第 10 章：肩关节复合体在活动中的受力分析（Analysis of the Forces on the Shoulder Complex during Activity）

10.1 盂肱关节受力的二维分析（Two-Dimensional Analysis of the Forces on the Glenohumeral Joint）

本章开篇回顾一个用于估算肩外展时盂肱关节受力大小的经典二维模型（Examining the Forces Box 10.1）。模型基于一名身高 6 英尺、体重 180 磅的健康男性，上肢重量 W、上肢长度 L = 0.8 m，肢体长 48% 处的位置为上肢重心（距肩 0.38 m），外展肌力 F 作用在上肢外侧、力臂 0.05 m、施力角 30°。在肩外展 90°、肘伸直位对肩取矩（∑M = 0），由 (F × 0.05 m) − (W × 0.38 m) = 0 可得 F = 7.6 W；再分解为水平与竖直分量代入力平衡方程，可得关节反作用力水平分量 JX = 6.6 W、竖直分量 JY = −2.8 W，合成 J ≈ 7.2 W，与水平方向夹角约 24°。若假定上肢重量约为体重（BW）的 0.05，则肩外展 90° 维持时 J ≈ 0.4 BW。该分析得出在外展不同角度时外展肌力与关节反作用力的估计（图 10.1 引用 Inman 等 [7] 的数据）。

该模型有多处简化：只考虑盂肱关节而忽略肩胛上旋对关节盂面在 ROM 后期对肱骨头下方的支持作用，故可能高估剪切力；又将所有肌肉与韧带力合为单一的三角肌力 F，以满足三个方程（∑Fx = 0、∑Fy = 0、∑M = 0）对应三个未知量（三头肌力、压缩力、剪切力）的可解条件。但第 9 章已明确指出肩屈曲与外展时多块肌肉同时活动以旋转并稳定盂肱关节；将这些肌力合并会低估肱骨头上的总力。这些肌力在产生运动时互相平衡：例如三角肌产生的上向滑动与冈下肌产生的下向滑动相互抵消，使肱骨头几乎不发生净平移，但两者都向肱骨头施力将其压向关节盂（图 10.2）。故与三角肌共收缩的肌肉所产生的额外压缩力无法在该简化模型中被检出。

尽管存在上述不足，模型结果仍提供了有价值的洞见。Inman 等估计肱骨头所承受的压缩载荷峰值约为上肢重量的 10 倍，假设上肢约为体重的 5%，则仅在维持肩外展这一简单动作时肱骨头就要承受约相当于体重一半的载荷。Box 10.2 进一步演示了将肘屈曲到 90°、缩短上肢重量力臂的效果：当肩外展 90°、肘屈 90° 时，臂段重心距肩 0.18 m，前臂与手重 0.022 BW，由力矩平衡 (F × 0.05 m) − (0.028 BW × 0.18 m) − (0.022 BW × 0.4 m) = 0 可得 F = 0.28 BW，关节反作用力 J ≈ 0.26 BW，方向约与水平方向成 23°。这表明弯曲肘部可以显著降低肩部受力（图 10.5：怀抱婴儿时弯曲肘部可缩短婴儿重量的力臂）。峰值关节反作用力出现在肩外展 90° 位，因为此时上肢重量的内收力矩最大（图 10.4），外展肌力必须最大以抵消该内收力矩；该力约为上肢重量的 8 倍，是影响关节反作用力的主要因素。最大剪切力略小于体重的 50%，但出现在更早的 ROM 段——约 60° 外展 [7]。

