肩关节置换术中盂侧假体侧方化水平与策略对术后生物力学影响的数值研究

《JSES International》：Influence of the level and strategy of glenoid component lateralization on the postoperative biomechanics of shoulder arthroplasty: a numerical study

本研究针对rTSA（反向全肩关节置换术）中盂侧假体侧方化策略对术后生物力学影响不明确的问题，通过有限元模型模拟12种rTSA配置下的三种运动（外展、屈曲、伸展）。研究发现侧方化程度增加可扩大肩峰-肱骨间隙改善活动范围，但会升高骨应力（尤其肩峰处）且不提升肌肉效率；大直径盂球通过改善肌肉静息张力增强初始稳定性。侧方化策略（基板增厚vs盂球侧方化）对生物力学影响差异有限，但侧方化水平需根据患者个体肌力状况调整。该数值研究为rTSA植入物设计和手术策略优化提供了生物力学依据。

　　

当我们谈论肩膀疼痛的治疗时，反向全肩关节置换术（rTSA）已经成为处理骨折和骨关节炎的常用方法。这项技术通过改变肩关节的力学结构，为许多患者带来了福音。然而，就像任何精密的机械系统一样，细节决定成败。近年来，外科医生们开始关注一个关键参数——如何通过盂侧假体的侧方化（lateralization）来优化手术效果。简单来说，就是让假体的旋转中心（COR）更偏向身体外侧，这有点像调整齿轮的咬合位置来改变整个机械系统的运转效率。

但问题随之而来：不同的侧方化策略（比如通过增厚基板或者改变盂球设计）和不同程度的侧方化，到底会对肩关节的生物力学产生怎样的影响？是越多侧方化越好吗？这会如何影响肌肉的工作效率、骨骼的受力情况，以及术后可能出现的并发症如肩胛骨切迹（notching）或肩峰骨折？目前临床实践中对这些问题的认识还不够清晰，而这正是Victor Housset等研究人员决定通过精确的计算机模拟来探索的领域。

为了回答这些关键问题，研究团队在《JSES International》上发表了他们的最新研究成果。他们采用了一种先进的计算机建模技术——有限元分析（Finite Element Analysis），这是一种在工程和生物力学领域广泛使用的数值模拟方法，能够精确预测复杂结构在受力时的行为。

研究人员构建了一个包含骨骼和主动肌肉的详细肩关节模型，模拟了12种不同的rTSA配置。这些配置包括两种侧方化策略（基板增厚实现的增强型rTSA和盂球侧方化），每种策略又包含两个侧方化水平（+3毫米和+9毫米），再结合三种不同直径的盂球（36毫米、39毫米和42毫米）。在这个虚拟实验室中，他们模拟了肩关节的三种基本运动：外展（手臂向侧面抬起）、屈曲（手臂向前抬起）和伸展（手臂向后抬起），通过激活相应的肌肉组来驱动这些运动。

关键技术方法包括：1）建立包含骨骼和12块主动肌肉的肩关节有限元模型；2）模拟12种rTSA植入物配置（结合不同侧方化策略、水平和盂球直径）；3）通过肌肉力激活模拟三种生理运动（外展、屈曲、伸展至特定角度）；4）测量肱骨运动学、盂肱关节接触力、骨应力和肩胛骨切迹等生物力学指标；5）使用实验设计方法进行统计学分析。所有模拟均基于单一健康肩关节形态的数值模型完成。

结果

肱骨运动学与肌肉效率：所有配置均能达到目标关节角度，但更大的侧方化使肱骨最终位置更偏向内侧7.6°。侧方化水平对达到最终抬升角度所需的肌肉力有显著影响：外展需要增加17%的力，屈曲增加4%，而伸展反而减少13%。这表明侧方化改变了不同肌肉群的效率，需要根据患者具体的肌肉状况进行个性化选择。

关节接触力与稳定性：侧方化水平显著影响盂肱关节接触力，外展时增加36%，屈曲时增加44%，而伸展时减少39%。更大的盂球直径通过改善肌肉的初始静息张力来增强关节的初始稳定性，这可能为术后早期康复提供优势。

骨应力分布：高应力区域主要集中在肌肉附着点和接触区域。侧方化水平显著影响肩胛骨皮质应力，更大的侧方化使外展时应力增加8%，屈曲时增加30%，而伸展时减少13%。这些应力变化模式与临床上观察到的肩峰骨折风险增加的现象相一致。

肩胛骨切迹与撞击：肩胛颈撞击仅在伸展运动中被观察到，且受到侧方化水平和盂球直径的显著影响。这提示在规划rTSA手术时，需要特别关注伸展运动的生物力学特性，以避免潜在的并发症。

研究团队在讨论部分深入分析了这些发现的临床意义。他们指出，虽然高度的侧方化可以通过扩大肩峰-肱骨间隙来改善活动范围，但这并不等同于提升了肌肉的工作效率。实际上，为了实现相同的关节活动度，高度侧方化需要更大的肌肉力量，这可能会对肌肉力量不足的患者构成挑战。

一个有趣的发现是，侧方化在不同运动方向上的生物力学效应是相反的。在外展和屈曲运动中，更大的侧方化需要更多的肌肉力量并增加骨应力；而在伸展运动中，趋势却完全相反。这一现象强调了在选择侧方化水平时，需要考虑患者的主要功能需求和个人活动特点。

关于侧方化策略的选择（基板增厚vs盂球侧方化），研究显示两者对大多数生物力学指标的影响没有显著差异。然而，在伸展运动中，盂球侧方化策略在维持骨应力稳定性方面表现更好，这可能与力传导路径的差异有关。

这项研究的临床意义在于为个体化rTSA设计提供了科学依据。对于肌肉力量较强、需要更大活动范围的患者，可以考虑适度增加侧方化；而对于骨质量较差或有肩峰骨折风险的患者，则可能需要更加谨慎地选择侧方化水平。同时，增大盂球直径被证明是增强初始稳定性的有效策略，且对骨应力的影响相对较小。

当然，这项研究也有其局限性，比如仅基于单一健康肩关节形态的模型，而实际临床中患者的骨骼形态和软组织条件存在很大差异。未来的研究需要纳入更多样的解剖形态，以进一步提高结果的普适性。

这项精细的数值研究为我们理解rTSA的生物力学机制提供了宝贵见解，强调了在追求最佳手术效果时，需要综合考虑侧方化水平、策略以及患者个体因素之间的复杂平衡。随着计算机模拟技术的不断发展，这种“虚拟手术”的方法有望为骨科手术的精准化和个性化开辟新的道路。