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第一节 基本知识
一、功能解剖学
肩关节指由肱骨头及肩胛骨关节盂构成的球窝关节,也称盂肱关节。肩关节有3个运动轴和3个自由度,是全身最灵活的关节,其结构功能与日常生活密切相关。
(一)骨性结构
1.肱骨
肱骨是上肢最长最大的骨,近端有朝内上后方呈半球形的肱骨头,其表面覆盖关节软骨,与肩胛骨关节盂相关联成关节。该半球形结构不规则,垂直直径比前后直径长约3~4cm,根据生物力学特性,当肱骨头上部与关节盂接触时,关节最稳定,力学支撑作用最大,此时肩关节外展约90°。肱骨头轴与肱骨干轴成约130°~150°的倾斜角,与肱骨内外上髁连线成26°~30°的后倾角。肱骨头周围有一环形浅沟,称之为解剖颈。解剖颈向下,肱骨头的外侧和前侧的隆起分别为大结节和小结节,其向下个延伸的骨嵴分别称为大结节嵴和小结节嵴,两嵴之间的纵沟为结节间沟,有肱二头肌长头肌腱通过。大结节为冈上肌、冈下肌、小圆肌肌腱提供附着点,小结节为肩胛下肌提供肌腱附着点,此4块肌包绕整个肩关节,被称为肩袖。外力致肩关节脱位伴或不伴近端骨折,均会导致此处力学特征改变造成继发损伤。肱骨近端向肱骨体延伸稍细处,成为外科颈,易骨折。
2.肩胛骨
肩胛骨是介于第2肋与第7肋之间,附于胸廓后外侧的三角形扁骨,分两面、三缘、三角。外侧角肥厚有一梨形浅窝,称关节盂,与肱骨头相关节。关节盂比肱骨头小得多,仅能容纳肱骨头的1/4~1/3。肱骨头相对肩胛骨平面约成4°~12°的后倾角。肩胛骨平面与冠状面约成30°~45°的前倾角。肩胛骨背侧有一横行的骨嵴称肩胛冈,其将背面分为冈上窝和冈下窝。肩胛冈向外侧延伸形成突起,称肩峰,与锁骨的肩峰端相接形成肩锁关节。肩胛骨上缘外侧有一向前的指状突起称喙突。
(二)静态稳定结构
1.关节盂盂唇
盂唇由纤维软骨构成,位于肩胛骨关节盂周缘,有加深加大关节窝的作用,使关节面更好地贴合。
2.关节囊
关节囊薄而松弛,近端附着于关节盂周缘,远端附着于肱骨解剖颈,内侧可达外科颈。关节囊有两处膨出:①在结节间沟处形成滑液鞘,帮助肱二头肌长头肌腱穿过关节囊到达盂上结节;②在关节前下方达喙突处形成滑膜囊,形成关节腔与肩胛下滑囊的沟通。关节囊上壁、前壁、后壁均有数条肌腱纤维的加入以增加关节稳定性。囊的下壁较薄弱,故肩关节脱位常发生于前下方。当关节运动范围为中度时,关节囊处于松弛状态;当肩关节处于运动范围极限时,关节囊拉紧可限制关节过度运动。
3.韧带
(1)喙肱韧带:
喙肱韧带起自肩胛骨喙突,分前后两束,前束止于小结节,后束止于大结节。在伸展过程中,主要是前束逐渐增加承受张力;在屈曲过程中,主要是后束承受张力。喙肱韧带可限制肩关节过度内收,使肱骨头与关节盂贴合。同时,其与盂肱上韧带协同,可防止肱骨头在肩外展过程中的下移,及肩前屈、内收、内旋过程中的后移。
(2)盂肱韧带:
盂肱韧带由上、中、下三条韧带构成。盂肱上韧带自关节窝的前上边缘止于肱骨小结节,从前上方加固关节,与喙肱韧带协同发挥作用。盂肱中韧带是三条韧带中变异性最大的韧带,约有8%~30%的人缺如。该韧带可起自盂上结节、盂唇上部或肩胛颈,止于肱骨小结节内侧部。其可限制肱骨头在外展60°~90°中的前移,及内收中的下移。盂肱下韧带是三条韧带中最厚最主要的韧带,起自关节盂前下部,止于肱骨小结节,其可限制肱骨头在外展、外旋过程中的前移。在外展过程中,盂肱中、下韧带紧张,上韧带松弛,因肱骨头上部曲率半径大于下部,关节面接触达到最大,大结节撞击关节盂和盂唇上部,处于MacConiall最紧密关节位置,约90°左右。此时,做适当外旋运动可使大结节拉向后方,盂肱韧带松弛,增大外展范围。