更近期的力学分析对 Inman 的经典模型做出改进 [17]。包含更精确肩袖肌的模型显示，在肩胛平面外展时肱骨头上的最大压缩载荷约为体重的 90%，几乎是早期研究估计的两倍；最大剪切力也接近体重的 50%。手持仅 1 kg 的负载即可使关节反作用力增加 60%。作者因此强调上肢活动可以造成很大的关节力并引起关节炎患者的疼痛。许多日常活动（ADL）需要相当大的肩部运动；其中许多活动伴随肘关节屈曲，有效减小肩部所受的外力矩 [12]。因此报告的肩部受力——例如从马克杯饮水或将低重量物体举至肩高——其向上方向仅约 8–50 N（2–11 磅）。Murray 和 Johnson 的工作明确指出，教会患者在日常活动中减轻肩部负荷是有效治疗的重要组成部分 [3]。Poppen 与 Walker [17] 的早期经典研究亦系统比较了不同外展角下的肌力与关节力需求，证实了 90° 附近出现峰值的判断；其结论与 Murray 的 ADL 数据相互印证：肩部负荷的"实际等级"高度依赖于测量条件（静态位 vs 真实任务、是否计入手持负载、是否包含共收缩）以及建模的精细程度。

10.2 肩关节复合体各结构的力学需求（Mechanical Demands Placed on Structures throughout the Shoulder Complex）

研究者开发了更精确的肩关节模型 [1,5,9,13,14,21]。经典力分析通过简化假设将未知量减少到与方程数相等的可解规模，但人体任何关节处的真实未知量都远多于可用方程数——这被称为冗余，系统因此是静不定的，对应无穷多解。借助精密的数学算法，研究者可以基于预定的优化准则确定"最佳"或最优解。利用该方法，研究者建立了多种模型，可计算盂肱关节乃至肩关节复合体其他关节处肌肉与韧带的受力。

van der Helm [20] 报告了一个复杂得多的肩关节模型：盂肱关节的内-外侧关节反作用力峰值在外展时约 300 N（67 磅），在屈曲时约 100 N（22.5 磅）（1 kg = 9.81 N，1 lb = 4.45 N）。前-后向与纵向的关节反作用力略小。该研究将三维分量分别呈现而非给出总反作用力，因此其数值无法与前人研究直接比较；但与既往研究一致，峰值仍出现在约 90° 位——上肢重量的力矩最大时。该研究还报告胸锁关节与肩锁关节处的关节反作用力分别约 50 N（11 磅）和 120 N（27 磅），方向为内-外侧。这些数据为肩胸关节在整个肩关节复合体的活动性与稳定性中所起的整体性角色提供了分析性证据，也是少数几个对肩部其他关节所承受载荷进行估计的研究之一。另一项类似但稍欠精细的模型预测：手持 1 kg 重物外展时三角肌肌力可高达 150 N（34 磅），冈上肌肌力超过 100 N（22.5 磅）[9]；并报告 ROM 中段处峰值关节反作用力约为体重的 80%。

另一类方法采用基于解剖的模型来模拟肌肉行为，通过建立肩部肌肉的物理模型或研究肩部肌肉的相对活动度，可深入了解不同任务间的相对难度以及个别肌肉在特定活动中的贡献。有一项研究报告在肩胛平面外展肩部时三角肌的平均峰值力约 250 N（±34.5 N），约合 56 磅 [25]。该研究还记录了分别切断冈上肌、整个肩袖、三角肌后的效果：选择性切断冈上肌、其余肩袖肌或三角肌后，主动肩上举总量分别下降 6%、16% 和 25%。另一项使用肩部肌肉物理模型的研究报告，在缺乏肩袖肌时三角肌使上肢上抬所需的力量增加 17% [16]。又一项研究用肌电图（EMG）和肌肉内压力考察冈上肌的相对活动度，验证了数学分析的结果——肩部从 0° 外展至 90° 期间冈上肌活动度增加 [8]。

