人类肩关节刚度的三维姿态特征及性别差异研究

研究背景

肩关节是人体结构中最复杂的关节之一，肩关节的稳定性对于手臂运动的有效控制至关重要，包括肘部和手腕等远端关节的自然控制以及日常活动中的精细手部功能。肩关节的稳定性是通过骨骼、韧带、肌腱和肌肉的复杂相互作用来实现的，其中刚度是对外部干扰提供阻力的特性。近年来研究表明，女性在职业和运动中肩部受伤的发生率更高，这提示肩关节刚度可能存在性别差异。然而，在多维空间中，尤其是三维（3D）空间中，对肩关节刚度及其性别差异的研究尚未充分开展。

论文来源

该研究由Seunghoon Hwang、Dongjune Chang、Aditya Saxena、Ellory Oleen、Soe Lin Paing、John Atkins 和Hyunglae Lee等学者共同完成，文章发表于2023年IEEE Transactions on Biomedical Engineering期刊。

研究目的

本研究的主要目的是在三维空间中表征肩关节刚度，特别是在肌肉放松状态下，并探讨其性别差异，这将有助于理解肩关节在性别依赖性肩关节稳定性和肩部受伤风险中的作用。

研究方法

参与者

本研究招募了40名健康参与者，包括20名男性（年龄：24.8±2.6岁，身高：171.1±11.5厘米，体重：67.5±8.1千克）和20名女性（年龄：23.8±4.1岁，身高：163.8±8.5厘米，体重：58.9±7.3千克）。所有参与者均为右撇子，没有神经肌肉障碍或肩部受伤史。亚利桑那州立大学伦理委员会批准了本研究，并在数据收集前取得了每位参与者的书面知情同意。

实验设置

研究使用了一种定制设计的肩部外骨骼机器人（4条杆球形并联操作器4B-SPM），能够在三维空间内产生肩关节的旋转运动，通过传感器测量肩关节在特定姿态下的姿态和力矩。为了保证测量的准确性，使用了Vicon Nexus2三维运动捕捉系统和6轴力/力矩传感器。同时，实验中对肩部主要肌肉（前部三角肌、中央三角肌和后部三角肌）的肌电活动进行了监测，以确保参与者在实验过程中保持肌肉放松状态。

实验流程

在实验开始前，先确定了肩部主要肌肉的最大自主收缩（MVC）。实验包括15种手臂姿态，分别涉及肩部的不同水平屈伸和水平外展/内收角度。在每种姿态下，参与者维持45秒钟不受主动肌肉控制的纯被动运动状态，机器人以2°的均方根和3Hz的截止频率错误角对肩关节施加小量姿态扰动。

数据分析

采用冲激响应函数（IRF）来量化输入姿态扰动与输出力矩响应之间的关系，并通过短数据段系统识别方法估算IRFs。肩关节的刚度通过积分IRFs来估算，并通过方差解释百分比（VAF）来评估刚度估算的质量。

研究结果

姿态对肩关节刚度的影响

两因素重复测量方差分析（ANOVA）结果显示，手臂姿态对肩关节刚度有显著影响（p < 0.001）。肩关节的刚度在肩部屈曲角度减小时增加，在接近肩关节活动范围极限时也增加。例如，在45°、67.5°和90°屈曲角度下，刚度分别为17.4±3.3、12.7±1.7和10.3±1.9 N·m/rad。

性别差异的研究

混合方差分析（Mixed ANOVA）结果显示，性别对肩关节刚度有显著影响（p < 0.001），男性的肩关节刚度高于女性。此外，身体质量归一化的刚度数据也显示了显著的性别差异（p < 0.001），表明性别差异不仅仅由体重差异引起。在所有15种姿态中，性别差异在12种姿态中达到统计显著性水平。

分析讨论

本研究表明，即使在肌肉放松状态下，肩关节刚度在不同手臂姿态下也存在显著差异，这主要归因于肩关节的固有物理特性，而不是神经控制或肌肉反射的补偿。此外，研究首次系统性地揭示了男性和女性之间肩关节刚度的显著差异，这一发现对理解性别依赖的肩关节力学特性及相关风险具有重要意义。

研究结论

该研究提供了肩关节刚度在三维空间中随手臂姿态变化及其性别差异的基础数据，为未来在各种任务条件下（如动态肩部运动、肌肉共收缩）表征肩关节刚度的研究奠定了基础。研究结果将在物理治疗、康复机器人和助力机器人等多个领域产生重要影响。

研究亮点

• 首次系统性地表征了三维空间中肩关节刚度及其性别差异。
• 采用了定制的肩部外骨骼机器人，提供了对肩关节物理特性的精准测量。
• 揭示了肩关节刚度的姿态依赖性，特别是在不同屈曲和水平外展角度下的变化。
• 发现并量化了男性和女性肩关节刚度的显著差异，这对理解肩关节力学特性及相关风险具有重要意义。

未来研究方向

未来研究应探讨多方向扰动下的肩关节刚度，研究在各种条件下（如不同运动任务、动态姿态和神经肌肉疾病）肩关节刚度的变化。通过综合静态和动态条件下肩关节特性的研究，将更全面地了解肩关节的功能和力学特性，为康复治疗提供更有力的理论支持。