Биомеханика плечевого сустава

Плечо, как известно, является одним из самых сложных участков тела для оценки и реабилитации. Из-за того, что во время движения плеча задействовано несколько суставов, правильно будет говорить о плечевом комплексе. Чтобы эффективно реабилитировать травму плеча в клинической практике, важно иметь функциональные знания о биомеханике плечевого комплекса (англ. biomechanics of the shoulder).

Мышцы плеча работают совместно, чтобы производить высоко скоординированные движения. Слабость любой мышцы изменяет нормальную кинематическую цепь сустава.

Остеология

Ключица: ключица – это длинная кость, две трети которой в медиальной части имеют выпуклую форму,  а одна треть  с боков – вогнутую. Медиальные две трети обеспечивают фиксацию к большой грудной мышце. Ключица отклонена на 20 градусов во фронтальной плоскости в анатомическом положении. Закругленный медиальный грудинный конец соединяется с грудиной, образуя грудинно-ключичный сустав, в то время как другой плоский конец соединяется с акромионом, образуя акромиально-ключичный сустав. На нижнебоковой поверхности - реберный бугорок,  служащий точкой крепления реберно-ключичной связки. Грудина: грудина состоит из манубриума, к которому прикреплен грудинно-ключичный сустав, тела, к которому прикреплены ребра, и мечевидного отростка. Лопатка: лопатка имеет треугольную форму, с тремя краями – верхним, медиальным и латеральным, с тремя углами - нижним, верхним и боковым,  и тремя поверхностями. Лопатка отклонена примерно на 35 градусов кпереди от фронтальной плоскости. Вогнутая суставная ямка сочленяется с выпуклой головкой плечевой кости, образуя плечевой сустав.

Анатомия и биомеханика

Плечевой комплекс включает 3 физиологических сустава и один плавающий сустав:

1. Плечевой сустав (GH)
2. Акромиально-ключичный (АС) сустав
3. Грудино-ключичный (SC) сустав
4. Лопаточно-грудной (ST) сустав - известный как «функциональный сустав», не являющийся истинным суставом

Также можно учитывать вклад грудино-реберного, позвоночно-реберного и рукоятко-грудинного суставов, когда речь идет о движении, связанном с плечевым комплексом.

Грудинно-ключичный сустав - единственное место костного прикрепления верхней конечности к осевому скелету. Грудинно-ключичный сустав обеспечивает скользящее движение лопатки вдоль грудной клетки во время движений верхних конечностей и не включает физическое прикрепление кости к кости. Плечевой сустав представляет особый интерес для понимания механизма травм плеча, поскольку он остеологически предрасположен к нестабильности. [1] [2] Плечевой сустав состоит из шаровидного синовиального соединения, где головка плечевой кости (выпуклая поверхность) сочленяется с суставной ямкой (вогнутой поверхностью) лопатки. Из-за относительно большой площади поверхности головки плечевой кости по отношению к ямке сам сустав имеет ограниченную конгруэнтность костей и, как следствие, сильно зависит от окружающих мягких тканей в плане структурной поддержки.

Более того, по оценкам, только 25% головки плечевой кости сочленяется с суставной ямкой в каждый конкретный момент времени во время движения [3]. Окружающие пассивные структуры (суставная губа плечевого сустава, суставная капсула и связки), а также активные структуры (мышцы и связанные с ними сухожилия) в здоровом плече  работают совместно, чтобы поддерживать динамическую стабильность во время движений.

Наиболее часто поражаемая область при болях в плече - субакромиальное пространство, которое включает теоретическое пространство между клювовидно-акромиальной дугой и головкой плечевой кости. [4] [5] Более конкретно, субакромиальный канал находится под акромионом, клювовидным отростком, акромиально-ключичным суставом и клювовидно-акромиальной связкой. [6] [7] Само пространство включает в себя бурсу, которая обеспечивает смазку сухожилий вращательной манжеты (RC), прикрепление длинной головки сухожилия двуглавой мышцы плеча и самих сухожилий вращательной манжеты (RC). [4] [6] [7]

Биомеханика движения плеча

Плечевой сустав

Остеокинематика

• Сгибание/разгибание
• Отведение/приведение
• Медиальное/боковое вращение

Артрокинематика

• Осевая ротация (чистое сгибание и разгибание)
• нижнее скольжение (отведение)
• верхнее скольжение (приведение)
• заднее скольжение (медиальное вращение)
• переднее скольжение (боковое вращение)

Естественная артрокинематика плечевого сустава во время движения с открытой цепью поддерживает различные направления движения головки плечевой кости в суставной ямке [8] [9].

Дель Мазо (Del Maso )и его коллеги подсчитали, что максимальное перемещение головки плечевой кости вверх на 7,5 мм может происходить во время движений [9], что является достаточно большим объемом миграции для большой костной структуры в компактном пространстве во время выполнения динамической задачи. Успех скоординированного движения головки плечевой кости с нормализованной артрокинематикой, во избежание ситуации соударения, требует гармоничного совместного сокращения сухожилий вращательной манжеты. Аномальные перемещения плечевого сустава были связаны с патологией плеч, и было высказано предположение, что они являются фактором, способствующим боли и дискомфорту в плече, а также могут приводить к повреждению окружающих структур [9] [10].

