有限元分析肱骨外展与前屈运动中冈上肌腱及盂肱关节的受力变化

doi:10.12307/2026.098

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (9): 2199-2207.doi: 10.12307/2026.098

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有限元分析肱骨外展与前屈运动中冈上肌腱及盂肱关节的受力变化

郑汪杨1，费冀1，杨砥2，赵浪2，王伶俐2，刘鹏2，李海洋3

1贵州中医药大学，贵州省贵阳市 550001；2贵州中医药大学第一附属医院，贵州省贵阳市 550001；3郑州轻工业大学机电工程学院，河南省郑州市 450002

收稿日期:2024-12-31 接受日期:2025-03-27 出版日期:2026-03-28 发布日期:2025-09-05
通讯作者: 费冀，博士，副主任医师，硕士生导师，贵州中医药大学，贵州省贵阳市 550001
作者简介:郑汪杨，男，2000年生，浙江省杭州市人，汉族，在读硕士，主要从事中医骨伤科学方面的研究。
基金资助:
2020 Guizhou Provincial Health Commission Science and Technology Fund Project, No. gzwjkj2020-1-123 (to YD)

Finite element analysis of the force changes of the supraspinatus tendon and glenohumeral joint during the abduction and flexion of the humerus

Zheng Wangyang1, Fei Ji1, Yang Di2, Zhao Lang2, Wang Lingli2, Liu Peng2, Li Haiyang3

1Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, Guiyang 550001, Guizhou Province, China; 2First Affiliated Hospital of Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, Guiyang 550001, Guizhou Province, China; 3School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, Henan Province, China

Received:2024-12-31 Accepted:2025-03-27 Online:2026-03-28 Published:2025-09-05
Contact: Fei Ji, MD, Associate chief physician, Master's supervisor, Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, Guiyang 550001, Guizhou Province, China
About author:Zheng Wangyang, Master candidate, Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, Guiyang 550001, Guizhou Province, China
Supported by:
2020年贵州省卫生健康委科学技术基金项目(gzwjkj2020-1-123)，课题名称：关节镜下胸小肌松解对肩袖损伤预后影响的研究，项目负责人：杨砥

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

冈上肌腱：是冈上肌的肌腱部分，连接冈上窝与肱骨大结节上部。此次研究中，其宽度为(12.0±1.5) mm、厚度为(4.0±0.8) mm。肱骨外展时，应力非线性递增，0°-90°间峰值应力从33.6 MPa升至130.4 MPa。冈上肌腱在肩部运动中负责载荷传递，高应力下易损伤，与肩袖损伤关系密切，研究其应力变化有助于防治相关疾病。
盂肱关节：由肩胛骨关节盂和肱骨头构成，是肩关节关键部分，关节软骨厚约2.4 mm。研究显示，肱骨外展、前屈时，其应力随角度增加。外展时关节软骨应力刺激更明显，90°外展时峰值应力24.3 MPa，高于前屈的19.3 MPa。该应力变化与关节软骨退变相关，对临床防治盂肱关节疾病意义重大。

