邢秋娟，趙東峰，戴薇薇，吳佶，黃春水，暴潔，焦丹麗

(1.長寧區(qū)天山中醫(yī)醫(yī)院康復(fù)科，上海 200051；2.上海中醫(yī)藥大學(xué)脊柱病研究所，上海200032；3.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院科技中心實驗室，上海 200032；4.上海中醫(yī)藥大學(xué)，上海 200120)

岡上肌起自岡上窩，止于肱骨大結(jié)節(jié)，是組成肩袖的四塊肌肉之一，同時也是肩袖損傷中最易損傷的部分，Morrison[1]報道岡上肌肌腱撕裂占肩袖損傷85%以上。Ellman[2]將部分肩袖損傷分為關(guān)節(jié)側(cè)、滑囊側(cè)、肌腱內(nèi)，并進一步依據(jù)損傷深度分為3度：Ⅰ度<3 mm，Ⅱ度3～6 mm或不超過肌腱厚度的50%，Ⅲ度>6 mm或超過肌腱厚度的50%。2016年國際關(guān)節(jié)鏡、膝關(guān)節(jié)外科與骨科運動醫(yī)學(xué)學(xué)會提出肌腱損傷超過厚度的50%將嚴重影響肌腱功能，應(yīng)積極采取手術(shù)治療。然而Engelhardt[3]通過有限元分析認為部分撕裂40%以下，應(yīng)以康復(fù)治療為主，而60%以上者應(yīng)手術(shù)修復(fù)以恢復(fù)肩部力量。Thunes通過有限元分析發(fā)現(xiàn)岡上肌在其止點前后方向上，不同區(qū)域的肌腱發(fā)揮著不同的作用[4]。因此，有必要進一步研究岡上肌在不同區(qū)域出現(xiàn)不同深度損傷后對肌腱強度的影響，從而盡早采取適宜的治療措施，防止損傷加重。本研究采用有限元分析的方法，建立了包含岡上肌的肩關(guān)節(jié)計算機模型，觀察了岡上肌在前后方向不同區(qū)域出現(xiàn)部分損傷后肌腱應(yīng)力的變化，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 岡上肌損傷模型構(gòu)建 選取成年男性志愿者1名，身高178 cm，體重76 kg。X線檢查肩部無發(fā)育畸形及骨折、代謝性疾病病史。采用64排螺旋CT對志愿者肩部行薄層掃描，CT圖像以DICOM格式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)軟件Mimics 16.0中，根據(jù)骨及肌肉組織的灰度值，按照區(qū)域分割的方法，剝離出肩胛骨、肱骨近端、岡上肌，然后以點云文件格式導(dǎo)入Geomagic studio2012，對模型進行封裝、平滑、構(gòu)造曲面片等處理，擬合模型的NURBS曲面，以IGES格式導(dǎo)入Hypermesh 13.0，在Hypermesh 13.0將岡上肌劃分出肌性部分和腱性部分，腱性部分由前向后分為3個區(qū)域，以滑囊側(cè)損傷為代表，每個區(qū)域設(shè)計出損傷深度依次為20%(A組)、40%(B組)、60%(C組)肌腱損傷的有限元模型，并與正常無岡上肌損傷模型為對照，將上述模型分別進行網(wǎng)格化，單元類型為C3D4。所有結(jié)構(gòu)的材料屬性為各項同性線彈性材料，材料屬性參考既往文獻進行設(shè)定，其中肌肉的彈性模量為1.08 MPa，泊松比為0.49；肌腱的彈性模量為1 200 MPa，泊松比為0.4，皮質(zhì)骨的彈性模量為1.34×104MPa，泊松比為0.3[5]。通過改變盂肱關(guān)節(jié)的相對位置，建立外展0°、30°、60°、90°四個肩關(guān)節(jié)模型，將模型分別以inp格式導(dǎo)入Abaqus 6.14。將上述模型合并成組件模式導(dǎo)入中劃分網(wǎng)格。

