肩關節(jié)穩(wěn)定率測量方法研究進展

張廣程 胡慶翔 何耀華

肩關節(jié)是人體活動范圍最大的關節(jié)，同時也是最不穩(wěn)定、最容易發(fā)生脫位的關節(jié)[1]。肩關節(jié)脫位中絕大多數(shù)為前脫位，約占95%[2-4]。初次肩關節(jié)脫位后，26%～100%的患者會再次脫位[2,5-8]。復發(fā)性肩關節(jié)前脫位是臨床常見疾病，總人群發(fā)病率為1%～2%[9-10]，多發(fā)于年輕人[11-12]，可嚴重影響患者的肩關節(jié)功能和生活質量。手術治療可降低肩關節(jié)脫位復發(fā)率[13-14]，并改善患肢功能[14-15]，但手術前對肩關節(jié)穩(wěn)定性的評估仍是一大難題。

臨床醫(yī)生常通過影像學方法測量肩胛盂骨缺損面積（BDA）來評估患者的肩關節(jié)穩(wěn)定性[16-19]，但這種方法無法獲取肩關節(jié)的生物力學信息。與肩胛盂BDA相比，肩關節(jié)穩(wěn)定率可對肩關節(jié)穩(wěn)定性提供更直接、更精確的生物力學評估[20]，肩關節(jié)穩(wěn)定率的定義為當肱骨頭脫位即將發(fā)生時，肱骨頭受到的最大平移力與壓縮力的比值[21]。

目前，肩關節(jié)穩(wěn)定率的測量方法主要分為生物力學方法、有限元分析法和幾何學測量法。本文回顧相關文獻，對肩關節(jié)穩(wěn)定率的測量方法進行綜述。

1 復發(fā)性肩關節(jié)前脫位術前評估方式及其局限性

目前，臨床醫(yī)生常以影像學方法測量肩胛盂BDA為依據(jù)選擇手術方式。然而，不同程度的肩胛盂BDA應使用何種手術方式尚存較大爭議。

有學者認為，肩胛盂BDA達20%～25%時應選擇肩胛盂植骨術進行治療[22]；也有學者認為，肩胛盂BDA達25%～27%以上才需行肩胛盂植骨術[23]。肩胛盂BDA為15%～20%時，有學者認為Latarjet手術較Bankart修補術能獲得更好的術后功能[24]，也有學者認為這兩種手術的術后功能并無顯著差異[25]。肩胛盂BDA為10%～15%時，有學者認為單純Bankart修補術即可得到滿意的穩(wěn)定性和術后功能[26]；也有學者認為，對于運動需求較高的患者，肩胛盂BDA＞13.5%就應考慮肩胛盂植骨術[27]；而Tasaki等[28]認為，對于從事碰撞運動的運動員，應使用關節(jié)鏡下Bankart修補聯(lián)合開放性Bristow手術進行治療，且術前肩胛盂BDA≥10%與＜10%的患者，其術后結果并無顯著差異。

肩胛盂BDA的測量無法反映復發(fā)性肩關節(jié)脫位患者的肩關節(jié)生物力學狀態(tài)。Moroder等[20]認為，肩胛盂BDA值與其生物力學影響的關系是非線性的，且肩胛盂骨缺損對肩關節(jié)穩(wěn)定性的生物力學效應取決于肩胛盂凹陷的個體差異。Bhatia等[29]認為，與完整的肩胛盂相比，肩胛盂BDA為10%時引起的肩胛盂凹陷深度變化最大（1.2 mm），已達肩胛盂BDA為40%時肩胛盂凹陷深度變化的80%。Wermers等[30]認為，與肩胛盂BDA相比，肩胛盂凹陷程度更能反應肩關節(jié)穩(wěn)定率，僅考慮肩胛盂BDA似乎不適合外科治療的選擇和決策。

2 凹面-加壓效應與肩關節(jié)穩(wěn)定率

當肩關節(jié)處于動態(tài)非極限活動位時，維持肩關節(jié)穩(wěn)定性的主要機制是“凹面-加壓效應”，其有效性取決于肩關節(jié)肌肉力量和肩胛盂關節(jié)面特性[31]。 肱骨頭關節(jié)面可近似看作球面，當其受周圍肌肉活動產(chǎn)生的壓縮力后，被壓向肩胛盂[32-33]；同時，肩胛盂凹面的骨性結構和軟組織結構則限制肱骨頭的側向移動，使肱骨頭中心維持穩(wěn)定狀態(tài)，這種機制就是凹面-加壓效應[21,34]。肩關節(jié)穩(wěn)定率是定量描述凹面-加壓效應的指標，其定義為當肱骨頭發(fā)生脫位時，肱骨頭所受最大平移力與壓縮力的比值[21]，計算公式（式1）如下：