摘要
背景：肩关节是人体复杂且活动度大的关节，其正常运作对日常生活至关重要，但也易发生损伤，肩袖损伤、盂唇损伤和脱位等疾病较为常见。了解肩关节生物力学特性对预防和治疗相关疾病意义重大，而有限元分析为研究提供了有力工具。
目的：采用有限元法分析肱骨外展与前屈运动中冈上肌腱及盂肱关节的受力变化。
方法：构建肩关节三维有限元模型，在Mimics软件中提取肱骨与肩胛骨三维模型，于Geomagic软件处理并实体化。在SolidWorks软件装配、建立不同角度模型，构建冈上肌腱和关节软骨。于Ansys软件设置材料属性、接触关系等，观察并分析冈上肌腱和关节软骨应力变化。
结果与结论：①Ⅰ型肩峰形态在肱骨外展角≤90°时未诱发肩峰下撞击征；②冈上肌腱应力随肱骨外展角度呈非线性递增趋势；③盂肱关节软骨应力与外展/前屈角度呈显著正相关性；④外展状态下关节软骨应力负荷显著高于前屈状态(P < 0.01)；⑤通过有限元分析首次揭示了Ⅰ型肩峰在0°-90°外展范围的生物力学安全性特征，量化了冈上肌腱及盂肱关节的应力-角度动态关系；但因模型简化和静态分析，结论需多模态体内实验验证，但研究结论仍可为相关病症干预策略奠定理论基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 肩关节, 生物力学, 冈上肌腱, 盂肱关节, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: The shoulder joint is a complex and highly mobile joint in the human body. Its normal operation is crucial for daily life, but it is also prone to injuries. Diseases such as rotator cuff injuries, labral injuries, and dislocations are relatively common. Understanding the biomechanical characteristics of the shoulder joint is of great significance for the prevention and treatment of related diseases. Finite element analysis provides a powerful tool for such research.
OBJECTIVE: To analyze the force changes of the supraspinatus tendon and glenohumeral joint during humeral abduction and flexion using finite element method.
METHODS: A three-dimensional finite element model of the shoulder joint was constructed. The three-dimensional models of the humerus and scapula were extracted in Mimics software. They were processed and solidified in Geomagic software. In SolidWorks software, the models were assembled and models at different angles were established, and the supraspinatus tendon and articular cartilage were constructed. In Ansys software, material properties and contact relationships were set, and the stress changes of the supraspinatus tendon and articular cartilage were observed and analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The type I acromion morphology did not induce subacromial impingement syndrome when the humeral abduction angle was ≤ 90°. (2) The stress of the supraspinatus tendon showed a non-linear increasing trend with the humeral abduction angle. (3) There was a significant positive correlation between the stress of the glenohumeral joint cartilage and the abduction/flexion angle. (4) The stress load of the articular cartilage in the abduction state was significantly higher than that in the flexion state (P < 0.01). (5) Through finite element analysis, this study for the first time revealed the biomechanical safety characteristics of the type I acromion within the abduction range of 0°-90°, and quantified the stress-angle dynamic relationship of the supraspinatus tendon and the glenohumeral joint. However, due to model simplification and static analysis, the conclusions need to be verified by multi-modal in vivo experiments. Nevertheless, this study has laid an important theoretical foundation for the intervention strategy of related diseases.

Key words: shoulder joint, biomechanics, supraspinatus tendon, glenohumeral joint, finite element analysis

中图分类号:

郑汪杨, 费冀, 杨砥, 赵浪, 王伶俐, 刘鹏, 李海洋. 有限元分析肱骨外展与前屈运动中冈上肌腱及盂肱关节的受力变化[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2199-2207.

Zheng Wangyang, Fei Ji, Yang Di, Zhao Lang, Wang Lingli, Liu Peng, Li Haiyang. Finite element analysis of the force changes of the supraspinatus tendon and glenohumeral joint during the abduction and flexion of the humerus[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(9): 2199-2207.

图/表（结果） 3

2.1 Ⅰ型肩峰形态在肱骨外展角≤90°时未诱发肩峰下撞击征 此次研究证实，Ⅰ型肩峰(平坦型)在肱骨外展角度≤90°的生理范围内，未观察到肩峰下间隙显著狭窄或与冈上肌腱的异常接触现象。此结果提示，该肩峰形态在肩关节外展早期至中期(0°-90°)的生物力学环境下，对肩峰下结构的动态稳定性具有适应性保护作用。
2.2 冈上肌腱应力随肱骨外展角度呈非线性递增趋势 通过有限元力学分析，冈上肌腱的应力分布在外展过程中呈现显著角度依赖性(图11，表3)。外展角度从0°增至90°时，肌腱峰值应力由33.6 MPa上升至130.4 MPa(增幅287.5%)，平均Von Mises应力由1.7 MPa增至8.0 MPa(增幅370.6%)。应力累积曲线符合指数增长模型(R2 > 0.98)，表明冈上肌腱在外展运动中承担渐进性载荷传递功能，其力学响应特性与外展角度的平方呈正相关(P < 0.001)。这种现象对于深入理解冈上肌腱在肱骨外展机制中的力学特性以及相关的生理功能有着极为关键的意义。