1.2 邊界條件及加載 以岡上肌縱軸為坐標Y軸，將肱骨頭的幾何中心為參考點，使其與肱骨頭表面節(jié)點Coupling約束，約束參考點的全部自由度作為邊界條件。沿Y軸正方向添加400 N的拉力[6]，為對抗拉力載荷，在肱骨遠端添加約束，從而構(gòu)建出肩關(guān)節(jié)在外展0°、30°、60°、90°時，上肢負重的力學(xué)模型。

2 結(jié) 果

2.1 部分岡上肌損傷的應(yīng)力分布特征 本實驗建立的肩關(guān)節(jié)有限元模型共包含115 102單元，27 237節(jié)點，與人體肩關(guān)節(jié)具有良好的幾何相似性。通過在不同肩關(guān)節(jié)外展角度添加拉力載荷，可以發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域損傷后的肌腱內(nèi)部應(yīng)力變化：a)無論對照組還是三個觀察組，岡上肌中區(qū)受到的應(yīng)力最大，其次為前區(qū)和后區(qū)(見圖1)。b)B組模型中，岡上肌中區(qū)肌腱損傷的周圍應(yīng)力明顯高于A組模型和C組模型(見圖2)。

圖1 正常岡上肌外展0°位的應(yīng)力分布

a 前區(qū) b 中區(qū) c 后區(qū)

2.2 岡上肌肌腱不同區(qū)域損傷對肌腱應(yīng)力影響 a)在肩關(guān)節(jié)外展過程中，中區(qū)受到的應(yīng)力最大，其次為前區(qū)和后區(qū)。三個區(qū)域的肌腱應(yīng)力存在顯著差異(P<0.01)。b)在四個觀察組中，伴隨著肩關(guān)節(jié)外展角度的增大，岡上肌載荷產(chǎn)生的肌腱應(yīng)力以外展30°最大，與其他外展角度相比存在顯著差異(P<0.05)，超過30°后肌腱應(yīng)力雖有變小的趨勢，但外展90°的肌腱應(yīng)力仍明顯大于外展0°時的應(yīng)力，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。c)在前區(qū)及后區(qū)損傷的三組中，C組中肌腱應(yīng)力明顯大于A組和B組(P<0.01)，A組和B組之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。d)在中區(qū)損傷的三組中，B組和C組的肌腱應(yīng)力明顯大于A組(P<0.01)，B組和C組之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，見表1)。

表1 岡上肌肌腱不同區(qū)域損傷對肌腱應(yīng)力影響

3 討 論

岡上肌是肩袖的重要組成部分，其主要生理功能是主動收縮使上臂外展，岡上肌損傷與上述力學(xué)功能及局部的解剖特點有很大的相關(guān)性。肩關(guān)節(jié)外展運動是在岡上肌及三角肌組成的外展力臂的作用下，由肱骨頭圍繞其幾何中心來完成，由于作用點與旋轉(zhuǎn)中心的距離差異，導(dǎo)致在不同的外展角度，兩肌肉發(fā)揮著不同的作用[7]。研究顯示岡上肌在外展0°～30°時外展力臂最大，隨著外展角度的增大逐漸被三角肌替代，岡上肌的作用逐漸轉(zhuǎn)化為維持旋轉(zhuǎn)中心的穩(wěn)定，防止肱骨頭下移或上移。為更精確的分析岡上肌在上述運動中其止點不同區(qū)域應(yīng)力變化，本研究將岡上肌止點由前向后方向分為3個區(qū)域，即前區(qū)、中區(qū)、后區(qū)，并對每個區(qū)域損傷又建立了外展0°、30°、60°、90°四個模。