其中SR代表肩關節(jié)穩(wěn)定率，F(xiàn)Dmax代表最大平移力，F(xiàn)C代表壓縮力。

3 肩關節(jié)穩(wěn)定率測量方法

3.1 生物力學方法

生物力學方法是測量肩關節(jié)穩(wěn)定率的重要方法。根據(jù)測量值是否為力，將生物力學方法分為直接測量法和間接測量法。直接測量法是根據(jù)肩關節(jié)穩(wěn)定率的定義，直接測量肱骨頭脫位時其所受到的最大平移力和壓縮力，再使用公式（式1）計算肩關節(jié)穩(wěn)定率。間接測量法則根據(jù)平衡穩(wěn)定角（BSA）的定義[21,35-36]，使用儀器測量肱骨頭脫位時其所受到的合外力與肩胛盂中心線間的最大夾角，再根據(jù)公式（式2）計算肩關節(jié)穩(wěn)定率（SR）：

3.1.1 生物力學直接測量法

生物力學直接測量法的研究通常在過夜解凍后的新鮮冰凍尸體上進行。尸體標本的處理一般是從胸部切取肩胛骨，并在肱骨干中部的三角肌附著體遠端離斷肱骨，切除肩袖、肱二頭肌、三角肌等所有附著的肌肉和肌腱，或根據(jù)研究需要，保留肩胛盂關節(jié)面的軟骨或盂唇[30,34,37-40]。

生物力學直接測量法需要復雜的生物力學儀器,其模式圖見圖1。研究中通常需要搭建1個生物力學平臺，將肩胛盂標本固定于容器內，使用氣缸等方式對肱骨頭施加壓縮力，通過工作臺或手動提供位移，以模擬肱骨頭脫位的過程。使用各種力傳感器和位置傳感器測量并記錄肱骨頭脫位時平移力和壓縮力的大小及方向[34,37-38,40]。

圖1 生物力學直接測量法模式圖 注：B為底座，C為肩胛盂固定容器，G為肩胛盂，F(xiàn)為力傳感器，F(xiàn)D為平移力，F(xiàn)C為壓縮力，H為肱骨頭，L為六自由度稱重傳感器，Lt為線性位置傳感器，P為塑料棒，Pc為氣缸，S為滑動裝置，V為垂直桿，XY為x-y工作臺

生物力學直接測量法的優(yōu)點在于可以相對直接、準確地測量肩關節(jié)穩(wěn)定率，更符合肩關節(jié)穩(wěn)定率的定義。但該方法存在兩個主要問題：首先，需要復雜的生物力學測量技術和測量平臺，儀器價格昂貴；其次，只能在尸體標本上測量，無法對患者進行體外測量，無法滿足臨床需求。

3.1.2 生物力學間接測量法

生物力學間接測量法也需要在尸體肩胛盂標本上進行。對尸體標本的處理方法與前述直接測量法相同，但通常不使用尸體肱骨頭標本測量。既往研究表明，只要肱骨頭半徑不大于肩胛盂曲率半徑，BSA的測量值就不會受到肱骨頭大小的影響[41]，所以許多學者使用不同直徑、不同質量的金屬球或塑料球代替肱骨頭標本進行測量[36,42]。

生物力學間接測量法也需要力學儀器。通常是將肩胛盂嵌入底座后保持肩胛盂中心線豎直向下，在組件上放置金屬球，其重力豎直向下。隨后，使肩胛盂組件逐漸偏離豎直方向，直到金屬球脫出。根據(jù)定義，此時肩胛盂中心線與豎直方向間的夾角即為BSA。為減小組件間的摩擦，通常在底座上安裝1個頻率為60 Hz的振動器[36,42]。其原理示意圖如圖2所示。

圖2 BSA生物力學測量方法原理和公式示意圖 注：FD為平移力，F(xiàn)C為壓縮力，α為BSA，SR為肩關節(jié)穩(wěn)定率

生物力學間接測量法的優(yōu)點在于所需測量儀器相對簡易，且不需要使用尸體肱骨頭標本。但由于其測量依然需要尸體肩胛盂標本，且測試儀器仍不夠便捷，依然無法應用于臨床。在肩關節(jié)穩(wěn)定率的生物力學測量中，可能需要使用基于患者真實肩胛盂解剖結構定制的肩胛盂模型，以準確地進行體外測量。

3.2 有限元分析方法

有限元分析是依靠計算機運算的數(shù)學方法，近年來被廣泛應用于肩關節(jié)研究領域[43-46]。

肩關節(jié)穩(wěn)定性有限元分析研究的原始數(shù)據(jù)來源多樣[20,47-48]，對原始數(shù)據(jù)需要進行三維重建、模型建立和手動分割，形成盂肱關節(jié)的三維模型[47]。通過有限元分析軟件，在模型上生成三角形或四面體的有限元網(wǎng)格，將其分割成若干元素。隨后，需要設置各組織結構的材料參數(shù)，主要包括彈性模量和泊松比等。模擬過程中，在肱骨頭上施加一個壓縮力，通過軟件內的設置，使肱骨頭以特定長度為單位進行各水平方向的平移，通過計算肱骨頭脫出時平移力與壓縮力的比值測得肩關節(jié)穩(wěn)定率。