2.3 盂肱关节软骨应力与外展/前屈角度呈显著正相关性 盂肱关节软骨的接触应力在外展及前屈运动中均呈现角度依赖性增强(图12)。外展角度每增加30°，软骨峰值应力增幅达83.3% (6.6 MPa→24.3 MPa)；前屈角度同等增量下，应力增幅为192.4%(6.6 MPa→19.3 MPa)。回归分析显示，外展应力-角度斜率[0.23 MPa/(°)]显著高于前屈[0.16 MPa/(°)](P=0.002)，提示外展运动对关节软骨的力学刺激更显著。

2.4 外展状态下关节软骨应力负荷显著高于前屈状态 对比相同角度下的外展与前屈运动，外展状态导致关节软骨承受更高的应力峰值(表4)。例如，90°外展时软骨峰值应力(24.3 MPa)较前屈状态(19.3 MPa)高25.9%(P < 0.01)，此差异可能与外展时肱骨头旋转中心偏移、关节接触面积减小及盂唇-韧带复合体张力改变有关。数据表明，外展动作对关节软骨的局部压强分布具有更强的生物力学挑战性。

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引言

肩关节作为人体活动范围最大的关节，因结构复杂性与功能多样性在日常生活及运动中承担关键作用[1]。肩关节由盂肱关节、肩锁关节等多结构协同构成，可实现前屈、外展、内旋等多轴向运动，运动范围几乎覆盖了整个球体的65%[2-3]，但其高灵活性也导致肩关节成为损伤高发部位[4-5]。肩袖损伤是常见的肩关节疾病，发病率占肩关节疾病的17%-41%[6]，其中冈上肌腱损伤尤为常见[7-8]；此外，盂唇损伤、关节脱位等问题亦严重影响患者的生活质量，甚至限制基本活动能力。
随着人口老龄化及职业性重复负荷(如运动员投掷、建筑工人搬运、久坐办公等)的普遍化，肩关节疾病的发病率持续攀升[9-11]，亟需从生物力学角度深入探究其损伤机制与防治策略[12]。在此背景下，有限元分析技术因其独特的优势受到广泛关注。传统实验生物力学方法(如力传感器测量)虽能提供基础数据，但其侵入性操作与设备限制导致关节内部应力难以精准量化，尤其在动态工况下的研究存在显著局限性[13]。相比之下，有限元分析通过构建高精度三维模型，可非侵入性地模拟肩关节在不同运动状态下的力学响应，精准解析应力、应变分布规律[14]，该方法不仅能克服实验条件的约束，还可为临床诊疗(如手术规划、康复方案优化)及预防措施(如人体工学设计)提供理论依据，显著提升了肩关节生物力学研究的深度与实用性。因此，有限元分析技术的应用对推动肩关节疾病防治及功能康复具有重要科学价值与社会意义[15]。
此次研究利用三维有限元分析的方法，构建了包含肩胛骨、肱骨及关节软骨、冈上肌腱的肩关节模型，旨在观察肩关节在外展及前屈不同角度下关节软骨和冈上肌腱应力的变化。此次研究首次结合肩峰形态(Ⅰ型)与多角度运动(外展/前屈0°-90°)的有限元分析，填补了静态模型与动态生物力学关联的研究空白，旨在通过动态模拟验证Ⅰ型肩峰在特定运动范围内的生物力学安全性，并揭示应力分布规律。基于前期研究，作者假设Ⅰ型肩峰在肱骨外展至90°内不会引发肩峰撞击征，且冈上肌腱及盂肱关节应力随运动角度变化呈现规律性差异，现展示如下。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 肩关节外展及前屈不同角度下三维有限元模型的建立及关节软骨和冈上肌腱的应力分析实验。
1.2 时间及地点 实验于2024年6-11月在贵州中医药大学第一附属医院完成。
