脊髓损伤患者使用手动轮椅推进时肌肉的工作情况：一种基于模型的研究方法

《Journal of Electromyography and Kinesiology》：Muscle work during manual wheelchair propulsion in people with a spinal cord injury: a model-based approach

　　摘要
手动轮椅使用者由于推进过程中的重复性需求，极易发生肩部病变。了解各肌肉的贡献对于改进康复策略和预防过度使用损伤至关重要。本研究采用建模方法，评估了脊髓损伤患者在推动和恢复阶段推动轮椅时各肌肉（尤其是旋转袖肌肉）对机械功的贡献。我们使用了OpenSim中的胸肩模型，该模型包含了精确的肩胛骨运动学数据以及以往模型中常被忽略的肌肉，如前锯肌、斜方肌和菱形肌。通过对五名截瘫患者的实验数据进行分析，估计了这些肌肉的功。在推动阶段，主要贡献者是前三角肌、胸大肌、冈下肌和前锯肌；而在恢复阶段，则主要涉及肩胛下肌、大圆肌、斜方肌、后三角肌和中三角肌。冈上肌没有表现出机械功，且旋转袖肌肉的整体贡献低于之前的报告。模型输出通过备用执行器的贡献和功率比进行了验证，并通过计算结果与实际肌肉激活情况进行了对比。此外，我们的发现支持将前锯肌、斜方肌和菱形肌等驱动肩胛骨的肌肉纳入上肢肌肉骨骼模型的重要性。

引言
轮椅使用者在日常活动中面临肌肉和关节过度负荷的风险，这可能导致肩痛和功能障碍[Curtis等，1999；Arnet等，2025]。手动轮椅使用者的肩部问题（如疼痛和组织病变）发生率很高，例如40%-80%的人报告有肩痛[Bossuyt等，2024；Liampas等，2021]，50%的人有旋转袖撕裂[Akbar等，2011]，42%-80%的人有肩锁关节关节炎[Akbar等，2010；Arnet等，2022]。推动轮椅是一项主导且不可避免的活动，因此，理解其生物力学机制是预防长期使用轮椅相关损伤的关键。此外，研究轮椅推进方式显著影响依赖轮椅移动者的生活质量。例如，高效的推进方式可以增强独立性并使其能够参与各种活动[Flies-Douer等，2012]。与普通人群相比，依赖手动轮椅的脊髓损伤患者发生肩部病变的风险显著增加[Liampas等，2021]。这种风险增加主要是由于日常活动（如推动轮椅）对上肢关节和肌肉造成的重复性和高机械负荷[Curtis等，1999]。导致肩痛的因素包括性别、损伤的严重程度和完整性、并发症（如痉挛、挛缩和抑郁）、受伤时间以及轮椅使用时间[Bossuyt等，2024]。随着时间的推移，过度的重复性负荷可能导致代偿机制[Bossuyt等，2020]、肌肉不平衡、过度使用损伤以及退行性病变（如旋转袖撕裂、撞击和骨关节炎[Boninger等，1999]）。确定哪些肌肉在推进过程中起主要作用不仅有助于设计符合人体工程学的轮椅，还有助于制定康复和训练计划。认识到各肌肉对推进的贡献可以设计出减少特定肌肉群负担的轮椅，从而预防过度使用、损伤并提高推进效率[Mulroy等，2005]。此外，识别易过度使用的肌肉有助于为轮椅使用者制定针对性的康复和训练计划。治疗师可以根据这些肌肉定制锻炼计划，以增强它们的功能并改善推进技术，最终减少对肩部的相对负荷[Mulroy等，2004；Rankin等，2012]。然而，关于各肌肉对轮椅推进的具体贡献仍存在不确定性。

