通过采用一种新颖的胸锁关节后旋估计方法来实现肩锁韧带和喙锁韧带的建模，可提高肩部肌肉骨骼模拟中模拟肌肉激活与表面肌电图之间的一致性

《Journal of Biomechanics》：Implementing acromioclavicular and coracoclavicular ligaments with a novel sternoclavicular posterior rotation estimation approach improves agreement between simulated muscle activation and surface electromyography in shoulder musculoskeletal simulation

　　

摘要

肩锁（AC）韧带和喙锁（CC）韧带在肩部稳定中起重要作用，但在肌肉骨骼（MSK）模拟中它们常被忽略。由于韧带张力取决于锁骨-肩胛骨的运动学关系，胸锁关节后旋（SCpr）的估计方式可能影响在引入AC-CC韧带时模拟的肌肉激活。本研究旨在确定AC-CC韧带引入方式和SCpr估计方法如何影响上举-下放过程中模拟肌肉激活与表面肌电图（sEMG）之间的一致性。八名健康男性在冠状面、肩胛骨平面和矢状面进行上举-下放动作，分别在无负重和2公斤负重条件下完成。我们记录了上肢和胸廓的三维标记点轨迹以及盂肱关节、肩胸关节和胸锁关节周围肌肉的sEMG。在四种条件下进行逆动力学MSK模拟，这四种条件分别组合了韧带引入方式（有无韧带）和SCpr估计方法。"可忽略AC旋转"方法假设AC旋转不对肩胸旋转作出贡献，并通过优化来估计SCpr以最小化残余AC旋转；而"不可忽略AC旋转"方法则在考虑文献中AC对肩胸旋转的贡献并将其去除后，通过优化估计SCpr。一致性通过约束动态时间规整（DTW）后的Pearson相关系数r进行量化。韧带引入与非可忽略AC方法相结合的条件（Lig-NonNegAC）在无负重任务的36个肌肉-平面组合中26个达到r ≥ 0.5，负重任务中达到23/36，对应三个上举平面中的12块肌肉。仅在可忽略AC假设下引入韧带并不能持续改善一致性。这些结果表明，将AC-CC韧带引入与非可忽略AC方法相结合可以改善过头上举-下放过程中模拟肌肉激活与sEMG波形之间的一致性。

引言

肩部功能依赖于锁骨、肩胛骨和肱骨的协调运动，而损伤可能破坏这种协调性（Kibler et al., 2012, Veeger and van der Helm, 2007）。肩锁（AC）关节损伤涉及AC韧带和喙锁（CC）韧带的失效，预后取决于恢复稳定性及联动运动（Berthold et al., 2022, Kibler and Sciascia, 2022, Skjaker et al., 2021）。这些韧带在上举过程中引导锁骨-肩胛骨的相对运动，但由于张力难以量化，其体内的功能尚不明确（Fleming and Beynnon, 2004, Velasquez Garcia et al., 2023）。

肌肉骨骼（MSK）模拟，包括基于逆动力学和正动力学的多种方法，可以估计运动过程中韧带和肌肉的功能（Seth et al., 2018, Uhlrich et al., 2023）。尸体研究已表明AC-CC韧带限制了AC关节的运动（Debski et al., 2000, Fukuda et al., 1986, Oki et al., 2012），且多束结构允许方向特异性旋转同时限制其他运动（Sahara et al., 2006）。然而，以前的肩部MSK模型可能将AC关节表示为理想球形关节，不包含产生力的AC-CC韧带元件（Chen et al., 2021, Song et al., 2018）；因此这些模型限制了AC关节的平移但不限制旋转。