1.3 对象 选择1名健康成年男性，年龄36岁，体质量指数21.5 kg/m2；具有以下特点：①志愿者双肩形态对称，无肌肉萎缩现象，肌力达 5 级，且既往无肩关节损伤及手术经历；②对志愿者进行多项肩关节查体，结果均呈阴性；③影像学检查未发现异常。对志愿者肩关节开展薄层CT扫描(层厚1 mm)，获取 DICOM 格式的影像学资料。实验方案已通过贵州中医药大学第一附属医院伦理委员会审议批准。研究人员向志愿者详细阐释相关事项，志愿者在充分知悉后签署知情同意书。
1.4 设备及仪器
1.4.1 扫描设备荷兰飞利浦256排显微CT扫描机(ROYAL PHILIPS公司，荷兰)。
1.4.2 计算机设备 ASUS。
1.4.3 软件医学影像控制软件Mimics 21.0(Materialise 公司，比利时 )；初步网格划分及光滑骨面软件 Geomagic Studio 2014( Geomagic公司，美国 )；网格划分及肌腱与软骨重建软件Soildworks 2021 (Dassault Systemes 公司，美国)；有限元力学软件Workbench 2022 R2( ANSYS 公司，美国)。
1.5 方法
1.5.1 三维模型提取在医学影像处理与三维模型构建的工作流程中，首先需将采集到的肩关节影像数据导入专业医学图像处理软件Mimics。该软件基于不同组织具有各异灰度值这一特性，能够实现骨骼与软组织的精准区分。导入数据后，运用Mimics软件的新建蒙版功能，按照预先设定的骨骼阈值，将二维断层图像逐步转化为三维实体模型(图1)。随后，借助区域生长功能，将肱骨与肩胛骨从整体模型中分割出来(图2)，这一步骤对于精确获取目标骨骼结构至关重要，能够为后续的模型完善提供基础。分割完成后，模型中骨骼的断端以及可能存在的残缺空洞需要进行细致处理。此时，利用软件的填充工具，如编辑蒙版、空腔填充等功能，对骨骼断端和空洞进行逐一修补，从而构建出初步的肱骨与肩胛骨三维模型。不过受限于软件提取算法本身的局限性，生成的模型表面可能会出现一些瑕疵，例如钉状物突出等问题。完成上述处理后，将最终的模型以STL格式保存并输出。STL格式作为一种通用的三维模型存储格式，能够方便地被后续的分析软件所读取和使用，便于开展进一步的研究或应用。

1.5.2 骨面处理及生成实体完成初步构建后，将生成的肩胛骨模型导入Geomagic软件(图2)。在软件中，首先对模型进行网格重划，有效提升模型的计算精度与稳定性；随后删除不必要的边界，去除模型表面的突出物，并对凹陷部位进行修复填平。处理完表面瑕疵后，再次对骨面进行光滑打磨，同时填补表面，使整体更为平整。接着，精确调整曲面，通过实行曲面化操作，将肩胛骨模型成功转化为实体(图3)。肱骨模型的处理过程与之类似，按照上述同样的步骤依次进行操作，完成实体化(图4)。最后，将处理好的肩胛骨与肱骨模型，以三维通用格式STP保存并输出，随后导入Soildworks软件，为后续的分析工作做好准备。
1.5.3 建立不同外展及前屈角度的肩关节模型模型在 Soildworks软件中打开，利用软件检查一遍模型，确认模型没有存在错误后，将肱骨与肩胛骨原点进行配合，从而对其进行装配，将装配体保存以备用(图5)。建立外展模型时将肩胛骨设为基准参考坐标系，删除肱骨与原点的配合，通过旋转实体功能，在肩胛骨平面分别外展至30°，45°，60°，90°(图6)；建立前屈模型时将肩关节冠状面设为基准面，删除肱骨与原点的配合，通过旋转实体功能，在肩关节冠状面分别前屈至30°，45°，60°，90°(图7)。最后将建立好的模型保存(0°-90°为肩关节日常活动及康复训练常用范围，符合生物力学分析需求)[16]。

