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以生物力學 (Biomechenics) 的觀點 看肩人工關節的發展
2020/07/12 23:26:07瀏覽280|回應0|推薦0

以生物力學 (Biomechenics) 的觀點 看肩人工關節的發展




生物力學是用力學觀點,探討人體之 結構、動作、和相關功能 的醫學,是運動醫學的內容。骨科是骨骼肌肉系統的醫學,是即身體「動 (locomotion)  的醫學,自然是生物力學關注與研究之範疇。1970年代起,生物力學篷勃發展,帶動了人工關節的快速興起;有一段時間,人工關節置換手術,甚至被認為是退化性關節炎的 最後解決方案 (Final solution)

人工關節的置換,髖關節發展最早,滿意度不錯;膝關節置換 則最為成功,幾可回復正常的膝關節功能,唯獨美中不足,肩關節的置換,術後卻有一些問題,迄今猶待克服之所以會如此,關鍵是在肩關節解剖學的結構 與 肩關節生理上須擔負大幅度的活動需求(ROM)所致。

肩關節是人體活動度最大的關節,若不挑剔活動全程需在同一平面,則肩關節幾可有360度迴轉(Rotation),這是其它關節所辦不到的!關節生理上的基本要求一是 : 結構要穩;二是:範圍內活動要無所障礙。這兩個要求,立場是矛盾與對立的,但也是所有關節的圭臬。人工關節的設計,自然也是朝此兩項宗旨, 做為設計的目標

肩關節的硬體結構,包括鎖骨、肩胛骨、肱骨。結構裡的 肱骨-肩胛盂關節(Humeroglenoid joint) (
1), 就是 把像高爾夫開球(開球)Tee肩胛盂結合肱骨此處的高爾夫球組合而成

圖 1. 如 Tee 座的肱骨-肩胛盂結構




這組合是沒得選擇的組合,卻也是關鍵性的組合,但Tee座置球體,力學上 自然是不穩的 ! 可也就靠這「不穩」的 組合達到活動最大的目的 

而穩定的要求,則以關節囊 與旋轉肌袖的合成體 -- 旋轉肌袖   (2),以 像櫬衫袖口,包住3/4 的肱骨-肩盂關節,建構肩關節穏定的第一道穩定




 圖2. 旋轉肌袖 是棘上肌(Supraspinatus)、棘下肌(Infraspinatus)、肩胛下肌(Subscapularis) 及小圓肌(Teres mnor) 組成,4肌肌腱遠端 集合成袖,附著及固定於肱骨粗隆(接骨點)  

再以壯碩的三角肌環圍在外,建構其第二道穩定 這是既精簡又智慧的的設計靠三角肌來穩住肩關節 同時也靠三角肌擔負上臂動作的動力。這樣的安排,滿足了肩關節360度迴旋的完美 肱骨-肩盂關節不穩的本質,也說明了肩關節為什麼容易脫臼的原因。



肩關節有另一瑕庛就是: 供應肱骨頭-頸端的血液並不旺盛,這與它担綱的功能十分不相配,既缺大血管而血管的分佈與量也不多 (3) ,這樣血循不旺的結果是 肱骨粗隆 (Tuberosity)的骨質是稀疏的,致使容易發生骨折,而骨折   (通常是骨碎裂後,也因血循不豐富,骨的癒合慢或不佳


   
圖   3. 肱骨頭  頸部,僅有腋下動脈之 前迴轉分枝                                                                                                     與  後迴轉分枝,供給的血循並不旺盛。                                                                                                                                                                                                                                                                          
而肩關節的硬體範疇 (boundary),包括肩峰、鎖骨外端、肱骨-肩盂關節肩盂...,對活動度大的肩,顯然是一個有限空間的箍筐(圖 4-1, 4-2, 4-3, 4-4, 4-5. )˙

圖 4-2

圖 4-1

                                                  
圖 4-3  
圖 4-4














只要結構上(解剖學)有稍許角度的瑕疵,就會有空間不足的問題,產生肩關節內部的擠壓與摩擦  
-- 此即 肩峰下夾擊 (Impingement) (5)  