图1所示的轮椅推进周期包括两个阶段：推动阶段，双手接触推进弧并传递机械动力给轮子；以及恢复阶段，双手重新定位为下一个推进周期做准备[Kwarciak等，2011]。（见表1、表2。）在推动阶段，使用细线肌电图(EMG)[Mulroy等，1996；Mulroy等，2004]和肌肉骨骼建模[Rankin等，2011；Rankin等，2012；Veeger等，1991]的研究一致认为前三角肌和胸大肌是主要贡献者。早期的轮椅推进模型[Veeger等，1991；van der Helm，1994]，特别是代尔夫特肩肘模型(DSEM)，在评估盂肱关节接触力和肌肉力量方面发挥了重要作用，强调了旋转袖肌肉的关键作用[Mulroy等，1996；van der Helm和Veeger，1996]。尽管这些模型区分了旋转袖肌肉的稳定作用和推进作用，但并未完全区分它们。使用SIMM斯坦福VA模型的研究进一步证明了旋转袖肌肉的显著力量[Slowik等，2016a]，以及前三角肌和后三角肌的贡献[Rankin等，2011；Rankin等，2012]。然而，这些模型没有纳入肩胛胸运动性、盂肱关节稳定性限制，或者排除了前锯肌、大菱形肌和上/中斜方肌等在肩胛骨运动和肩部稳定性中起关键作用的胸肩肌肉。此外，通过细线EMG研究证实了这些胸肩肌肉在轮椅推进中的作用，表明不应将它们排除在模型之外[Mulroy等，1996；Mulroy等，2004]。为了解决这一难题，Odle等人在OpenSim中开发了一个包含这些肌肉的个性化上半身模型[Odle等，2019]。与先前的研究结果不同，他们认为旋转袖肌肉和前锯肌是主要贡献者，而不是前三角肌和胸大肌。在推动阶段，还记录到了高水平的上臂二头肌活动[Dubowsky等，2008]以及肌肉力量[Lin等，2004]。van Drongelen等[van Drongelen等，2005]和Vegter等[Vegter等，2015]的研究使用了健康参与者的数据，分析了推动阶段的高水平三头肌力量。有争议的是，Rankin等[Rankin等，2001；Rankin等，2012]在常规轮椅使用者的恢复阶段测量到了高水平的三头肌和二头肌力量。后三角肌和旋转袖肌肉（特别是肩胛下肌[Rankin等，2001；Rankin等，2012]以及冈上肌[Lin等，2004；Veeger等，2002]被确定为恢复阶段的关键因素。这些发现强调了旋转袖肌肉不仅在推动阶段，而且在整个恢复阶段都起着关键作用，这一点在评估肌肉力量[Veeger等，2002；Lin等，2004；Odle等，2019]和功率[Rankin等，2001；Rankin等，2012；Slowik等，2016a]的研究中得到了证实。相比之下，多项使用细线EMG或运动学方法的研究一致认为，在恢复阶段中三角肌和中斜方肌的激活水平较高[Mulroy等，1996；Mulroy等，2004；Qi等，2018]。