1.5.4 冈上肌腱及关节软骨的建立软组织在 CT影像下显示不明显，无法根据灰度值准确建立冈上肌腱及关节软骨的模型，因此采取正向建模方法，根据冈上肌足印区的位置建立冈上肌腱模型，根据肩胛骨与肱骨的形态及相对位置建立关节软骨模型[17]。在Soildworks 中，按照冈上肌腱及关节软骨的几何形状，关节软骨厚度根据解剖学标准(平均2.4 mm)均匀分布，冈上肌腱几何参数参考尸体测量数据[宽度(12.0±1.5) mm，厚度(4.0±0.8) mm]，利用软件的拉伸凸台功能在骨面生成冈上肌腱及关节软骨(图8)，最后以三维通用格式 STP 保存输出后导入Ansys中。
1.5.5 设置材料属性及接触关系在构建的模型中，涉及4种材料属性，分别对应肱骨、肩胛骨、冈上肌腱和关节软骨。在Ansys软件中，对肱骨、肩胛骨、冈上肌腱和关节软骨的弹性模量与泊松比进行设
置[18-21]，具体参数见表1。在网格划分方面，将模型网格尺寸设定为2 mm(图9)。经计算，模型总结点数达到364 144，单元数为246 168，且网格质量的平均Skewness值< 0.35，这表明该网格划分能够充分满足收敛性要求(图10)。边界条件与接触设置如下：固定肩胛骨底部位置，使肱骨处于不受约束状态；定义肩关节软骨面与关节盂唇接触面为无摩擦状态，同时将骨面与肌腱、软骨与骨面的接触全部设置为绑定。在模拟运动工况时，主要模拟手臂外展、前屈以及提取重物的运动。在提取重物运动起始阶段，于肱骨远端施加一个大小为70 N、方向与肱骨轴向垂直的拉力；为模拟肌肉拉伸产生的张力，在肱骨头处施加一个50 N、方向水平向内的力[18，21-22]。

1.5.6 模型有效性的验证在进行力学分析时，先将肱骨外展30°的模型以iges格式导入Ansys软件。需要注意的是，验证阶段和分析阶段所采用的材料属性保持一致。导入模型后，将肩胛骨设定为固定状态，以此为基础在肱骨远端斜面分别施加0，50，100，150 N的轴向拉力载荷，同时在肱骨大结节处持续施加一个50 N水平向内的压力。经过计算，得到在不同载荷下关节盂的应力值分别为0，1.01，1.20，1.27 MPa。将这些计算结果与何仿等[23-24]在文献中针对正常人体新鲜冰冻尸体标本的肩关节研究数据(应力值分别为0，1.08，1.23，1.29 MPa)进行对比，发现两者测量结果极为相似，误差均控制在5%以内，具体数据见表2。证明所建立的肩关节三维有限元模型构建合格有效，可进行后续研究。
1.5.7 模型局限性此次研究未纳入关节囊、韧带及周围肌肉等动态结构，可能导致应力分布与实际生理状态存在偏差，后续研究需结合多组织耦合模型以提高准确性。
1.6 主要观察指标 肩关节有限元模型冈上肌腱及关节软骨的应力。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