圖 4-5
                                             圖5. 肩峰下夾擊    

  註:    4-1~4-2  圖示:肩峰下空間 (點示)  4-3~4-5  評估與測量空間大小之幾種方法。


夾擊會造成旋轉肌袖的受傷、發炎、沾黏、增生、鈣化、破裂等種種病變,此即 Rotator Cuff Tendinopathy (旋轉肌袖病變 或稱五十肩 )。旋轉肌袖病變 需手術治療;但要修補已磨損、撕裂、分離、攣縮的肌袖,並使它重新牢固長在新的接骨點上,手術困難度高,成功率也不理想。

旋轉肌袖是 肩關節不可或缺的特殊結構,是肩及上肢抬舉、轉動的啟動器 同發動汽車的火星塞 ),功能獨特而無可或缺。在肱骨頭頸端骨折  置換 肩人工關節手術,旋轉肌袖難以保全,難以修復的情況下 (如上述);術後都避免不了會走上肩痛、無力、肩僵硬 、肩活動不全…  的後遺症。

因應上述術後的問題,專家們轉而從肌腱移轉 (Tendon Transfer) 的概念,嚐試用 肩三角肌就近取材兼代旋轉肌袖的作用。1990年代,開始有了反轉式肩全人工關節置換術( Reverse Total Shoulder Arthroplasty) (6-1) 的創新手術,


圖 6-1 反轉式肩全人工關節
作法是 把肱骨頭 (球體),種在原肩胛盂;反把肩盂連肱髓柄之假體,植入肱骨幹,藉拉長三角肌肩峰下的軸距以杆桿原理的作用方式,利用三角肌代替旋轉肌袖的功能(圖 6-2, 6-3)


圖 6-2
圖 6-3



反轉式全人工肩關節置換術,幾經多次修改,術後的臨床表現的確比傳統式肩全人工關節   (7)
圖 7 傳統式肩人工關節
好很多,術後關節的疼痛、 僵硬、 活動度都大有改善,術後併發症也大大減少。




圖 8-1
但反轉式全人工肩關節卻存在 肩盂假體 緊貼肩胛頸部的下緣,造成撞擊、磨損、蝕骨,甚或鬆脫的弊病。 (8-1, 2, 3)

圖 8-3
圖 8-2

為克服此弊病,專家們正努力從生物力學的角度,把肱骨頭假體(球體旋轉中心   (Rotation Center)  肩盂假體,作外移或內縮的改變 (9),觀察術後的臨床效果。目前臨床結果還未明朗定調。

圖 9.








 


骨科界殷切期待,專家學者多年的研究、改良與努力,能克服肩人工關節設計上的盲點,能早一天找出最好的術式,讓病人與醫師都同感滿意的治療, 那又是一項了不起的創舉了


資料來源:

1. Djuro Perkovic, MD: David Kovacevic, MD; William N. Levine, MD; Charles M. Jobin, MD, Management of the Failed Arthroplasty for ProximalHumerus Fracture ; J Am Acad Orthop Surg, 2019;27(2):39-49. 
2. Jason C. Ho, MD; Liam T. Kane, BS; Joseph A Abboud, MD,     Lateral Versus Medial Offset Design for Reverse Shoulder Replacement ; Curr. Orthop. Pract. 2019; 30(3);200-207 
3. Levy JC, et al. Displaced nonunion,lesser tuberosity osteotomy yield low function , high satisfaction.  J Shoulder Elbow Surg. 2019; dol:10.1016/j. jse. 2018.11.052.  
4.  Peter N. Chalmers, MD, Pascal Boileau, MD, PhD;  Anthorny A. Romeo, MD; Robert Z Tashjian, MD,  Revision Reverse Shoulder Arthroplasty ;  J Am Acad Orthop Surg.  2019; 27(12):426-436  
 5.  Wen-Gie Lee, MD;  Aging Fifty Shoulder Syndrome. (Series Chapters) :  http://classic-blog.udn.com/wglee     李文吉醫師 部落格    五十肩專欄   







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