上述研究一致表明，某块肌肉的功能丧失会导致活动受限或剩余肌肉负荷增加，从而为肩袖撕裂患者出现肩部无力与疲劳主诉等临床现象提供了理论基础。还有两项研究进一步说明了肌肉受力研究如何帮助临床医师理解患者主诉的力学基础。第一项用肩部数学模型与 EMG 记录研究部分肌肉的疲劳性 [14]：作者提出三角肌、冈下肌与冈上肌是 90° 屈曲位以 4 kg 重物进行肩部等长收缩时最先出现疲劳征象的肌肉；斜方肌在该研究中表现出更高的抗疲劳性。第二项研究考察在有、无执行低阻力手动任务两种情况下，肩部肌肉在不同肩、肘位置时的 EMG 活动水平 [19]：在几乎所有位置和肌肉上，手动任务的存在都使 EMG 活动增加。尽管这两项研究都没有直接测量肩部肌肉产生的力，但共同提示：上肢承载负荷即使只是少量增加，也会显著增加肌肉所承受的负荷。

10.3 上肢用于推进活动时的肩部受力（Forces on the Shoulder Complex When the Upper Extremity Is Used for Propulsion）

第 9 章已讨论使肩部下压的肌肉的重要角色。这些肌肉在下肢功能受损时尤为关键，此时上肢作为承重结构支持体重（如撑起离椅或拄拐行走）。可以合理地假设：使用腋杖或推动轮椅这类任务比单纯保持上肢屈曲位会对肩部肌肉、韧带和关节面施加更大的力。然而只有少数研究真正分析了这些活动期间的受力情况；本节所引用的数据主要来自脊髓损伤人群的受试者测量，因此不能直接外推到下肢健全的普通人群。

有研究分析了轮椅活动中的受力情况。Koontz 等报告，脊髓损伤患者以两种速度推动轮椅时，盂肱关节上的平均峰值接触力约 110–200 N（25–45 磅）[11,22]；推进过程中由 Robertson 等报告的平均峰值力矩为 20–35 N·m [11,18]——力矩以肩关节为转动中心度量，量化了推进过程中肩部肌肉需要抵消与产生的总转动趋势。轮椅使用者为抬起臀部避免骶骨处压疮而采用的"减重"动作会在肩部产生约 1,000–1,500 N（225–337 磅）的载荷 [22,23]——该动作本质上是将体重经由双侧上肢而非坐骨结节传递至轮椅扶手或轮圈。van Drongelen 等的另一项模拟研究专门评估四肢瘫患者在减重抬臀时的盂肱关节受力 [23]，方法学上属于有限元-肌肉骨骼建模而非受试者直接测量，故应理解为基于模型的外推而非实测值。这些数据共同表明习惯性轮椅使用者肩部所承受的负担，并可能解释为何该人群肩痛主诉常见。仔细分析任务本身与轮椅设计可帮助研究者、临床医师和轮椅使用者制定策略与设备以保护其肩关节。

在采用摆过步态（swing-through gait）的腋杖行走研究中：5 名截瘫患者肩部峰值屈肌力矩经体重归一化后平均为 0.4 N·m/kg，而 8 名非截瘫个体平均略高于 0.2 N·m/kg [15]；截瘫组约为非截瘫组的 2 倍，差距主要来自推进方式与上肢-躯干协调策略的差异。这些活动期间报告的力矩大约是 90° 外展、肘伸直位等长外展 [6] 时报告力矩的 3 倍。尽管这些研究都未对关节反作用力作直接计算，但负重期间产生的力矩超过静态无负重姿势的 3 倍，很可能引起关节反作用力相应大幅增加。Hughes 与 An [6] 的研究之所以被作为基线，是因为它给出了静态外展下的肌力参考区间——把任何动态任务的力矩与之比较，就能估计该任务对肩部结构的相对要求。值得指出的是，尽管腋杖行走产生如此大的负荷，一项针对 10 名平均拄拐行走 8.7 年的受试者的研究却未发现双侧肩部出现退行性改变 [24]，提示肩关节复合体具有显著的韧性——长期训练下的肌力与关节耐受能力或可解释这种"无影像学退变"的现象，临床上为长期拄拐患者的预后咨询提供了相对积极的参考依据。

10.4 关节与肌肉受力分析与临床实践的联系（Connections between Analyses of Joint and Muscle Forces and Clinical Practice）