Как показывает вектор силы соответствующего плеча момента, сухожилия вращательной манжеты в совокупности осуществляют компрессию головки плечевой кости внутри суставной ямки во время движения [11]. Надостная мышца инициирует отводящее движение руки, притягивая головку плечевой кости медиально к суставной впадине и создавая тем самым центр вращения для движения [12].

Индивидуализированные сухожилия комплекса вращательной манжеты напрямую связаны с ограничением перемещения головки плечевой кости в определенных направлениях. Надостная мышца способствует предотвращению чрезмерного перемещения вверх, подостная мышца и малая круглая мышца ограничивают чрезмерное перемещение вверх и назад, а подлопаточная мышца контролирует чрезмерное перемещение головки плечевой кости вперед и вверх, соответственно [13].

Дисбаланс в нервной активации любой из мышц вращательной манжеты может легко вызвать смещение головки плечевой кости, что приведет к соударению субакромиальных структур во время движения. Перемещения головки плечевой кости вверх и вперед во время движений являются ведущими биомеханическими причинами синдрома соударения [14].

Акромиально-ключичный сустав

Акромиально-ключичный сустав  представляет собой диартродиальное и синовиальное соединение. Он позволяет выполнять осевые вращения и переднезаднее скольжение. Поскольку нет прямого прикрепления мышц к суставу, все движения пассивны и инициируются движениями в других суставах (например, в лопаточно-грудном суставе).

Остеокинематика

• Сгибание/разгибание
• Отведение/приведение
• Медиальная/боковая ротация

Артрокинематика

• задняя/передняя осевая ротация
• нижняя/верхняя осевая ротация
• переднее/заднее скольжение

Лопаточно-грудной сустав

Сложные движения лопаточно-грудного сустава:

• поднятие и растягивание = поднятие вперед
• поднятие и втяжение  = поднятие назад
• опускание и растяжение = опускание вперед
• опускание и втяжение = опускание назад

Движение лопатки вдоль грудной клетки также напрямую влияет на биомеханику плечевого комплекса в целом и, кроме того, может предрасполагать к развитию синдрома соударения. Здоровое движение лопатки вдоль грудной клетки во время подъема руки включает растяжение, наклон кзади и боковое вращение в зависимости от плоскости движения (рис. 1). [15] [16] [17] [18]

Хотя под наклоном кзади обычно понимается, в первую очередь,  движение акромиально-ключичного сустава, наклон, который происходит в лопатке во время подъема руки, имеет решающее значение для минимизации захвата мягких тканей под акромиальной дугой [18]. Нормальный вклад лопаточно-грудного сустава обычно выражается как отношение движения этого сустава к движению, происходящему одновременно в сочленении плечевого сустава. Лопаточно-плечевой ритм количественно определяют путем деления общей величины подъема плеча (плече-грудного) на направленное вверх вращение лопатки  (лопаточно-грудное). [15] В научной литературе обычно принято считать, что лопаточный ритм составляет 2: 1,что соответствует 2 ° подъема плечевой кости на каждый градус направленного вверх вращения лопатки. [16] [19] [20]

Стабильность лопаточно-грудного сустава зависит от скоординированной активности 18 мышц, которые непосредственно прикрепляются к лопатке. [21] Мышцы лопатки должны динамически контролировать положение суставной впадины, чтобы головка плечевой кости оставалась центрированной и позволяла двигать рукой. Когда присутствует слабость или нервно-мышечная дисфункция мускулатуры лопатки, нормальная артрокинематика лопатки изменяется, [20] и в конечном итоге предрасполагает человека к травме плечевого сустава. [19] [20] [21] Патологическая кинематика лопаточно-грудного сустава включает, без ограничения: [22] [23] [24]

1. Повышенная медиальная ротация
2. Сниженная верхняя ротация и
3. Снижение наклона кзади.

Считается, что эти изменения движения увеличивают приближение сухожилий вращательной манжеты к клювовидно-акромиальной дуге или краю гленоида [18] [25], однако все еще существуют разногласия относительно того, как отклонения паттерна движений напрямую способствуют уменьшению субакромиального пространства. [18]

Для пояснения в современной литературе проводится различие между внутренним и внешним соударением. Соударение, которое связано с уменьшением пространства по направлению к клювовидно-акромиальной дуге, называется внешним соударением, тогда как внутреннее соударение затрагивает ободок гленоида [18] и может быть связано с нестабильностью плечевого сустава. [26] Независимо от классификации, механизмы плечевой дисфункции могут способствовать прогрессированию болезни вращательной манжеты [27] и, следовательно, должны рассматриваться как нервно-мышечные нарушения.

