基于四维CT探究无症状男性肩关节运动学的年龄相关性差异

《JSES International》：Exploring Age-Related Differences in Asymptomatic Male Shoulder Kinematics using Four-Dimensional Computed Tomography

本研究针对肩关节年龄相关性运动学差异这一临床问题，通过四维CT动态追踪技术，系统分析了<45岁与≥45岁男性群体在肩胛肱骨节律、盂肱关节与肩胛胸壁关节6自由度运动中的差异。研究发现老年组在盂肱关节平移活动度、肩胛骨中立位姿态等方面存在显著改变，为理解年龄相关的肩关节半脱位、疾病进展及康复策略提供了重要生物力学依据。

　　

随着年龄增长，许多人会感受到肩关节活动能力的变化——抬手穿衣变得费力，向后系扣子也成了挑战。这背后隐藏着肩关节复杂的生物力学奥秘。作为人体最灵活的多轴关节，肩关节通过盂肱关节（glenohumeral joint）和肩胛胸壁关节（scapulothoracic joint）的精密配合完成各类动作，其中盂肱关节贡献约三分之二的活动度，肩胛胸壁关节承担剩余三分之一，这种协调关系被称为肩胛肱骨节律（scapulohumeral rhythm）。然而现有研究多局限于单一平面内的静态测量，难以全面揭示年龄对动态肩关节运动的影响。

为此，加拿大西安大略大学研究团队在《JSES International》发表论文，创新性地采用四维计算机断层扫描（4-dimensional computed tomography, 4DCT）技术，对31名无症状男性志愿者进行动态肩关节运动分析。研究者将受试者分为<45岁和≥45岁两个队列，分别进行前举（forward elevation, FE）和背后内旋（internal rotation to the back, IR）两个典型动作的4DCT扫描，通过单椎体图像配准（single vertebra image based, SVIB）方法精确计算骨骼的六自由度（6 degrees-of-freedom, 6DoF）运动轨迹。

关键技术方法

研究采用GE Revolution CT扫描仪，先进行静态扫描获取中立位数据，再进行动态4DCT采集运动序列图像。通过3DSlicer软件重建肱骨、肩胛骨和T1椎体的三维模型，采用迭代最近点算法（iterative closest point algorithm）配准动态图像，建立局部坐标系系统量化关节运动。数据分析采用双因素混合方差分析（two-way mixed ANOVA）和独立样本t检验（independent t-tests）比较年龄相关差异。

运动学路径分析

结果显示两个动作中所有自由度均随时间呈现显著变化（p<0.05），证实了6DoF分析对全面理解肩关节运动的重要性。虽然年龄因素对大多数运动路径无显著影响，但肩胛骨侧向平移在IR动作中表现出年龄相关性差异（p=0.024）。

最大活动范围

FE动作中，老年组肱骨内旋活动度显著增加13°（p=0.033），而年轻组肩胛骨前移（9mm, p=0.022）和内旋（9°, p=0.021）幅度更大。IR动作中，年轻组肱骨头前移多1mm（p=0.05），老年组肩胛骨上移多8mm（p=0.006）。当以盂臼宽度百分比衡量时，老年组在所有方向的肱骨平移活动度均显著降低（p<0.05）。

中立位姿态

老年组肩胛骨呈现更显著的上移（7mm, p=0.05）、外旋（8°, p=0.009）和后倾（10°, p<0.001），肱骨位置也更靠前（2mm, p=0.007）。这种组合变化使老年组肩胛骨在肩胛骨平面（scapular plane）处于更上旋的姿态。

肩胛肱骨节律

两组在FE（年轻组2.1±0.8 vs 老年组2.6±1.3）和IR（2.3±0.9 vs 1.9±0.9）动作中的节律比无显著差异，但数值趋势提示老年组在IR动作中更依赖肩胛胸壁关节代偿。

讨论与意义

研究表明年龄相关的肩关节运动改变不仅体现在活动度下降，更表现为中立位姿态的系统性偏移。老年组肱骨平移活动度的普遍降低可能与关节退变、软组织弹性下降及肌肉力量减弱等多因素相关。而肩胛骨中立位的上旋改变可能是对盂肱关节功能下降的代偿性调整，这一发现对理解年龄相关肩关节疾病的发生机制具有重要启示。

特别值得关注的是背后内旋动作的研究结果，这对全肩关节置换术（total shoulder arthroplasty, TSA）后的功能恢复具有指导意义。目前术前规划软件大多未考虑肩胛胸壁关节的运动特性，而本研究证实该关节贡献了约三分之一的总活动度。同时发现的肱骨头平移现象（3-5mm）提示当前球形假体设计可能存在局限性，支持了允许生理性平移的非球形假体的开发理念。

该研究首次采用4DCT技术全面量化了肩关节多自由度的年龄相关性差异，为临床评估肩关节功能提供了新的生物力学指标。这些发现不仅深化了对年龄相关肩关节变化机制的理解，也为假体设计改进和个性化康复方案制定提供了科学依据。未来研究需要进一步探索软组织特性改变与运动学变化的内在联系，并拓展到女性人群及病理状态下的肩关节运动分析。