肩鎖關節解剖和生物力學分析

何鴻陶,陳云豐

(上海交通大學附屬第六人民醫院骨科,上海 200233)

肩鎖關節損傷是一類常見損傷 ,發病率為 3‰～ 4‰。年輕男性發病率高,25%～52%的損傷是由體育鍛煉引起[1]。直接和間接暴力都會引起肩鎖關節損傷[2]。直接暴力作用在肩部,引起上肢內收,損傷從肩鎖韌帶開始,之后導致喙鎖韌帶、三角肌筋膜和斜方肌筋膜損傷,引起肩鎖關節損傷。而間接暴力作用在前臂或上臂上,使上臂外展,肱骨頭向上移導致鎖骨遠端向下移,當肩鎖和喙肩韌帶受到一定程度的牽拉時就會發生斷裂,鎖骨遠端快速向上抬起使喙鎖韌帶損傷導致斷裂,形成肩鎖關節脫位[2]。過去多種內固定(克氏針固定、螺釘固定和鉤鋼板固定)手術治療肩鎖關節脫位方法都能夠使大部分的病人恢復原來的功能,但是肩鎖關節是一個微動關節,在過伸情況下的活動大部分病人都會出現肩部疼痛和撞擊,所以在治療前要了解該部位的結構、功能和生物力學分析,使患者得到有效的治療方案。

1 解剖

肩鎖關節由鎖骨遠端、肩峰內側和喙突上方三部分組成,肩鎖韌帶、喙肩韌帶和喙鎖韌帶連接上述三部分,肩鎖關節面大多由外上向內下傾斜,呈 10°～ 55°。各韌帶的功能都很重要,它們是穩定肩鎖關節必不可少的結構,而三角肌和斜方肌加強關節的穩定性[1]。肩鎖關節是一個活動性的關節,活動范圍包括上下前后移動。其關節盤是半月板同系物,它隨著年齡的增長而退化,肩鎖關節盤的退化會直接影響活動范圍。肩鎖關節包括靜止和活動的穩定,靜止的穩定性由肩鎖韌帶、喙鎖韌帶和喙肩韌帶所組成。活動的穩定性由三角肌和斜方肌組成[3]。肩鎖關節上的所有組織都起著協同作用,共同使肩鎖關節獲得較好的穩定性。肩鎖關節囊和囊內韌帶能夠有效控制鎖骨遠端前后移位,上肩鎖韌帶比下肩鎖韌帶更厚和更穩定,上肩鎖韌帶附著在鎖骨上,與三角肌和斜方肌內腱膜交錯連在一起。

1.1 肩鎖韌帶 成人肩鎖關節前后徑平均為 19 mm,上下徑為 9 mm,肩鎖關節是鎖骨外側和肩峰內側所形成的滑膜關節,鎖骨遠端呈輕微圓形,匹配肩峰的外形。肩峰與鎖骨之間由肩鎖韌帶連接起來,因為它的長度短,所以難以精確測量,它的厚度為 0.20～0.55 cm。這條韌帶又分上關節囊韌帶和下關節囊韌帶,上關節囊韌帶比下關節囊韌帶厚[3]。斜方肌和三角肌腱膜與上關節囊韌帶混在一起,這能加強鎖骨肩峰端的穩定性。

1.2 肩鎖關節盤 肩鎖關節盤是一個很薄弱和功能不明的結構。由于個體的差異或年齡老化等因素,每個人的情況也不同,有些會很清楚,有些只看到殘留一部分,有些則完全缺如。完整的肩鎖關節盤顯示為纖維軟骨組織,環繞著肩鎖關節囊的上方及下方。殘留的肩鎖關節盤只有一部分在關節囊上方[4]。通常肩鎖關節盤多出現在肩鎖關節囊上方,與上關節囊韌帶結合在一起。