本章呈现的多项研究都使用了简化假设或简化的物理结构来代表复杂的解剖结构，其结果至多是对肩部实际所受载荷的估计。把这些研究报道的力的绝对值与软骨、骨和肌肉的最大可承受载荷作比较，可以帮助临床医师评估某项活动或练习可能产生的有害影响；这些知识对设计合适的关节置换器械同样关键。但在更广的意义上，这些研究为临床医师提供了一个理论框架来解释任何一位患者的主诉。即便是一个简化的力分析模型也使临床医师能够提出这样的问题：抬起这个 20 磅重的婴儿需要多少肌力？更进一步，是否有其他抬婴儿的方式可以减少所需肌力？类似地，临床医师可以追问：本强化练习中这个发炎关节的负荷是多少？能否以不同方式完成该练习以减小关节受力？虽然鲜有临床医师有机会定量地回答这些问题，但理解基本分析方法使其能对这些提问形成假设性答案；随后的临床观察则可支持或反驳这些估计。

[Box: Clinical Relevance — 类风湿关节炎与盂肱关节] 类风湿关节炎常累及盂肱关节并导致明显的疼痛与功能受限 [10]。简单的主动 ROM 中肱骨头所承受的巨大关节负荷为患者的疼痛主诉提供了充分的解释。维持活动度与增加力量的练习所带来之益处，必须与增大关节负荷、加剧疼痛乃至可能加速关节破坏的风险相权衡。临床医师必须研究关节位置与运动模式，使其在最大化生理效益的同时把关节的风险降至最低。例如在仰卧位或水中做主动 ROM 练习可降低上肢重量产生的力矩，所需肌力减少，关节反作用力也降低——这是关节炎患者更容易耐受这些练习的原因之一。

[Box: Clinical Relevance — 病例报告] 一名 30 多岁的女性画家因渐进性肩痛来物理治疗科就诊。她正在创作一幅大尺寸油画，需要长时间将绘画手高举过头。她在新项目开始第一周后逐渐出现肩痛——通常在连续工作数小时后发生，且每次画作后疼痛越来越重、持续时间越来越长。首次评估在周一上午进行——患者已 3 天未绘画，当时否认疼痛，所有测试未诱发疼痛。医嘱她在连续数日绘画后再来复诊，并要求安排在全天绘画之后。第二次就诊时，大结节上方有轻微压痛，ROM 全且无疼痛，肩部中立位等长收缩有力但略痛；抗阻肩外展尤其在中段轻度疼痛，反复收缩后加重。这些表现符合轻度肩峰下撞击或冈上肌腱激惹。治疗师假设：长时间在大画布上绘画令肩袖肌疲劳，其稳定盂肱关节的能力逐渐下降；随着稳定性下降，盂肱关节上向滑动增加，逐步导致肌腱撞击。该假设与文献一致。患者病史显示这份工作需要长时间将肩抬高过头，对她而言是项新活动，肌肉未经过该负荷的训练（她本人未意识到这是一项新或费力的活动）。治疗方案包括肩袖肌的力量与耐力训练，并嘱其在绘画时频繁休息以避免过度疲劳。患者 1 周后疼痛减轻，4 周后绘画时不再出现疼痛。

10.5 本章小结（Summary）

本章介绍了计算肌力与关节反作用力的基本二维方法。简化模型显示肩部在无额外阻力的主动外展中承受约相当于体重 50% 的负荷；更精细的分析预测负荷更高，承重活动则可预期产生更大负荷。肩关节复合体内部的功能损害也可能改变肩部所受负荷的方向与大小。尽管公开数据仅给出肩部受力的估计，本章讨论了这些分析理论框架的临床应用，并以一个患者实例展示所呈现数据的临床相关性。前两章已介绍肩关节复合体的骨、关节与肌肉的结构与功能，并讨论了这些结构功能损害的影响；本章则提出一个概念化方案——将肩视为一个承受可变负荷的力学系统，负荷大小取决于活动性质。该框架为临床医师提供了一种方法，用以识别造成肩部骨、关节与肌肉异常表现的基本机制，并为开具治疗方案以改善或恢复正常功能提供理论基础。相同的力学分析框架将在本书其余解剖区域中重复出现。