有限元分析方法的優(yōu)點在于無需進行尸體標本研究或模型實驗，而缺點是需要研究人員熟練掌握計算機軟件技術，且學習曲線較長，對臨床醫(yī)師有較高技術壁壘，難以在臨床應用。

3.3 幾何學測量法

由于上述方法存在諸多不便，許多學者提出幾何學測量法來測量肩關節(jié)穩(wěn)定率。根據(jù)是否使用CT等醫(yī)學影像設備，可分為直接測量法和影像測量法。

3.3.1 幾何學直接測量法

幾何學直接測量法通常是測量尸體肩胛盂標本的解剖學特征。Wermers等[30]通過三維測量臂對肩胛盂和肱骨頭的解剖標志進行數(shù)字化，計算出肩胛盂凹陷半徑(r)，并記錄肱骨頭脫位過程中的最大外側位移來估算肩胛盂深度（d），根據(jù)公式（式3）計算其骨性肩關節(jié)穩(wěn)定率（BSSR）：

Weldon等[36]在尸體標本上使用電磁跟蹤系統(tǒng)記錄肱骨頭從穩(wěn)定狀態(tài)到脫出過程中的肱骨頭中心路徑，以測得肩胛盂寬度的1/2（w）和肩胛盂曲率半徑（r），并用公式（式4）計算BSA，再用公式（式2）計算肩關節(jié)穩(wěn)定率，計算公式（式4）如下：

Braman等[35]使用電動激光表面干涉掃描儀對尸體肩胛盂標本表面進行掃描，將掃描數(shù)據(jù)繪制成肩胛盂表面的三維輪廓圖并進行分析。隨后，將肱骨頭假體放置于肩胛盂關節(jié)面上，向各方向移動肱骨頭假體，將肱骨頭中心點的位置信息繪制成肩胛盂圖。他們指出，肩胛盂圖上特定方向截面曲線的最大切線斜率就是肩胛盂在該方向上的BSA正切值。

幾何學直接測量法雖然需要特殊儀器對肩胛盂標本進行解剖特征測量和掃描，較為不便，但可能從數(shù)學和幾何學上解釋了BSA和肩關節(jié)穩(wěn)定率的本質。肩胛盂各方向的軸向截面所形成的曲線上可能存在1個最“陡”點，為防止肱骨頭脫位提供了最大限制。對于復發(fā)性肩關節(jié)前脫位患者，找到肩胛盂前緣最“陡”點可能是BSA和肩關節(jié)穩(wěn)定率幾何學測量的核心。

3.3.2 幾何學影像測量法

幾何學影像測量法通常通過CT圖像進行。Moroder等[48]通過在CT標準化軸向成像平面（SAIP）上測量肩胛盂深度（d）和肱骨頭擬合圓半徑（r），根據(jù)公式（式3）得到BSSR。該方法在后續(xù)研究中也有應用[30,49-50]。這種方法較為簡便，可操作性強，貼合臨床應用場景，但可能存在一些問題。首先，SAIP的精準定位難以實現(xiàn)。SAIP是垂直于肩胛盂長軸并穿過肩胛盂下緣最佳擬合圓中心的平面，測量時在二維CT斜矢狀位的肩胛盂正位上難以準確定位來確定肩胛盂長軸所需的盂上結節(jié)和盂下結節(jié)。其次，該方法選擇的SAIP并未考慮肩胛盂與肩胛骨的相對關系，即未考慮肩胛盂前傾的情況，因此無法應用于復發(fā)性肩關節(jié)前脫位伴肩胛盂骨缺損的患者。

4 結語

肩關節(jié)穩(wěn)定率的測量在臨床研究、生物力學研究和患者肩關節(jié)穩(wěn)定性評估等方面有較廣泛應用前景。現(xiàn)有測量方法大多不便于臨床應用，生物力學方法只能在尸體標本上進行，同時需要大型生物力學測量設備；有限元分析方法基于計算機技術，對臨床醫(yī)師有較高知識壁壘；而幾何學方法可能是最具前景的測量方法。

對于臨床醫(yī)師而言，需要一種快速、方便、準確的肩關節(jié)穩(wěn)定率測量方法。后續(xù)研究可聚焦于如何基于患者的肩胛盂真實解剖結構進行體外生物力學測量，以及如何對現(xiàn)有影像學測量方法進行改良和創(chuàng)新。