Нервно-мышечный контроль лопатки основан на сбалансированной совместной работе общих двигателей и тонко настраиваемых стабилизирующих мышц плечевого комплекса. Опять же, из-за плавающей природы движения лопатки вдоль грудной клетки, она также должна полагаться на сходство между кортикальным направлением, задаваемым нервной системой, и результирующим действием костно-мышечной  системы. Таким образом, мы можем утверждать, что плечевой комплекс является одной из наиболее кинематически сложных областей человеческого тела [25] и требует высокого уровня нервно-мышечной стабильности во время движения. Нервно-мышечный контроль плеча также требует хорошо развитого чувства моторного контроля и проприоцепции.

Движение грудного отдела позвоночника

При сгибании правой руки: правый верхний грудной позвонок сгибается, вращается НАПРАВО и разгибается. Первое и второе ребра спускаются вниз, а 4-6-е поднимаются, а 3-е действует как ось. Ограничение движения в любой из этих структур отрицательно влияет на биомеханику плечевого пояса и может вызвать или предрасположить плечевой пояс к патологическим изменениям.

Статические структуры и механорецепторы

Статические структуры плечевого комплекса, которые включают верхнюю  суставную губу (фиброзно-хрящевое кольцо), капсулу, хрящ, связки и фасцию, в совокупности действуют как физические ограничения для костного вещества и обеспечивают углубление  в неглубокой суставную ямку [28].

Помимо своей пассивной стабилизирующей роли, они также обеспечивают дополнительную защиту с помощью различных механорецепторов, встроенных в их волокна. Под механорецепторами можно понимать нейронные датчики, которые обеспечивают афферентный ввод в центральную нервную систему для моторной обработки и нисходящих моторных команд для выполнения движений. [29] [30] [31]

Механорецепторы характеризуются своими специализированными нервными окончаниями, чувствительными к механическим деформациям тканей [32] [33] [34] и, следовательно, вносят вклад в модуляцию двигательных ответов прилегающих мышц. Механо-сухожильные рецепторы (мышечные веретена и сухожильные органы Гольджи), капсульно-связочные  рецепторы (тельца Руффини и Пачини), а также кожные рецепторы (Мейснера, Меркеля и свободные нервные окончания) отвечают за наше осязание, вибрацию, проприоцептивное позиционирование, а также обеспечивают обратную связь относительно длины, напряжения, ориентации мышц, а также скорости и силы сокращений мышечных волокон. [35]

Понятно, что пассивные структуры плеча обеспечивают механизм неврологической защиты через прямую и обратную связь, что напрямую ведет к стабилизации рефлекторной мускулатуры вокруг плечевого сустава [30].

Мускулатура плеча

Помимо сложной сети пассивных лигатур, соединяющих соседние кости, невозможно переоценить важность окружающей мускулатуры. Активные сокращения мышц необходимы для поддержания стабильности плечевого комплекса. [1]

Мускулатуру плечевого пояса можно разделить на основные двигатели плеча и стабилизаторы точной настройки отдельных суставов. Более крупные мышцы, такие как трапецевидная, мышца, поднимающая лопатку, грудные мышцы, дельтовидные мышцы, передняя зубчатая мышца, широчайшая мышца спины, ромбовидные мышцы, большая круглая мышца, двуглавая мышца, клювовидно-плечевая мышца и трицепс, отвечают за различные синергические действия во время движения плечевого сустава. Совместно, как пары агонистов и антагонистов, они обеспечивают грубую момторику верхнего квадранта. В частности, стабилизаторы точной настройки так же важны для плечевого комплекса, как и глобальные двигатели для скоординированных и плавных движений плеча.

Стабилизирующие мышцы плечевого сустава, надостной, подлопаточной, подостной и малой круглой мышц часто называют комплексом вращающей манжеты (RC), они прикрепляются к головке плечевой кости внутри суставной ямки. В совокупности они действуют как динамические стабилизаторы плечевого сутава, поддерживая централизованное положение головки плечевой кости в суставной ямке [36] [37] как в статических, так и в динамических условиях. Было высказано предположение, что сухожилия мышц вращающей манжеты сливаются со связками и суставной губой в местах их прикрепления, так что сокращения мышц могут обеспечить дополнительную стабильность за счет сжатия статических структур во время движения [38].

Синхронизированные сокращения мышц вращательной манжеты должны поддерживать централизованное положение головки плечевой кости во время движений, чтобы избежать физического захвата тканей, преимущественно кпереди или выше плечевого сустава, что связывается с травмой и болью в области плеча. Как уже отмечалось ранее, из-за анатомического прохождения общего сухожилия вращательной манжеты в субакромиальном пространстве, сухожилия вращательной манжеты особенно уязвимы для сжатия, аномального трения и, в конечном итоге, соударения (защемления) во время выполнения активных задач. [4] [5] Правильное выравнивание плечевого сустава важно для здорового участия плечевого сустава в повседневной деятельности.