1.3 喙鎖韌帶 鎖骨與喙突之間距離平均為 1.2 cm,由喙鎖韌帶連接在一起,喙鎖韌帶是由兩條韌帶所組成的“V”形結構,分別是外側的斜方韌帶和內側的錐韌帶,男性錐韌帶的長度為(33.5±4.4)mm,女性為(28.9± 2.5)mm,男性斜方韌帶的長度為(16.7±2.4)mm,女性為(16.1±1.4)mm,它們起著懸吊肩鎖關節的作用[2]。錐韌帶為錐形,其根部在喙突上 ,與喙突平行 ,螺旋上升到鎖骨外 1/3的中下方 ,錐韌帶還會與鎖骨下方筋膜結合在一起,能防止肩鎖關節向上、向前或旋轉移位。斜方韌帶位于錐韌帶外側,也是從喙突的上方伸展到鎖骨的外下方,它從喙突到鎖骨的伸展方向幾乎是水平伸展,因此能防止肩鎖關節向后或少許旋轉移動。這兩條韌帶在喙突上融合在一起,但在鎖骨上存在一段距離[3]。錐韌帶由喙突到鎖骨上成垂直位置,而斜方韌帶成橫向位置,兩條韌帶構成垂直關系。斜方韌帶成四邊形,而錐韌帶比斜方韌帶小,成圓錐形,它在喙突的著落點比較寬 ,寬度逐漸變小向鎖骨下方附著。在兩條韌帶之間存在著滑液囊,滑液囊填充兩條韌帶及喙突到鎖骨之間的空隙。

1.4 喙肩韌帶 喙突與肩峰之間由喙肩韌帶相連接,喙肩韌帶是一條三角形的韌帶,在喙突外側緣向后變窄,到肩鎖關節前方又變寬延伸到肩峰尖上,喙肩韌帶從喙突基底延伸,位于喙鎖韌帶的下部,被肩峰下方關節囊組織分離,喙肩韌帶前后緣較寬,由堅韌的纖維束組成,中部較薄甚至缺如[5]。韌帶把肩峰及喙突包圍,增加肱骨的穩定性。喙肩韌帶的結構寬而長,長度 3.1～4.9 cm,寬 0.95～2.8 cm。在喙突的起點平均 3.7 cm,范圍在 2.8～5.0 cm,而在肩峰的止點平均 1.5cm,范圍在 0.7～2.5cm。在顯微鏡下可看到喙肩韌帶纖維與肩鎖關節前關節囊結合在一起,這是為了防止肩鎖關節脫位,如果喙鎖韌帶脫位,則上下關節囊斷裂[4]。喙肩韌帶的功能是緩沖肩峰和肩袖之后的碰撞,支持下關節囊韌帶和喙鎖韌帶。所以喙肩韌帶斷裂,韌帶纖維會逐漸萎縮,導致失去緩沖功能。

1.5 三角肌 三角肌起于鎖骨外側 1/3、肩峰及肩胛岡,從前、外、后三面包繞肩關節,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壯的的止腱,止于肱骨三角肌粗隆[6]。三角肌前部纖維覆蓋肱二頭肌和喙肱肌,后部纖維覆蓋岡上肌、崗下肌、小圓肌和大圓肌的止點及肱三頭肌長頭的起點。三角肌深面的血管神經束有旋肱前、后血管和腋神經。腋神經為臂叢后束的分支,與旋肱后動脈一起通過四邊孔,在三角肌后緣中點,緊靠肱骨外科頸后面走行[7]。三角肌的作用為肩關節外展,前部纖維使肩關節前屈和內旋,后部纖維則使肩關節后伸和外旋。三角肌附著在鎖骨遠端及前方,另外還附著在肩峰上與斜方肌結合在一起,特別在肩鎖關節相關韌帶損傷時起著主要的穩定肩鎖關節作用。

