基于肌骨仿真的盂肱关节稳定性建模：一项与体内接触力测量的验证研究

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Modeling glenohumeral stability in musculoskeletal simulations: A validation study with in vivo contact forces

本研究针对肌骨仿真中传统优化方法预测的肩关节接触力可能违反稳定性要求的问题，研究人员系统评估了多种盂肱关节（GH）稳定性建模方法。通过将仿真结果与Orthoload数据集的体内接触力测量值对比，发现连续惩罚模型能够更准确地预测接触力方向和幅度，为肩关节生物力学研究提供了更合理的稳定性建模框架。

　　

肩关节作为人体活动范围最大的关节，其稳定性维持一直是个复杂的生物力学难题。盂肱关节（Glenohumeral Joint, GH）的解剖结构特殊——肱骨头如同一个高尔夫球放置在小小的球座上，这种浅碟状的关节盂仅能覆盖肱骨头表面积的三分之一。这种结构在赋予肩关节极大活动度的同时，也使其成为人体最容易发生脱位的关节之一。

在临床实践和生物力学研究中，准确评估肩关节稳定性对理解肩部损伤机制、优化手术方案以及设计康复策略都至关重要。然而，传统的肌骨系统仿真方法在解决肌肉冗余问题时存在明显局限：预测的肩关节接触力往往偏离关节盂的生理范围，甚至直接指向关节盂边缘之外，这与实际的生物力学原理相悖。

问题的核心在于如何准确建模盂肱关节的稳定性机制。现有的建模方法主要分为两类：一是通过不等式约束将关节接触力的方向限制在预设的稳定性边界内；二是在目标函数中加入惩罚项，对偏离关节盂中心的接触力方向进行适度"劝阻"。但这些方法孰优孰劣，缺乏与金标准体内测量数据的直接对比验证。

为此，研究团队在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表了这项创新性研究，系统比较了多种盂肱关节稳定性建模方法的预测准确性。研究团队采用了一个经过验证的肩胸廓肌骨模型，该模型包含了33块肌肉单元，并采用了新颖的肩胸关节运动学 formulation。

研究的关键技术方法包括：利用Orthoload数据库中植入式肩关节假体测量的体内接触力数据作为金标准；采用快速肌肉冗余（Rapid Muscle Redundancy, RMR）求解器解决肌肉力分配问题；测试了7种不同的稳定性建模方法，包括点约束、圆形边界、椭圆边界、多项式边界等约束方法，以及条件惩罚、连续平面惩罚和连续曲线惩罚等惩罚方法；通过逆向运动学和逆向动力学计算关节角度、速度和加速度。

研究结果

GH-JCF幅度预测：所有稳定性模型（除点约束模型外）预测的接触力幅度与体内测量值具有相对较好的一致性。无稳定性约束的模型在侧平举和前平举任务中低估了接触力幅度，而后平举任务中则出现高估。点约束模型由于过度严格的约束，导致接触力幅度被严重高估（误差达91-126%BW）。其他边界模型和惩罚模型的预测误差相对较小，RMSE在18-59%BW之间。

GH-JCF方向预测：无稳定性约束时，预测的接触力方向严重偏离关节盂，最大偏移达13cm，这在生理上是不可行的。边界约束模型（圆形、椭圆、多项式）预测的接触力方向往往紧贴稳定性边界的上缘，这与体内测量显示接触力方向位于关节盂中心区域的结果不符。连续惩罚模型预测的接触力方向最接近体内测量值，能够产生位于关节盂内部的合理方向。

肩袖肌群激活：所有稳定性模型都显著提高了肩袖肌群的预测激活水平，这与这些肌肉在维持关节稳定性中的生理作用一致。点约束模型由于过度严格的约束，导致了不合理的肌肉协同收缩水平。连续惩罚模型预测的肌肉激活模式更为合理，能够反映肩袖肌群在动态任务中的协调活动。

敏感性分析：稳定性边界的大小和惩罚项权重的选择对预测结果有显著影响。减小边界尺寸或增加惩罚权重会使接触力方向更接近关节盂中心，同时增加肩袖肌群的激活水平，反之亦然。这强调了模型参数选择的重要性。

研究结论与意义

本研究通过系统验证不同盂肱关节稳定性建模方法，明确了连续惩罚模型在预测准确性和生理合理性方面的优势。与传统的边界约束方法相比，连续惩罚模型不仅能够产生位于关节盂内部的合理接触力方向，还能更准确地预测接触力幅度和肌肉激活模式。

这一发现对肩关节生物力学研究和临床实践具有重要意义。在科学研究层面，该研究为肌骨仿真中的稳定性建模提供了新的思路和方法论框架，解决了长期存在的肌肉协同收缩低估问题。在临床应用方面，改进的稳定性模型能够更准确地预测肩关节植入物的力学环境，为假体设计和手术规划提供可靠的计算工具。

研究的创新之处在于首次系统地将多种稳定性建模方法与金标准的体内测量数据进行对比，为模型验证设立了新的标准。同时，研究采用的胸廓肩胛模型包含了经过验证的肩胸关节运动学 formulation，提高了仿真的生物力学真实性。

然而，研究也存在一定局限性。使用的数据来自单侧半肩关节置换术后的患者，手术改变了正常的关节几何和软组织约束。模型简化了关节的复杂几何特征，未考虑肱骨头平移和关节唇的影响。此外，缺乏深层肌肉的肌电数据限制了肌肉激活预测的直接验证。

未来研究可在此基础上进一步优化模型，如加入韧带约束、改进肌肉几何建模，并结合更多受试者的数据和精细的肌电测量，不断提升模型的预测能力和临床应用价值。这项研究为肩关节生物力学仿真建立了新的基准，推动了该领域向更高精度和更强临床适用性的方向发展。