(3)喙肩韧带:
喙肩韧带为自肩胛骨喙突与肩峰之间的三角形扁韧带,其与喙突、肩峰共同构成喙肩弓,横跨肩关节上方,可防止肱骨头向上脱位。
(三)动态稳定结构
因肩关节活动较大,仅靠盂唇、关节囊、韧带等无法保持关节面对合,所以肩关节周围肌肉的稳定必不可少。这些肌肉不仅可以通过肌纤维的走向予以肩关节静态稳定,同时可通过关节活动过程中收缩产生的力学改变予以关节动态稳定。
(1)三角肌:
位置浅表,包绕肩关节,起自锁骨外侧1/3、肩峰及肩胛冈,肌束向外下方集中,止于肱骨三角粗隆。由腋神经(C 5~6)支配。三角肌几乎是肩部所有运动的原动肌,所有纤维收缩时是有力的外展肌,对于完成上举过头顶,如梳头等日常活动必不可少。三角肌前部纤维可与胸大肌协同完成肩关节的屈曲、内旋、水平内收等活动,对日常起居活动很重要。后部纤维可与背阔肌、大圆肌协作使肩关节后伸、外旋、水平外展。
(2)胸大肌:
位置表浅,覆盖胸前壁大部分。起自锁骨内侧段、胸骨、1~7肋软骨,止于肱骨大结节嵴。由胸内、外侧神经(C 5~T 1)支配。胸大肌近止点处有一明显扭转,可使其利用杠杆原理完成多方向运动。上部纤维能使肩关节屈曲。中部纤维与其他肌协作可内收、水平内收肩关节。下部纤维可使肩关节从屈曲位后伸。另外,胸大肌还可使肩关节内旋,当手臂固定时,可协助完成引体向上。
(3)喙肱肌:
位于浅层,起自喙突,止于肱骨体中部内侧。由肌皮神经(C 5~7)支配,可与其他肌协同完成肩关节的屈曲及内收。
(4)肱二头肌:
浅层肌,长头起自肩胛骨盂上结节,短头起自肩胛骨喙突,均止于桡骨粗隆和肱二头肌腱膜。由肌皮神经(C 5~6)支配。可协助肩关节的屈曲、外展(长头)、内收(短头)。
(5)背阔肌:
背部浅层肌肉,为全身最大的扁肌,借助胸腰筋膜起自T 7~L 5棘突、髂嵴后部及骶骨后面,止于肱骨小结节嵴。由胸背神经(C 6~8)支配。背阔肌在肱骨附着点附近有类似于胸大肌的扭转,这使之与胸大肌存在协同关系,在投掷、攀爬等过程相互协作。背阔肌宽大的附着点具有对肩关节产生巨大力量的潜能,可使肩关节内收、后伸、内旋。当手臂固定时,可协助完成引体向上。
(6)肱三头肌:
位于前臂后面,有3个头,长头起自肩胛骨盂下结节,外侧头起自肱骨干后部的近侧半,内侧头起自肱骨干后部远侧半,均止于尺骨鹰嘴。由桡神经(C 6~8)支配。长头可伸展及外展肩关节,同时,作为多关节肌可伸肘关节。
(7)冈上肌:
位于斜方肌深面,是组成肩袖的一部分。起自肩胛骨冈上窝,止于肱骨大结节。由肩胛上神经(C 5~6)支配。在肩外展过程中,与三角肌相互协同,保证肱骨头与关节盂的贴合,防止肱骨头撞击喙突及肩峰下结构,因此此肌肌腱常易损伤,可使整个肩关节功能受到削弱。
(8)冈下肌:
肩袖的组成部分,对于稳定肩关节至关重要。起自肩胛骨冈下窝,止于肱骨大结节。由肩胛上神经(C 5~6)支配。冈下肌是肩关节最有力的外旋肌之一,在投掷等运动中必不可少。
(9)小圆肌:
位于冈下肌下方,肩袖组成部分。起自肩胛骨上外侧缘,止于肱骨大结节。由腋神经(C 5~6)支配。可外旋、内收、后伸、水平外展肩关节。
(10)肩胛下肌:
肩袖组成部分,起自肩胛骨肩胛下窝,止于肱骨小结节。由肩胛下神经(C 5~6)支配。可使肩关节内收和旋内。
冈上肌、冈下肌、肩胛下肌、小圆肌组成“肩袖”,该四块肌在功能上作为一个整体,使肱骨稳定于关节窝内。每块肌在关节运动过程中都发挥其特定的作用。