1.6 斜方肌 位于頸部和背上部的淺層。起自上項線、枕外隆凸、項韌帶、第 7頸椎和全部胸椎棘突,止于鎖骨外側 1/3、肩峰和肩胛骨[8]。它由第十一對腦神經自頸靜脈孔出顱后,向下外行于胸鎖乳突肌的深面,從該肌后緣中點斜越頸外側區,入斜方肌深面,支配該肌。作用是使肩胛骨向脊柱靠攏,上部及中部纖維可提肩,上部肌纖維可把鎖骨提起,中部肌纖維可使肩胛骨上抬,下部纖維可降肩。

2 生物力學分析

2.1 肩鎖關節活動 Rockwod[9]報道指出,肩鎖關節在肩關節前舉 和外展至 180°時會出現 5°～ 8°的移動 ,前舉到 180°時鎖骨會出現 40°～ 50°的旋轉。這個前舉活動結合肩胛骨的旋轉活動。外展及前舉活動由鎖骨上旋和肩胛骨下旋同時活動來完成,需要喙鎖韌帶協調。

肩鎖關節活動有著重要的臨床意義,因為在肩鎖關節融合或與喙鎖螺釘穩定喙突和鎖骨時會影響肩關節完全上舉或外展活動,如果肩關節過分上舉或外展活動會使這樣的植入物出現提前退化和斷裂。

有學者針對這個微動關節進行力學試驗,他分別以 70N的應力作用在肩鎖關節的前方、上方和后方,測試肩鎖關節在同一應力下不同方向的變化,由于錐韌帶及斜方韌帶結構及位置的不同,就算同一應力下所受的負荷也不相同。

2.2 肩鎖關節囊韌帶 在很多生物力學測試中證明韌帶對肩鎖關節穩定性起著重要的作用[10]。用 70N的應力作用在肩鎖關節前方,上肩鎖關節囊韌帶能承擔(24±14)N的應力,而斜方韌帶和下肩鎖關節囊韌帶分別能承擔(23±15)N和(14±12)N的應力,這說明上肩鎖關節囊韌帶在承受前方的應力中起著主要作用,表明肩鎖關節囊韌帶能夠有效控制鎖骨遠端向后移位。這條韌帶在不同的位置受傷都會引起鎖骨遠端不同的移位。如果肩鎖關節囊韌帶前下方斷裂不會造成鎖骨遠端明顯向后移位,但在后上方斷裂就會造成鎖骨遠端向后移位。肩鎖關節囊韌帶后方和上方韌帶,分別分散鎖骨遠端向后移位的 56%和 25%的作用力。鎖骨遠端后水平不穩定可導致鎖骨后外側插入肩胛骨上。穩定鎖骨位移能夠有效地避免肩鎖關節脫位時鎖骨遠端向肩胛骨移位時帶來的疼痛。

2.3 喙鎖韌帶 研究指出,當 70 N應力作用在后方時,錐韌帶和斜方韌帶出現橫向水平面升高,順著纖維排列緊密在一起。一旦應力作用在肩鎖關節前方,錐韌帶和斜方韌帶橫向后移位,并與肩胛骨的后方矢狀位方向一致。應力作用在肩鎖關節上方,錐韌帶和斜方韌帶位置和方向相對,所以鎖骨只會垂直上下移動[11]。用 70N的應力作用在肩鎖關節上方,錐韌帶是抵抗應力的主要部位,因為它能承擔(49±22)N的應力,而上肩鎖關節囊韌帶和下肩鎖關節囊韌帶只能承擔(25±11)N和(9±9)N的應力。錐韌帶負責承擔作用在肩鎖關節上方的拉力,而作用在肩鎖關節后方的應力主要由斜方韌帶承擔。Debski用生物力學的方法來測試肩鎖關節的強度。用 70 N的作用力分別向前、后、上三個方向作用在鎖骨上,鎖骨遠端會向前移位 (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的應力作用在肩鎖關節,平均在前方用(9±6)N,后方用 (9±7)N,肩鎖關節囊韌帶會出現分離現象,這個發現正好證明肩鎖關節囊韌帶能達到前后平衡。而拉力作用在上方時,力量要平均達到 20 N才能使肩鎖關節囊韌帶分離 ,這是前后負荷的兩倍。而錐韌帶及斜方韌帶之間存在垂直關系,更好證明了肩鎖關節向上的抗作用力比前后的抗作用力大。錐韌帶有很強地抗向上作用力的作用,而斜方韌帶能夠抵抗向后的作用力,這兩條韌帶幾乎是同源的,它們的差別是方向相對[11]。在治療肩鎖關節脫位時主要考慮重建喙鎖韌帶,特別在鎖骨遠端向后方移位時,重建喙鎖韌帶更加重要。在正常情況下,切除鎖骨遠端不會影響喙鎖韌帶結構[10]。但切除鎖骨遠端會破壞肩鎖韌帶,使肩鎖韌帶原要承受的應力都集中在錐韌帶和斜方韌帶上,增加鎖骨遠端不穩定。