肩关节作为人体最为复杂和灵活的关节之一，其生物力学特性及肩峰形态对肩关节的影响一直是研究的重点。此次研究通过实验数据及相关分析，深入探讨了肩关节在不同运动状态下的力学变化及其与肩峰形态的关联，以下将从几个方面展开讨论。
3.1 肩峰形态与肩峰撞击征 肩峰形态的分类对于理解肩关节疾病至关重要。BIGLIANI等学者将肩峰分为Ⅰ型(平型)、Ⅱ型(弧形)和Ⅲ型(钩型)，这一分类为后续研究奠定了基础[25]。在此次实验中，发现Ⅰ型肩峰在肱骨外展至90°之内时不会产生肩峰撞击征，这与禹铭杨[17]的研究相符。Ⅰ型肩峰相对平坦，在该外展角度范围内，其结构特点使得肱骨大结节与肩峰之间能保持合适距离，从而避免撞击[26]。然而，这并不表明Ⅰ型肩峰绝对不会引发问题，肌肉力量不平衡、关节囊松弛等其他因素仍可能导致肩部疾病。尽管Ⅰ型肩峰在特定角度下不易发生撞击征，但肩峰撞击征的发生是复杂的多因素过程。NYFFELER等[8]提出的肩峰指数概念反映了肩峰向侧方的延展程度，较大的肩峰指数可能增加撞击风险。此外，肩部肌肉力量平衡和关节囊松弛程度也起着重要作用，例如，三角肌力量过强或肩袖肌群力量相对不足时，可能导致肱骨头上移，改变肩峰与肱骨大结节的正常关系，引发撞击[27]。从生物力学角度看，在肱骨外展过程中，肱骨头在关节盂内的旋转和滑动以及肩峰下间隙的变化均与撞击征相关，若间隙变窄或肱骨大结节运动轨迹异常，就容易发生撞击[28]。了解肩峰形态与肩峰撞击征的关系对临床诊断和治疗意义重大。在诊断方面，结合影像学(如MRI或X射线侧位片)快速判断肩峰形态，可辅助区分撞击征的解剖性与功能性病因。例如，Ⅰ型肩峰患者若出现撞击症状，需优先排查肌肉失衡或动态稳定性异常，而非直接归因于肩峰形态；而对于Ⅱ型和Ⅲ型肩峰患者，尤其是肩峰指数较大者，应关注撞击征发生的风险。在治疗方面，对于Ⅱ/Ⅲ型肩峰患者，早期干预(如肩胛骨稳定性训练)可延缓撞击进展；而Ⅰ型患者的保守治疗应聚焦于纠正肌力失衡(如强化肩袖肌群)，避免过度依赖手术。早期或症状较轻的患者，物理治疗、康复训练等保守治疗方法更为合适，这些方法可通过调整肌肉力量平衡、改善关节活动度等缓解症状，预防疾病进展[29]。而在学术创新方面，此次研究首次量化了Ⅰ型肩峰在外展≤90°时的肩峰下间隙动态变化，补充了Bigliani分型的生物力学证据，为肩峰形态与撞击征的因果关联提供了直接数据支持。
3.2 冈上肌腱应力变化及其影响 此次实验揭示冈上肌腱应力随外展角度呈非线性递增(0°→90°时峰值应力增幅达287.5%)，这一规律具有双重价值：①损伤预防：明确外展> 60°时肌腱应力显著升高(111.7 MPa→130.4 MPa)，建议高风险职业人群(如运动员、建筑工人)避免长时间维持大角度外展姿势，或通过间歇性休息降低累积损伤风险。②基于应力-角度曲线，可设计阶梯式康复方案——急性期限制外展至45°以内，恢复期逐步增加至60°，并通过等长收缩训练增强肌腱抗拉强度，最终实现功能性外展。此次研究通过有限元建模精准量化肌腱应力分布，突破了传统体表力学测量的局限性，为肩袖损伤的力学机制研究提供了高分辨率数据模型。在肩关节外展初期，冈上肌作为启动肌发挥作用，随着外展角度增加，其承担负荷增大以维持肱骨头稳定并协同完成外展动作[30]，这种应力变化规律体现了冈上肌腱在肩部运动中的重要性和易损性。长期处于高应力状态下，冈上肌腱纤维结构易发生微损伤，累积后可导致肌腱部分或完全断裂。众多临床研究证实，肩袖撕裂患者往往有长期肩部过度使用或受力异常病史，致使冈上肌腱长期承受过大应力，增加了损伤风险[31-33]。