肱下韧带在上臂位于外展、外旋位时对于维持肩关节前方稳定具有重要意义。另一方面: 在上臂屈曲、内旋位时: 盂肱下韧带后束以及后、下部关节囊均为保持肩关节后方稳定的重要结构。对于盂肱下韧带的重要作用的认识可以帮助我们解决许多临床问题，临床上常见的复发性肩关节前方不稳定其原因常常是盂肱下韧带不完整所致。

总之: 肩关节囊及韧带组织是肩关节周围的重要静态稳定结构。盂肱下韧带又是其中最重要的部分。整个关节囊韧带复合体作为一个整体: 通过协同的作用来保持肩关节的稳定性。

二、动态稳定结构

动态稳定结构主要包括肩袖、肱二头肌及三角肌。肩关节周围的肌肉在运动过程中收缩产生动态稳定作用，其作用机制体现在四个方面:1、肌肉本身的体积及张力，2、肌肉收缩导致关节面之间压力增高，3、关节的运动可以间接使周围静态稳定结构拉紧，4、收缩的肌肉本身有屏障作用。

1、肩袖：肩袖肌肉由于其本身的肌容积及张力: 即有助于保持肩关节的稳定性，肩胛下肌是肩关节前方重要的屏障: 以防止肱骨头发生向前方的脱位，而冈上肌、冈下肌及小圆肌对于维持肩关节后方的稳定性亦有很重要的作用。另一方面: 许多学者认为肩袖肌肉主动收缩亦有助于肩关节的稳定性。有报道认为冈上肌是重要的下方稳定结构，而另外的研究则强调肩胛下肌为最重要的肩关节前方稳定结构。肌电图检查显示肩胛下肌、冈下肌在肩关节上举的中间范围内均有明显的收缩，而且对于肩关节前方不稳定的患者: 肌电图检查表明其冈

上肌和肱二头肌收缩活动均较正常人群活跃。但同时也有研究认为: 肩袖肌群的主动收缩并不能对肩关节稳定性有所帮助，因此目前在这方面仍存在争议。

2、 肱二头肌：肱二头肌长头腱被认为是可使肱骨头下压的重要结构。肩关节镜下显示当以电刺激肱二头肌长头腱时肱骨头可被压向肩盂内。在上臂外旋时肱二头肌长头腱作为肩关节的稳定作用最为明显: 而内旋时其稳定作用最不明显。另外有学者报道: 肌电图检查表明那些存在肩关节前方不稳定的投掷运动员: 其肱二头肌的收缩活动明显增强: 显示肱二头肌有可能有稳定肩关节的作用，Itoi等的研究认为肱二头肌长头腱会在下方、前方及后方对肩关节起到稳定作用，长头腱与短头腱一起起到保持肩关节前方稳定的作用。尸体研究表明:

对于稳定的肩关节: 肱二头肌的稳定作用的重要性与冈上肌、冈下肌及小圆肌的水平相当，但对于不稳定的肩关节: 肱二头肌的稳定作用则更为显著。

3、三角肌：目前对于三角肌对肩关节稳定性的作用研究较少，有报道认为三角肌并没有明显的稳定肩关节的作用。但也有研究认为: 三角肌的作用对应其不同的区域有高度的分化: 其前部及后部纤维对肩关节的稳定性有一定的帮助。

三、静态、动态稳定结构之间的相互作用

静态与动态稳定结构的作用并不是互不相关的。Blasier通过尸体试验研究了两者之间的关系，他认为在静态稳定结构中盂肱韧带及喙肱韧带的作用相对更重要一些: 而在动态稳定结构中肩袖肌肉和肱二头肌的作用更重要。当肱骨头移位较小时动态稳定结构的作用更重要: 而当肱骨头移位较大时: 静态稳定结构的稳定作用更明显。关节囊韧带组织可感知位置、运动以及牵拉，这些信号经由静态稳定结构通过反射弧传至动态稳定结构，这被称为本体感觉。Smith和Brunoli报告在复发性肩关节前脱位的患者中这种本体感觉被破坏。Murakami注意到当上臂屈曲90°时对其施以向后的力，这时在肌电图上冈下肌的电位明显增强。在人的喙肱韧带、肩峰下滑囊、关节囊及盂唇组织上都发现了机械活动的感受器。Zuckerman 对复发性肩关节前方不稳定的患者在术前、术后6个月、12个月分别检测其双侧肩关节的本体感觉水平。结果发现术前患侧较健侧本体感觉降低而在术后最终恢复到正常水平.Gaunche在试验中刺激腋神经的前支和下支可使肱二头肌和肩袖肌肉收缩而刺激腋神经的后支可使三角肌收缩。

从上述的各项研究中我们可以看出静态稳定结构和动态稳定结构互相之间紧密相关,共同对任何不利于肩关节的运动或移位作出反应。

四、对于肩关节稳定性的小结

盂肱关节之所以有非常大的活动度得利于关节、关节囊、韧带组织和动态稳定结构之间复杂的相互作用。盂肱韧带系统主要防止肩关节过度的外旋，其下部的韧带结构还是防止肩关节向前脱位的最重要的结构，肩袖、肱二头肌和三角肌组成动态稳定结构，这些不同的稳机制之间通过本体感觉系统相互联系共同作用，以提高肩关节稳定性。