人體肌肉組織通常表現(xiàn)出各向異性、粘彈性的材料性質(zhì)[8]。因此，對岡上肌力學(xué)模型的研究關(guān)鍵是根據(jù)對象及研究目的不同對其材料屬性進行簡化設(shè)定。目前常用的有以下三種方案：第一，在肌肉止點部位，按照肌肉力線的方向添加負載代替肌力，該種方法忽略了肌肉本身的力學(xué)性質(zhì)，將肌肉簡化為線性集中力載荷，模擬了肌肉在特定角度下力學(xué)作用，適用于骨折內(nèi)固定、關(guān)節(jié)假體的應(yīng)力分析[9]。第二，通過彈簧模型代表肌肉[10]，該方法將肌肉簡化為線彈性材料，雖然仍缺少對肌肉組織全面仿真，但可以通過彈簧的約束作用，實現(xiàn)骨與骨之間的運動關(guān)系。第三，建立肌肉的二維或三維模型，根據(jù)賦予的材料參數(shù)不同，分為彈性材料模型[5]、超彈性模型[4]、粘彈性模型[11]，通過上述方法不僅可以完全重建肌肉組織，而且各模型的材料數(shù)據(jù)來源于實體組織的力學(xué)實驗，從而實現(xiàn)了對肌肉組織力學(xué)特性的完全模擬。本文利用岡上肌的CT圖像，通過逆向建模的方法建立岡上肌三維模型，并將其材料屬性設(shè)定為彈性材料。同時根據(jù)胡濤[12]的解剖觀察結(jié)果岡上肌為一扇形羽狀肌，肌中部為橫斷面呈“Ⅰ”字的白色腱板，我們在肌肉單元內(nèi)部，添加膜單元對腱板進行重建，腱板與末端肌腱連接，并將岡上肌肌腱的大結(jié)節(jié)止點分為3個區(qū)，根據(jù)損傷深度分為對照組、20%(A組)、40%(B組)、60%(C組)三組，然后依據(jù)肩關(guān)節(jié)外展角度0°、30°、60°、90°，每組建立四個模型。

通過加載岡上肌肌力，我們分析了在岡上肌前、中、后三個區(qū)域不同深度損傷后對肌腱應(yīng)力的影響，并且對比觀察了伴隨肩關(guān)節(jié)外展對上述規(guī)律的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：a))在肩關(guān)節(jié)外展過程中，岡上肌中區(qū)受到的應(yīng)力最大，其次為前區(qū)和后區(qū)，這一規(guī)律并不會因肌腱損傷深度的不同而改變。作者認為這與岡上肌的解剖特征相關(guān)，岡上肌為羽狀肌，其中間腱板在近大結(jié)節(jié)止點處擴展并融合部分周圍腱性纖維形成岡上肌腱性止點。在外展過程中，伴隨著肌肉的收縮，岡上肌腱形成以中央腱板為紐帶的弓狀結(jié)構(gòu)，此時肌腱中區(qū)形成應(yīng)力集中。同時我們亦觀察到相對于岡上肌前后區(qū)損傷，在中區(qū)損傷深度為40%，即可導(dǎo)致肌腱應(yīng)力明顯集中，而在前后區(qū)這種損傷深度要達60%，這與岡上肌上述解剖特征明顯相關(guān)，亦有利于臨床治療方案的設(shè)計。王微[13]等以肩袖撕裂50%作為標準，將小于50%的撕裂采用清創(chuàng)治療，大于50%的撕裂采用修復(fù)縫合治療，取得良好的臨床療效。b)伴隨著肩關(guān)節(jié)外展角度的增大，岡上肌載荷產(chǎn)生的肌腱應(yīng)力以外展30°最大，與其他外展角度相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，超過30°后肌腱應(yīng)力雖有變小的趨勢，但外展90°的肌腱應(yīng)力仍明顯大于外展0°時的肌腱應(yīng)力，兩者之間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，提示岡上肌維持盂肱關(guān)節(jié)在上下方向的穩(wěn)定，這一力學(xué)主要是從外展30°開始，并逐步增強，筆者認為這是由于肩關(guān)節(jié)外展，使岡上肌與肱骨之間的夾角減小，從而將岡上肌的外展力矩轉(zhuǎn)換為橫向的拉力，從而進一步將肱骨頭拉向關(guān)節(jié)盂。而這同既往的力學(xué)研究結(jié)果相一致[13]。

綜上所述，岡上肌是提供肩關(guān)節(jié)外展并維持橫向穩(wěn)定的主要動力肌。在此過程中，基于岡上肌解剖特征，使其中部的應(yīng)力明顯高于前后部。因此，相比岡上肌止點前后部區(qū)域的部分損傷，中部肌腱部分損傷更容易導(dǎo)致?lián)p傷周圍肌腱的應(yīng)力集中，并延伸為全層損傷，應(yīng)積極進行手術(shù)重建。

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