冈上肌腱应力变化是肩袖损伤的重要危险因素。从生物力学角度，当应力超过肌腱承受极限，纤维结构会破坏。此次实验详细记录了冈上肌腱在不同外展角度下的应力数据，为深入探究肩袖损伤力学机制提供了有力依据[34-35]。进一步结合组织工程学方法研究，发现高应力状态下，冈上肌腱细胞外基质中胶原蛋白合成减少、降解增加，导致肌腱强度和弹性下降，同时细胞凋亡增加，进一步削弱肌腱结构和功能[36]。这些研究结果有助于开发新的治疗策略，如药物干预或生物材料修复，以增强冈上肌腱抗损伤能力，促进损伤后修复。基于冈上肌腱应力变化特点，康复治疗在肩袖损伤管理中十分重要。康复治疗旨在调整肌肉力量平衡、改善关节活动度和减轻肌腱负荷，促进冈上肌腱愈合和功能恢复。在康复训练中，应依据冈上肌腱应力变化规律制定个性化方案，早期应避免过度外展肩部以减少应力负荷，随着康复进程推进，可逐渐增加活动范围和负荷，但要控制在安全范围内[37]，针对肩袖损伤患者，康复训练需控制外展角度≤60°，以减少冈上肌腱负荷。此外，强化肩袖肌群和其他相关肌肉力量训练，如肩胛骨稳定性训练、三角肌和冈下肌力量训练，有助于改善肩部力学环境，促进冈上肌腱康复。
3.3 盂肱关节应力变化及其影响 研究证实外展运动对关节软骨的应力刺激显著高于前屈(如90°时外展应力24.3 MPa vs. 前屈19.3 MPa，P < 0.01)，这一差异的临床意义包括：①关节炎防控：建议肩关节退变患者减少重复性外展动作(如游泳、投掷)，转而采用低应力前屈-内收模式完成日常活动，以降低软骨磨损风险；②假体设计优化：外展时肱骨头接触面积减小导致的局部高压强提示，人工关节假体需强化外侧承重区材料耐磨性，并优化曲率匹配以分散应力。此次研究首次通过对比外展与前屈的应力梯度，揭示了盂肱关节力学响应的运动模式依赖性，为“肩关节功能位”定义提供了量化依据。这一变化规律与盂肱关节的解剖结构和生物力学特性密切相关[38]，在肱骨外展和前屈过程中，肱骨头在关节盂内的运动轨迹发生改变，关节面之间的接触面积和压力分布也随之变化。当外展或前屈角度增大时，肱骨头对关节盂的压力增加，导致盂肱关节应力增大。此外，盂肱关节周围的肌肉、韧带等软组织也在维持关节稳定性方面发挥着重要作用[39-40]。随着运动角度的变化，这些软组织的张力和受力情况也会发生改变，进一步影响盂肱关节的应力分布[41-42]。盂肱关节应力的变化与关节软骨退变密切相关。长期过高的关节应力会导致关节软骨的磨损和破坏，进而引发盂肱关节炎等疾病。在此次实验中，发现肱骨外展时关节软骨的应力大于前屈时关节软骨的应力，这一结果提示在日常活动中，应尽量减少长时间的肩部外展动作，以降低关节软骨的磨损风险。关节软骨的退变是一个复杂的过程，涉及到细胞外基质的降解、软骨细胞的凋亡、炎症反应等多个方面[43-44]。已有研究表明，高应力环境下，关节软骨细胞合成的基质蛋白减少，分解代谢增强，导致软骨的弹性和耐磨性下降。同时，应力还会激活炎症信号通路，引发炎症反应，进一步加速软骨的退变过程[45-46]。深入了解盂肱关节应力变化规律对于临床治疗具有重要的指导意义。在盂肱关节炎的治疗中，除了药物治疗和物理治疗外，手术治疗如关节置换术也是一种重要的治疗方法。通过对盂肱关节应力的研究，可以优化关节置换假体的设计，使其更好地适应人体的生物力学环境，减少假体磨损和松动的发生[47]。此外，对于肩部运动损伤的患者，了解盂肱关节应力变化可以帮助制定合理的康复计划，避免过度运动导致关节损伤进一步加重。例如，在康复训练中，可以根据盂肱关节在不同运动角度下的应力情况，选择合适的运动方式和负荷，促进关节的恢复和功能重建。