本章个人批注

第 10 章的精读让我第一次真切体会到"肩是非负重关节"这一旧观念有多不准确。Inman 的经典二维模型给出 0.4 BW 的关节反作用力只是"无负重主动外展"——没有手持任何东西；让那位患者抱住 15 磅的婴儿想象一下，对应的肌力与关节力在简化模型里就能上到 7.6 W 这个量级，再考虑肩袖肌共收缩的压缩分量（Box 10.2 之后的段落里 Inman 自己估计 10 倍上肢重量的压缩载荷），实际量级已经超过体重。这与本书前面强调的肩部"灵活性优先、稳定性让步"的设计哲学是一致的：四个关节协同换来巨大的活动范围，但日常每一刻的代价都是肌肉-韧带-关节面在反复的高负荷下工作。

我特别留意到第 10.2 节里"静不定（indeterminate）"这一概念。人体任何关节的真实未知量都远多于可用方程数，作者用"redundancy"一词来描述这个数学上不可解但生理上由肌肉协同策略唯一确定的状态。这是一个比第 7 章里单关节二维静力学更一般的工程问题——它解释了为什么会有那么多后续研究（van der Helm、Karlsson、Nieminen 等）都聚焦在肩部：肩关节的可变肌肉协同与活动 ROM 之大，使其成为检验肌肉协同优化假设的天然实验场。临床上的"撞击""无力""疲劳"等表现，本质上都可以在协同优化准则被扰动（某块肌失能）后做力学推演。

第 10.3 节轮椅推进 110–200 N 与减重动作 1,000–1,500 N 的对比非常震撼。同一群使用者，仅仅是把"推"换成"撑"，肩部负荷跳了一个数量级。这在临床上解释了为什么长期轮椅使用者肩痛高发，也提示腋杖/轮椅的设计（轮圈半径、手推节律、扶手高度）对肩部长期健康的影响远大于"硬件"二字所暗示的。第 10.4 节里那位油画家的病例其实就是个轻度版的"长时间高负荷过头位"，只不过她不是轮椅使用者，而是把肩部当成了"持续输出工具"。治疗师最后没有禁止她画画，而是把肌力训练 + 间歇休息纳入治疗，这种"保留活动、改造负荷"的临床思路比单纯"避免上举过头"更合理。

最后是对第 8、9、10 章组合的总体观感：第 8 章是结构（骨与关节形态），第 9 章是肌肉（每块肌的附着、力弱、紧张的影响），第 10 章是把前两章的力输入到一个可计算的力学模型里看肩部在功能状态下到底承受了什么。三章构成一个完整的"结构 → 肌肉驱动 → 受力分析"链条；这种写作安排本身在教读者如何用分层的方式处理一个真实的人体区域，对其他部位（肘、腕、手）的阅读是很好的脚手架。

与上下章的衔接（一段话）

第 10 章是"肩部单元"三章的收尾：第 8 章给出骨与关节的结构基础，第 9 章讨论肌群如何驱动这些关节产生功能动作，本章则把前两章的力输入简化的静力学模型，回答"肩部在日常活动中到底承受了多大的力"。本章出现的"静不定"概念、简化模型与精细模型的差异、肩袖肌共收缩对压缩力的贡献等论据，都直接建立在第 9 章对协同收缩的论述之上；而峰值反作用力出现于 90° 外展这一结论，则用第 8 章的肩肱节律把盂肱与肩胸关节的相对位置纳入考量。第 11 章起进入"肘单元"，作者在 Unit 2 开头已经点明：与肩部"以灵活性为代价换稳定性"不同，肘是"以稳定性为主、运动功能简化"的关节——这种结构-功能对应关系正是本书后续每个解剖单元都要重复的分析范式。