通常有两种运动学方法用于模拟肩胛骨。第一种方法限制肩胛骨沿胸壁表面滑动[van der Helm，1994]，这种方法已应用于之前的轮椅推进分析[Veeger等，1991；van Drongelen等，2005；Vegter等，2015]。第二种方法通过基于上臂抬高的回归方程定义肩胛骨和锁骨的方向[Holzbaur等，2005；Odle等，2011]，这种方法也用于轮椅推进研究[Rankin等，2011；Slowik等，2016a；Odle等，2011]。然而，Seth等人认为这两种方法都不能充分捕捉肩胛骨的运动学特性，并展示了与骨骼轨迹相匹配的肩胛胸关节[Seth等，2016]。关节类型或运动学约束的选择对肌肉的作用至关重要；例如，如果肩胛骨旋转与上臂抬高耦合，则肩胛骨没有外展/内收或抬高/下降，从而降低了胸肩肌肉的功能。分析肌肉活动的研究提供了关于肌肉激活时机和强度的见解，但未能解释这种激活如何转化为运动和机械功。虽然高水平的肌肉激活可能表明肌肉使用广泛，但这并不一定意味着轮椅推进的动力学和能量转换[Rankin等，2011；Vegter等，2015]。相比之下，分析肌肉功率和机械功贡献可以确定哪些肌肉积极参与推进，同时考虑了力量生成和运动速度[Rankin等，2011；Vegter等，2015]。因此，这突显了肌肉贡献在机械输出方面的效率，从而提供了关于轮椅推进动力学的见解[Rankin等，2011]。虽然已经使用多种方法分析了各肌肉对手动轮椅推进的贡献，但对于肩胛骨活动时各肌肉（特别是旋转袖肌肉）的具体作用仍无共识。因此，本研究的目的是应用建模方法来评估脊髓损伤患者在推动和恢复阶段推动轮椅时各肌肉（尤其是胸肩和旋转袖肌肉）对机械功的贡献。为此，我们使用了一个改进了肩胛胸运动学和肌肉表示（菱形肌、前锯肌、斜方肌）的OpenSim肌肉骨骼模型，并将其应用于Bossuyt等人之前未发表的组合运动学、动力学和EMG数据[Bossuyt等，2020]，该数据之前仅报告了组合动力学(SmartWheel)和EMG数据[Bossuyt等，2020；Minder等，2023]、组合运动学和动力学数据[De Vries等，2025]，并使用了快速肌肉冗余(RMR)求解器并施加了盂肱关节约束。这种方法组合为脊髓损伤患者的肌肉级推进贡献提供了新的见解。

方法
基于胸肩模型[Seth等，2019]，我们改进了上臂二头肌和三头肌的表示，并应用了一种新的快速肌肉冗余(RMR)求解器，该求解器结合了盂肱关节稳定性约束[Belli等，2023]，应用于之前未发表的组合运动学、动力学和EMG数据[Bossuyt等，2020]。与忽略或大幅简化肩胛骨运动的先前模型不同，这种方法量化了...

结果
肌肉骨骼模型成功缩放以匹配参与者的尺寸。在应用逆运动学计算轮椅推进期间的关节角度后，所有参与者的模型标记在整个运动过程中的均方根误差小于1厘米，符合软组织伪影的最大允许误差1厘米[Chiari等，2005]。对三头肌和上臂二头肌的肌肉属性进行了调整，以确保...

讨论
我们框架中的基于模型的估计提供了关于轮椅推进过程中肌肉贡献的初步见解。我们提出了一个更全面的OpenSim肌肉骨骼模型，其中包含了前锯肌、斜方肌和菱形肌，这些肌肉对轮椅推进过程中所做的功都有显著贡献。这一模型的扩展进一步增强了我们对轮椅推进过程中肩部负荷的理解。

结论
我们提出了一个更全面的OpenSim肩部模型，展示了脊髓损伤患者在手动推动轮椅时胸肩肌肉的重要功能。我们估计了各肌肉的工作情况，在推动阶段，发现前三角肌、胸大肌、冈下肌和前锯肌的贡献最大。而在恢复阶段，主要涉及大圆肌、肩胛下肌、斜方肌...

致谢
本项目部分由授予编号2022-252796的资助支持。塞斯（Seth）来自Chan Zuckerberg Initiative DAF基金，该基金由Silicon Valley Community Foundation资助，项目编号为2024-096，资金来源于FAST基金，而FAST基金又隶属于Delft University Fund。资助方并未参与研究设计、数据收集与分析、发表决策或手稿的准备工作。本项目得到了社区生活管理部门（Administration on Community Living）的支持。

在撰写本论文期间，作者Guiomar Santos Carvalho使用了Perplexity AI工具来协助纠正拼写和语法错误。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容承担了全部责任。

作者：Guiomar Santos Carvalho | Italo Belli | Francesca M. Bossuyt | Wiebe de Vries | Ajay Seth