(11)大圆肌:
位于小圆肌下方,是背阔肌的直接协同肌,起自肩胛骨外侧下缘,止于肱骨大结节下部。由下端肩胛下神经(C 5~7)支配。可共同完成肩关节的后伸、内收、旋内。
(四)肩关节的血供与神经支配
营养肩关节的血管主要有旋前肱动脉、旋后肱动脉及肩胛上动脉的分支。肩关节周围肌肉的神经支配主要是臂丛神经,具体支配可参考本节动态稳定结构部分中肌肉的神经支配。
(五)肩关节的滑囊
肩关节主要有两个滑囊,肩胛下滑囊与肩峰下滑囊。前者与关节腔相通,位于肩胛下肌腱与肩胛颈之间;后者位于冈上肌之上,介于冈上肌和其覆盖肌三角肌、肩峰突和喙肩韧带之间。滑囊可以有效地减少关节与肌腱活动时的摩擦,扩大肩关节的活动范围。
(六)肩关节的功能与结构
通常意义上,肩关节是指盂肱关节,有3个自由度,可以使上肢在3个平面上绕3个主轴运动。在矢状面可以绕横轴做屈伸运动,在冠状面可绕前后轴做外展和内收运动,在水平面上可绕垂直轴做水平外展和内收运动,可绕肱骨长轴做内旋外旋。同时,肩关节还可做环绕运动,但肩关节的活动的实现不仅限于盂肱关节,实际上是由3个真关节(盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节)和2个假关节(肩胛胸壁关节、肩峰下关节)组成的多关节复合体相互协调完成。运动过程中,静态与动态稳定结果相互作用,从而完成肩关节的各种活动。运动过程分析详见本节关节运动学部分。
二、关节运动学
广义肩关节是由六个关节组成,分为肩肱关节、盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节、喙锁关节、肩胛胸壁间关节,狭义肩关节指盂肱关节。因为肱骨头较大,呈球形,关节盂浅而小,仅包绕肱骨头的1/3,关节囊薄而松弛,所以肩关节是人体运动范围最大而又最灵活的球窝关节,肩部关节的运动比较复杂,各关节既有单独运动,又有相互间的协同运动,能绕三个基本运动轴运动:绕冠状轴可做前屈、后伸运动;绕矢状轴可做外展、内收运动;绕垂直轴可做内旋、外旋运动;除此之外,还可做水平屈伸和环转运动。
(一)肩关节的活动范围
中立位:上臂自然下垂靠紧胸壁,屈肘90°。
1.冠状轴运动范围
前屈160°~180°,后伸40°~45°;
2.矢状轴运动范围
内收20°~45°,外展上举160°~180°;
3.垂直轴运动范围
内旋70°~90°,外旋70°~90°;
4.水平面运动范围
水平外展30°,水平内收135°。
肩关节的活动是以胸锁关节为支点,以锁骨为杠杆,因此肩关节的活动范围又可因“肩胸关节”的活动而增加。肩关节的这些特点决定了肩锁关节和胸锁关节在肩关节中的作用。
上臂的外展与前屈活动由肩肱关节和肩胸关节共同完成,其中最初30°外展和60°前屈运动由肩肱关节单独完成。当外展、前屈活动继续进行,肩胸关节开始参与并以与肩肱关节活动呈一比二的比例活动。即肩部每活动15°,其中肩肱关节活动10°,肩胸关节活动5°。正常肩胸关节有60°活动范围,肩肱关节有120°活动范围,两者之和为180°,所以当肩胸关节活动完全丧失时,肩部活动至少丧失三分之一。在上臂外展的前90°范围内,锁骨有40°抬高范围,即上臂每抬高10°,锁骨约抬高4°。正常肩锁关节有20°活动范围,部分活动在上臂外展最初30°范围内完成,部分于上部外展到135°以上时完成。
(二)运动肩关节的肌肉
1.肩关节前屈
(1)主动肌:
胸大肌(锁骨部纤维)、三角肌(前部纤维);