当AC-CC韧带被引入基于逆动力学的MSK模拟中时，韧带张力强烈依赖于锁骨-肩胛骨的运动学输入，而这些输入会受到皮肤运动伪影的影响（Karduna et al., 2001, Ludewig et al., 2009）。在这些输入中，胸锁关节（SC）后旋（SCpr）无法直接通过触诊标志确定，因为仅有SC和AC关节提供可识别的锁骨标志（Wu et al., 2005）。因此肩部模型要么将SCpr作为广义坐标忽略，要么对其进行估计。一种广泛使用的方法假设AC旋转可忽略不计，并通过最小化残余AC旋转来估计SCpr（van der Helm & Pronk, 1995）。然而，肩胸（ST）运动代表肩胛骨相对于胸廓的运动，是由SC关节和AC关节的运动学联动所产生的。对于ST上回旋，AC上回旋、SCpr和SC抬升是主要组成部分；在上举初期阶段，AC旋转贡献了84.2%的ST旋转（Lawrence et al., 2020）。因此，使用全部测得的ST旋转来估计SCpr并同时最小化AC旋转，会将ST旋转中由AC产生的部分归因于SC旋转，从而导致SCpr被高估（Aimi & Nakamura, 2023）。

因此，研究者提出了一种"不可忽略AC"方法（Aimi & Nakamura, 2023）。该方法使用已发表的运动学贡献比例来修正测得的ST旋转，仅保留归因于SC旋转的部分，称为部分ST旋转。由于SC抬升和后缩是可测量的，SCpr是剩余的未知量，需通过优化来估计，使得结果中锁骨的姿态与部分ST旋转一致。由此得到的SC旋转因此排除了完整测得ST旋转中由AC产生的部分，保留了SC与完整测得ST姿态之间的相对旋转来表示AC旋转。与磁共振成像（MRI）获得的SCpr相比，该方法在过头上举过程中的均方根误差低于"可忽略AC"方法（6.8° vs. 22.7°）。这种运动学输入的改善在MSK模拟中包含AC-CC韧带时可能具有重要意义。

因此，本研究旨在确定在基于逆动力学的肩部MSK模拟中，AC-CC韧带的引入方式以及SCpr估计方法（可忽略或不可忽略AC旋转）如何影响冠状面、肩胛骨平面和矢状面上举-下放过程中模拟肌肉激活与测量sEMG之间的一致性。我们假设，在不可忽略AC旋转假设下估计SCpr时，韧带引入能最显著地改善模拟肌肉激活模式。

章节摘要

实验数据采集与处理

八名健康右利手男性（年龄25.3 ± 2.4岁，身高1.70 ± 0.06米，体重64.3 ± 8.7公斤），无肩部疾病史，参与了本研究并提供了书面知情同意。本研究经同志社大学伦理委员会于2021年7月14日批准（编号：21022）。

参与者分别在冠状面、肩胛骨平面（冠状面前方30°）和矢状面尽可能高地举起右臂，然后放下至休息位置。对于每个平面，参与者

结果

在上举过程中，"可忽略AC"方法估计的SCpr大于"不可忽略AC"方法（图3）。除SCpr外的所有运动在四种条件下完全一致（补充图S1）；因此，两种NegAC条件共享同一SCpr估计值，两种NonNegAC条件共享另一个SCpr估计值。六个任务中韧带引起的AC关节力矩总范数的平均峰值在Lig-NonNegAC条件下大于Lig-NegAC条件（1.11 vs. 0.04 N·m/kg；图4）。

经约束DTW处理后，图5显示

讨论

本研究考察了在基于逆动力学的肩部MSK模拟中，AC-CC韧带的引入方式以及SCpr估计方法如何影响模拟肌肉激活与测量sEMG之间的一致性。Lig-NonNegAC条件产生了最多达到$r\ge 0.5$的肌肉-平面组合（图6）。仅引入韧带并不能持续改善一致性，而仅改变SCpr估计方法影响甚微。因此，这些发现可能为考虑

CRediT作者贡献声明

Aimi Takayuki：撰写-原稿、可视化、软件、项目管理、方法论、调查、资助获取、形式分析、数据整理、概念构思。Ueda Atsushi：撰写-审阅与编辑、方法论。Nakamura Yasuo：撰写-审阅与编辑、监督、资源。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

感谢所有参与本研究的人员。

Aimi Takayuki|Ueda Atsushi|Nakamura Yasuo