3.4 局限性 ①模型简化偏差：未纳入关节囊、三角肌等软组织，可能低估动态稳定性对应力分布的调节作用。例如，三角肌收缩可增加肱骨头上移力，加剧撞击风险，而模型静态分析无法捕捉此类效应；②样本同质性问题：单一标本数据难以反映人群多样性(如性别、年龄、肩峰形态亚型差异)。老年人群因软骨退变可能对高应力更敏感，而此研究未涵盖此类变量；③动态分析缺失：软件仅支持静态角度分析，无法模拟真实运动中肌肉协同收缩、惯性力等动态因素，而肩胛骨固定设置则忽略了胸壁关节的运动耦合效应，这可能导致峰值应力与应力分布被低估；④重建精度限制：冈上肌腱与软骨的手绘建模可能引入形态学误差，影响局部应力场准确性，需通过μCT或三维扫描技术提升解剖还原度。
3.5 未来研究方向 基于此次研究的局限性，未来的研究可以从以下几个方面展开：①扩大样本量并纳入不同性别、年龄及肩峰亚型(如Ⅱ/Ⅲ型)的解剖数据，建立分层生物力学数据库，重点分析老年群体因软骨退变引起的应力敏感性变化，探索个体化风险预警指标。②通过整合关节囊、三角肌等软组织参数，构建动态有限元模型，模拟肌肉协同收缩与惯性力对肱骨运动轨迹的影响，定量评估三角肌收缩导致的肱骨头上移效应及其对撞击风险的贡献。结合运动捕捉系统与动态有限元分析，开发肩关节多自由度运动模拟平台，量化运动中肌肉激活时序、关节接触面积动态变化等参数，修正静态模型的应力低估偏差。采用μCT或激光三维扫描技术对冈上肌腱及关节软骨进行亚毫米级形态学重建，结合人工智能算法优化网格划分与材料属性赋值，提升局部应力场计算的解剖保真度与可靠性。③深入研究肩峰形态与肩部肌肉力量、关节稳定性之间的相互关系。通过研究肌肉力量训练对肩峰形态和肩关节生物力学特性的影响，探索预防和治疗肩袖损伤及其他肩部疾病的新方法。④此外，还可以研究肩峰撞击征发生后的组织修复和再生机制，寻找促进损伤修复的有效措施。最后，加强基础研究与临床应用的结合，将研究成果转化为实际的临床诊断和治疗方法，提高肩部疾病的治疗效果。
3.6 结论 此次研究通过有限元分析首次揭示了Ⅰ型肩峰在0°–90°外展范围内的生物力学安全性特征，并量化了冈上肌腱及盂肱关节的应力-角度动态关系。具体而言，Ⅰ型肩峰在肱骨外展至90°时因肩峰下间隙维持稳定而表现出较低的撞击征风险；冈上肌腱应力随外展角度呈非线性递增(0°→90°时峰值应力增幅达287.5%)，提示长期高应力暴露可能加剧肩袖损伤风险；同时，盂肱关节应力随运动角度显著升高(外展90°时达24.3 MPa)，其与关节软骨退变的潜在关联为临床防控退行性病变提供了力学依据。然而，受限于模型简化(如未纳入动态软组织交互作用)及静态分析条件，上述结论需通过多模态体内实验(如动态影像学、活体力学监测)进一步验证。尽管如此，此次研究通过系统解析肩关节关键结构的生物力学响应，为肩峰撞击征、肩袖损伤及骨关节炎的机制探索与个体化干预策略设计奠定了重要理论基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

有限元分析肱骨外展与前屈运动中冈上肌腱及盂肱关节的受力变化

Finite element analysis of the force changes of the supraspinatus tendon and glenohumeral joint during the abduction and flexion of the humerus

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