(2)辅助肌:
三角肌(中部纤维)、喙肱肌、肱二头肌;
(3)拮抗肌:
肩关节的后方伸展肌群、背阔肌、肩胛下肌、大圆肌、三角肌后部。
2.肩关节后伸
(1)主动肌:
背阔肌、大圆肌;
(2)辅助肌:
三角肌后部、小圆肌、肱三头肌;
(3)拮抗肌:
三角肌前部肌纤维、胸大肌(锁骨部)、肱二头肌、喙肱肌。
3.肩关节外展
(1)主动肌:
冈上肌、三角肌全部纤维;
(2)辅助肌:
三角肌前后部肌纤维、前锯肌;
(3)拮抗肌:
胸大肌(锁骨部)、肱二头肌、喙肱肌等肩关节内收肌肉群。
4.肩关节内收
(1)主动肌:
背阔肌、胸大肌(锁骨部)、肱二头肌、喙肱肌;
(2)辅助肌:
三角肌前部肌纤维、大圆肌;
(3)拮抗肌:
肱二头肌长头。
5.肩关节内旋
(1)主动肌:
肩胛下肌、背阔肌、三角肌前部肌纤维;
(2)辅助肌:
大圆肌;
(3)拮抗肌:
小圆肌、冈下肌。
6.肩关节外旋
(1)主动肌:
小圆肌、冈下肌;
(2)拮抗肌:
背阔肌、胸大肌、三角肌前部肌纤维。
7.肩关节水平外展
(1)主动肌:
背阔肌、三角肌后部纤维;
(2)辅助肌:
冈下肌、小圆肌。
8.肩关节水平内收
(1)主动肌:
胸大肌、三角肌前部纤维;
(2)辅助肌:
大圆肌。
三、病理生理学
正常的滑膜关节两个相对的关节面上覆盖有透明软骨,其具有黏弹性。目前研究表明,骨关节炎不仅可累及软骨,还可累及软骨下骨、滑膜等结构。其病理特点可概括为关节破坏及局部组织重建异常的链式反应。肩关节较灵活,骨关节炎的发病率低于髋、膝等承重关节,但其关节稳定性较差,关节不稳,运动过度、外伤、关节置换术后仍可导致肩骨关节炎的发生发展。以下主要从关节软骨、软骨下骨、滑膜等方面概述肩骨关节炎的病理生理改变。
(一)关节软骨改变
对骨关节炎病理过程的认识是从关节软骨的研究开始的。软骨变形被认为是本病的特征性病理改变。正常的关节软骨富含蛋白多糖成分,具有黏弹性,由浅入深可分为四个区域:①浅表区,软骨细胞与胶原纤维排列方向大体与关节面平行;②中间过渡区;③深部放射区,软骨细胞与胶原纤维排列方向垂直于关节面;④钙化区,软骨与软骨下骨紧密结合。骨关节炎早期,关节软骨表现为软骨基质局灶性肿胀软化,表面黏蛋白变化,失去正常弹性,表面粗糙,出现少量的、天鹅绒样的组织结构碎裂。进一步发展,软骨可出现进展性剥落,软骨下骨板裸露。显微镜下观察,可见软骨基质溶解,各层软骨细胞凋亡,裂隙附近软骨细胞局部增殖,软骨纤维化,软骨破坏面可被纤维软骨覆盖,可见新生血管侵入。关节边缘软骨过度增生,形成软骨性骨赘,骨化形成骨赘。
(二)软骨下骨改变
骨关节炎进一步发展,软骨下骨增生可致骨-钙化软骨界面的重建,同时伴新生血管侵入。最终钉状肉芽组织和显微组织侵至关节面。这些侵入组织通过结局性的软骨内成骨及膜内成骨,使软骨变薄剥脱,软骨下骨增生明显,骨质逐渐致密、坚硬,有反光性,称“象牙样变”。进展性骨关节炎的另一特征改变是软骨下假囊肿的形成,表现为紧邻象牙化的骨面下方可见骨质稀释的囊性区域,可能与骨关节断裂部位关节压力异常、局部组织坏死等有关。另外,骨组织在软骨内成骨,最终生成骨赘,是重度骨关节炎的特征。
(三)滑膜改变
尽管骨关节炎被定义为非炎性的退行性病变,早期研究集中在对关节软骨及骨改变上。近年来研究逐渐认识到滑膜炎性改变在骨关节炎中所扮演的重要角色。其特征表现为以内膜增生为主的早期渗出阶段向后期纤维变性阶段进展的改变,可见滑膜细胞的肥大增生及淋巴细胞与单核细胞的浸润,这可能与机体对关节内碎屑的异物反应有关。