MR-basierte 3D-Analyse der glenohumeralen Translation bei Patienten mit Schulterinstabilität

Zusammenfassung.

Studienziel:Pathologische Translationen des Humeruskopfes können am Lebenden bislang weder dreidimensional noch in funktionell wichtigen Armstellungen untersucht werden. Ziel der Studie war deshalb die Entwicklung einer offenen MRT-Technik zur dreidimensionalen Bestimmung der glenohumeralen Translation in verschiedenen Armpositionen am Lebenden. Methode: Mittels offenem MRT wurden beide Schultern von 5 Patienten mit einer unilateralen, traumatischen Instabilität in unterschiedlichen Abduktions- und Rotationsstellungen untersucht. Nach halbautomatischer Segmentation, dreidimensionaler Rekonstruktion der knöchernen Strukturen des Schultergürtels wurde der Schwerpunkt der Cavitas glenoidalis berechnet und als Referenzpunkt verwendet. In einer virtuellen Umgebung wurde anschließend der Mittelpunkt des Humeruskopfes und seine räumliche Stellung relativ zum Schwerpunkt der Cavitas glenoidalis bestimmt. Ergebnisse: Bei 30°-Abduktion war der Humeruskopf auf beiden Seiten (gesund: 0,42 ± 1,1 inf., 0,75 ± 1,0 mm post.; krank: 1,31 ± 0,87 mm inf., 0,51 ± 1,28 mm post.) inferior und posterior des Cavitas-Schwerpunktes positioniert. Die maximale Translation (Richtung: anterior und inferior) trat sowohl auf der gesunden Seite (Durchschnitt 1,0 mm, Maximum 1,8 mm) als auch auf der betroffenen Schulter (Durchschnitt 2,5 mm, Maximum 4.6 mm) bei 90° Abduktion mit Außenrotation auf, war auf der pathologischen Seite jedoch 1,7-2,5fach erhöht. Schlussfolgerung: Mittels der vorgestellten Technik kann die glenohumerale Translation in funktionell wichtigen Armpositionen ohne Projektionsartefakte dreidimensional quantifiziert werden. Die Methode kann in Zukunft bei Patienten mit Schulterinstabilität unterschiedlicher Genese und zur Beurteilung der Auswirkung verschiedener Operationsverfahren angewendet werden.

Aim: Until now, pathological translation of the glenohumeral joint could not be assessed three-dimensionally and in functionally important arm positions in the living. The objektive of this study was therefore to develop an MR-based technique for determining the three-dimensional glenohumeral translation in functionally relevant positions in vivo. Method: In an open MR scanner both shoulder joints of 5 volunteers with an unilateral traumatic instability were examined in different positions of abduction and rotation. After semiautomatic segmentation, 3D reconstruction of the bony structures of the shoulder girdle was performed and the center of mass of the glenoid cavity was determined and used as reference point. In a virtual reality, the midpoint of the humeral head was assessed and its position relative to the center of mass of the glenoid cavity was calculated. Results: At 30° of abduction, in both shoulders, the humeral head was positioned inferior and posterior relative to the glenoid cavity (healthy: 0.42 ± 1.1 inf., 0.75 ± 1.0 mm post.; unstable: 1,31 ± 0.87 mm inf., 0.51 ± 1.28 mm post.) The maximal translation (to anterior and inferior) was observed both on the healthy side (mean 1.0 mm, max. 1.8 mm) and in the unstable shoulders (mean 2.5 mm, max. 4.6 mm) with the arm in 90° of abduction and external rotation, thus being 1.7 to 2.5 times higher in the pathological shoulders. Conclusions: With this technique the glenohumeral translation can be quantified three-dimensionally in functionally important positions and without projectional artefacts. In the future, this method can be applied to patients with different entities of shoulder instability.

Schlüsselwörter:

Schulter - MRT - Instabilität - Quantifizierung

Key words:

shoulder - MRI - instability - quantification

Literatur

• 01 Apreleva  M, Hasselman  C T, Debski  R E, Fu  F H, Woo  S L, Warner  J J. A dynamic analysis of glenohumeral motion after simulated capsulolabral injury. A cadaver model.  J Bone Joint Surg Am. 1998;;  80 (4) 474-480
• 02 Basmajian  J V. Muscles alive, 2nd ed. Williams & Williams Baltimore; 1967
• 03 Basmajian  J V. Recent advances in the functional anatomy of the upper limb.  Am J Phys Med. 1969;;  48 165-177
• 04 Cain  P R, Mutschler  T A, Fu  F H, Lee  S K. Anterior stability of the glenohumeral joint. A dynamic model.  Am J Sports Med. 1987;;  15 144-148
• 05 Debski  R E, McMahon  P J, Thompson  W O, Woo  S L, Warner  J J, Fu  F H. A new dynamic testing apparatus to study glenohumeral joint motion.  J Biomech. 1995;;  28 869-874
• 06 Deutsch  A, Altchek  D W, Schwartz  E, Otis  J C, Warren  R F. Radiologie measurement of superior migration of the humeral head in impingement syndrome.  J Shoulder Elbow Surg. 1996;;  5 186-193
• 07 Gibb  T D, Sidles  J A, Harryman  D T, Mc Quade  K J, Matsen  F A. The effect of capsular venting on glenohumeral laxity.  Clin Orthop. 1991;;  268 120-127
• 08 Graichen  H, Bonel  H, Stammberger  T, Heuck  A, Englmeier  K-H, Reiser  M, Eckstein  F. A technique for determining the spatial relationship between the rotator cuff and the subacromial space in arm abduction using MRI and 3D image processing.  Magn Res Med. 1998;;  40 640-643
• 09 Graichen  H, Bonel  H, Stammberger  T, Haubner  M, Rohrer  H, Englmeier  K-H, Reiser  M, Eckstein  F. Three-dimensional analysis of the width of the subacromial space in healthy subjects and patients with impingement syndrome.  Am J Roentgenol. 1999;;  172 1081-1086
• 10 Graichen  H, Stammberger  T, Bonel  H, Haubner  M, Englmeier  K-H, Reiser  M, Eckstein  F. 3D MR based motion analysis of the supraspinatus and shoulder bones during elevation.  Clin Orthop.. 2000;;  370 154-163
• 11 Graichen  H, Stammberger  T, Bonel  H, Englmeier  K-H, Reiser  M, Eckstein  F. Glenohumeral translation during active and passive elevation of the shoulder - a 3D open-MRI study.  J Biomech . 2000;;  33 609-613
• 12 Habermeyer  P, Schweiberer  L. (Hrsg) Schulterchirurgie. Urban und Schwarzenberg München; 1996
• 13 Harryman  D T, Sidles  J A, Clark  J M, McQuade  K J, Gibb  T D, Matsen  F A. Translation of the humeral head on the glenoid with passive glenohumeral motion.  J Bone Joint Surg . 1990;;  72 A 1334-1343
• 14 Haubner  M, Eckstein  F, Lösch  A, Schnier  M, Sittek  H, Becker  C, Kolem  H, Reiser  M, Englmeier  K-H. A non-invasive technique for 3-dimensional assessment of articular cartilage thickness based on MRI-part II: Validation with CT arthrography.  Magn Reson Imaging. 1997;;  15 805-813
• 15 Howell  S M, Galinat  B J, Renzi  A J, Marone  P J. Normal and abnormal mechanics of the glenohumeral joint in the horizontal plane.  J Bone Joint Surg. 1988;;  70 A 227-232
• 16 Jerosch  J, Moersler  M, Castro  W H. Über die Funktion der passiven Stabilisatoren des glenohumeralen Gelenkes: Eine biomechanische Untersuchung.  Z Orthop. 1990;;  128 206-211
• 17 Jobe  F W, Jobe  J M. Painful athletic injuries of the shoulder.  Clin Orthop. 1983;;  173 117-124
• 18 Kronberg  M, Nemeth  G, Broström  L-A. Muscle activity and coordination in the normal shoulder. An electromyographic study.  Clin Orthop. 1990;;  257 76-85
• 19 Kronberg  M, Broström  L-A, Nemeth  G. Differences in shoulder musle activity between patients with generalized joint laxity and normal controls.  Clin Orthop. 1991;;  269 181
• 20 Lazarus  M D, Sidles  J A, Harrymann  D T, Matsen  F A. Effect of a chondral-Iabral defect on glenoid concavity and glenohumeral stabilitiy.  J Bone Joint Surg. 1996;;  78 A 94-102
• 21 Matsen  F A, Lipitt  S B, Sidles  J A, Harryman  D T. Practical evaluation and management of the shoulder. WB Saunders 1994
• 22 Minkoff  J, Stecker  S, Cavaliere  G. Glenohumeral instabilities and the role of MR imaging techniques. The orthopedic surgeon's perspective.  Magn Reson lmaging Clin N Am. 1997;;  5 767-785
• 23 Mizuno  K, Hirohata  K. Diagnosis of recurrent traumatic anterior subluxation of the shoulder.  Clin Orthop. 1983;;  179 160-167
• 24 Paletta  G A, Warner  J JP, Russel  F W, Deutsch  A, Altchek  D W. Shoulder kinematics with two-plane x-ray evaluation in patients with anterior instability or rotator cuff tearing.  J Shoulder Elbow Surg. 1997;;  6 516-527
• 25 Peh  W C, Farmer  T H, Tofty  W G. Acromial arch shape: Assessment with MR imaging.  Radiology. 1995;;  195 501-505
• 26 Poppen  N K, Walker  P S. Normal and abnormal motion of the shoulder.  J Bone Joint Surg. 1976;;  58 A 195-201
• 27 Rhoad  R C, Klimkiewicz  J J, Williams  G R, Kesmodel  S B, Udupa  J K, Kneeland  J B, Ianotti  J P. A new in vivo technique for three-dimensional shoulder kinematics analysis.  Skeletal Radiol. 1998;;  27 92-97
• 28 Rowe  C R, Zarins  B. Recurrent transient subluxation of the shoulder.  J Bone Joint Surg. 1981;;  63 A 863-872
• 29 Saha  A K. Dynamic stability of the glenohumeral joint.  Acta Orthop Scand. 1971;;  42 491-505
• 30 Sporrong  H, Palmerud  G, Herberts  P. Hand grip increases shoulder muscle activity.  Acta Orthop Scand. 1996;;  67 485-490
• 31 Van der Helm  F CT, Pronk  G M. Three-dimensional recording and description of motions of the shoulder mechanism.  J Biomech Engng. 1995;;  117 27-40
• 32 Warner  J JP, Deng  X H, Warren  R F, Torzilli  P A. Static capsuloligamentous restraints to superior-inferior translation of the glenohumeral joint.  Am J Sports Med. 1992;;  20 675-685
• 33 Wülker  N, Roetman  B, Plitz  W, Knop  C. Untersuchungen zur Funktion des M. supraspinatus an einem dynamischen Schultermodell.  Unfallchirurg. 1994;;  97 308-313
• 34 Wülker  N, Wirth  C J, Plitz  W, Roetman  B. A dynamic shoulder model: reliability testing and muscle force study.  J Biomech. 1995;;  28 489-499