《Journal of Biomechanics》：Investigating glenohumeral joint forces using a population-based musculoskeletal model combined with a shoulder statistical shape approach
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肩部解剖结构在个体间存在差异，影响盂肱关节（GHJ）生物力学。肌肉骨骼（MSK）模型可以模拟这些内部载荷，这些载荷依赖于解剖和动态约束。虽然MSK模型通常是个性化的，但人群覆盖范围通常有限。统计形状模型（SSMs）可以捕捉人群水平的解剖变异性并研究其对关节力的
肩部解剖结构在个体间存在差异，影响盂肱关节（GHJ）生物力学。肌肉骨骼（MSK）模型可以模拟这些内部载荷，这些载荷依赖于解剖和动态约束。虽然MSK模型通常是个性化的，但人群覆盖范围通常有限。统计形状模型（SSMs）可以捕捉人群水平的解剖变异性并研究其对关节力的影响。然而，大多数基于SSM的MSK应用关注病理案例，并忽略了一个或多个肩部骨骼。研究人员开发了一个基于人群的MSK模型，整合了三块肩骨SSM（肱骨、肩胛骨、锁骨），以评估GHJ力的变异性及其对身体指标（身高、BMI）和外部载荷的敏感性。来自61名受试者（29名男性、32名女性，36.1±14.3岁）的3D肩骨和身高被纳入SSM。SSM生成了500个实例，用于非均匀缩放一个通用MSK模型。在90°外展和前屈运动中，分别测量了有无手持重量（0.1–3 kg）时的GHJ力（均值±标准差，极值）。峰值力对身体指标和手持重量进行回归分析。人群力与文献值一致（90°前屈：83.7±17.7 %BW，90°外展：52.8±9.6 %BW），载荷下力增加（高达三倍），而极端案例与身体指标相关。无负重峰值力与身体指标中等相关（R2～0.50），而有负重峰值力与身体指标和外部载荷强相关（R2～0.89）。基于SSM的人群模型通过对解剖参数空间的密集采样提供详尽的统计和稳健的回归。通过研究更大的队列，人群模型扩展了结果的普适性，同时减轻了临床数据限制，使其成为计算机临床试验的有前景工具。
**研究背景与意义**
肩部解剖结构在个体间存在显著变异，直接影响盂肱关节（glenohumeral joint, GHJ）的生物力学特性。尽管肌肉骨骼（musculoskeletal, MSK）模型能够非侵入性地预测关节力，但传统方法多依赖个性化建模，难以覆盖人群范围的解剖多样性，导致结果普适性受限。统计形状模型（statistical shape model, SSM）可捕捉群体水平的解剖变异，但现有应用多聚焦于病理案例且常忽略部分肩骨（如锁骨）。为此，研究人员基于61名健康受试者的肩骨数据（29男、32女，年龄36.1±14.3岁），构建包含肱骨、肩胛骨和锁骨的多骨SSM，并结合基于人群的MSK模型，系统评估GHJ力对身体指标（身高、体重指数BMI）和外部载荷（手持重量0.1–3 kg）的敏感性。该研究发表于《Journal of Biomechanics》，旨在验证模型的有效性，并通过密集采样解剖参数空间获取全面统计结果，为计算机临床试验提供工具。
**关键技术与方法**
研究人员采用以下主要技术方法：
- 构建多骨SSM：基于61例肩骨CT/MRI数据（来源包括Greenslopes私立医院、Kenneth Cutbush肩部诊所及癌症影像档案），通过主成分分析提取14个主成分，生成500个解剖实例。
- 生成人群MSK模型：利用SSM实例计算非均匀缩放因子，应用于通用肩部MSK模型（OpenSim scapulothoracic模型），并随机分配BMI（18.5-30）和手持重量。
- 逆动力学模拟：采用单一受试者运动学数据，通过快速肌肉冗余求解器（RMR solver）计算GHJ力，并与Orthoload仪器植入数据对比验证。
**研究结果**
**3.1 盂肱关节力验证**
通过与Orthoload实验数据对比，人群模型在前屈运动中GHJ力与文献无显著差异（p>0.05），但在外展运动中平均低约13%（p<0.05）。该差异可能源于实验数据受试者更高的BMI和体质量（27.7±6.2 kg/m2 vs 24.2±3.2 kg/m2），或单一受试者运动数据的局限性。结果表明模型能复现文献报道的GHJ力范围（90°前屈：83.7±17.7 %BW，90°外展：52.8±9.6 %BW）。
**3.2 每运动下的盂肱关节力**
无负重时，90°前屈和90°外展的峰值GHJ力分别为587.1±172.8 N和369.2±97.1 N；添加0.1–3 kg手持重量后，峰值增至1267.7±402.8 N和779.4±232.8 N（约三倍）。极端案例（最大/最小力值）与身高和BMI显著关联（如最大力对应BMI 28.3 kg/m2、身高1.81 m）。
**3.3 最大绝对盂肱关节力与身体指标和外部力的相关性**
线性回归分析显示：
- 无负重峰值力与身体指标中等相关（R2=0.50-0.51），身高和BMI贡献相当（各约50%）。
- 有负重峰值力与身体指标及外部载荷强相关（R2=0.86-0.89），外部载荷贡献约70%，身体指标贡献约30%。
- 峰值力差值与身体指标和外部载荷相关性最强（R2=0.99），其中外部载荷占主导（约95%），身高和BMI贡献较小。
**讨论与结论**
讨论指出，人群模型通过500个解剖实例提供了全面的GHJ力统计（均值、标准差、极值），弥补了小样本队列中极端或代表性不足人群的缺失。尽管与仪器数据存在外展偏差，但整体结果验证了模型的有效性。身体指标和外部载荷的强相关性表明，基于人群的模型能稳健预测GHJ力变化，尤其在有负重场景下。然而，模型存在局限性：SSM样本量有限（61例），未纳入详细骨骼特征（如肱骨版本角、关节盂方向），排除肥胖或体重过轻者（BMI 18.5-30），且采用单一受试者运动数据。未来可扩展至日常活动、性别分层及更多运动任务。
研究结论（翻译）：本研究开发并验证了一个基于人群的肌肉骨骼（MSK）模型，包含500个个体，使用多块肩骨统计形状模型（SSM），以研究盂肱关节（GHJ）力对解剖和外部载荷参数的敏感性。该模型捕捉了较小队列中可能缺失的统计描述符，包括代表性不足或极端的人口特征。解剖变异性的密集表示也加强了峰值力与身高、体重指数（BMI）和外部载荷之间的相关性。尽管集中于骨骼形状变异，本研究作为概念验证，为MSK模型中大规模解剖表示奠定了基础，支持更广泛的人群覆盖，从而增强了其在临床试验中的潜在应用性。