2.4 喙肩韌帶[12]喙肩韌帶使肱盂關節穩定,防止肱骨頭向前上方移位。喙肩韌帶斷裂常發生在肩峰下減壓,伴除著鎖骨遠端切除。在切除喙肩韌帶后進行生物力學測試,分別用 70N應力作用在鎖骨遠端前、后、上三個方向,肩鎖關節無明顯向前、后、上三個方向移位。

2.5 三角肌及斜方肌[13]三角肌及斜方肌都附著在肩鎖關節的上方,這能保護和加強肩鎖關節的穩定性,使關節活動時保持鎖骨遠端的穩定性,三角肌起著動態懸吊作用,使肩鎖關節在活動時得到保護及穩定作用。而斜方肌腱膜附著在鎖骨遠端,斜方肌中部纖維可內收肩胛骨,上下部纖維成為力偶聯合收縮,可使肩胛骨外旋,當臂外展外旋時,使肩胛骨抗阻力內收,如作挺胸動作時,斜方肌中部纖維收縮,上下部纖維可穩定肩胛骨,使其無旋轉動作。

2.6 鎖骨遠端切除 鎖骨遠端切除能有效治療肩鎖關節脫位后帶來的肩部疼痛。Branch等研究指出切除鎖骨遠端5 mm的肩鎖關節,會增加鎖骨遠端上下前后方的不穩定,特別在鎖骨遠端進行旋轉活動時更加不穩定[14]。

Debski等調查在關節鏡下行肩峰成形術切除鎖骨遠端、喙肩韌帶和上肩鎖關節韌帶時,鎖骨遠端前方穩定性減少,導致鎖骨向后移位[7]。常規用關節鏡或切開手術進行鎖骨遠端切除會帶給患者肩部長期不穩定和預后不良,當鎖骨遠端切除后,鎖骨遠端會失去關節囊、韌帶和關節上的組織,使其穩定性降低,使鎖骨遠端向后方移位的百分比增加 30%。

肩鎖關節功能上屬微動關節,與胸鎖關節、肩胛骨胸壁連接共同構成肩帶,主要有上下、前后、旋轉三種基本運動形式[15],在肩胛帶功能和動力學上占有非常重要的位置。肩鎖關節和胸鎖關節一起在上肢外展 180°活動中提供 60°的活動范圍,同時參與肩關節的前屈和后伸運動。生物力學分析,當肩外展 90°時,肩鎖關節的應力已接近人體體重的 2倍 ,故而肩鎖關節是一個力的傳遞關節,是肩關節靈活運動的支撐點。因此,當發生肩鎖關節脫位時,不僅會產生肩鎖關節疼痛、活動異常等癥狀,而且極大影響整個上肢的力量和運動的靈活性。

3 總 結

肩鎖關節解剖、活動、強度與其他關節不同[12],本文擬通過生物力學分析其結構特點,使我們了解重建喙鎖韌帶和肩鎖韌帶的重要性,更加了解肩鎖關節的結構和功能,使脫位的病人得到正確診斷、評估及治療。

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