由于衰老、重复性的头顶活动以及职业压力，人类肩关节的骨关节炎越来越常见[1,2]。相关并发症包括肩关节活动受限、旋转袖撕裂风险增加、疼痛，以及在晚期阶段上肢功能受损[3]。在骨关节炎的最终阶段，全肩关节置换（TSR）作为第三大常见的全关节置换手术[4]，为缓解疼痛、改善关节功能和提高生活质量提供了有效的治疗手段[3]。
近年来，全球范围内TSR的发病率显著上升[5]，这凸显了人们对这一治疗方法潜力的日益认可。尽管术后患者满意度较高，但盂窝组件的长期稳定性以及解剖学全肩关节置换（aTSR）的翻修率（高达11.3%）仍然是一个重大挑战[6],[7],[8]，主要原因是不稳定、松动和旋转袖病变[9]。这表明有必要对术后并发症和失效机制有清晰的生物力学理解并进行有效管理[10]。
近年来，生物力学分析已成为肌肉骨骼生物力学领域中一种广泛采用的非侵入性工具，有助于分析关节动力学并加深对现有并发症的理解[11],[12],[13]，特别是在人工肩关节方面[14],[15],[16],[17]。
在这方面，多体骨骼模拟特别适用于对人体肌肉和关节动力学的详细、非侵入性分析[18]。这一建模方法最初由瑞典模型1992年提出[19]，随后是代尔夫特肩关节模型1994年[20]、加纳模型2001年[21]、SMM模型2005年[22]和纽卡斯尔模型2006年[23]。尽管这些模型为肩关节的生物力学提供了宝贵见解，但它们也存在一些局限性[24,25]。过去十年中，研究工作主要集中在解决这些局限性并提高模拟的可靠性和准确性上。例如，Saul等人2015年[26]研究了不同软件之间预测运动学的差异；Sins等人2015年[27]首次尝试使用AnyBody?建模系统引入了三维肱骨头位移和肩关节的接触相互作用[28]；吴等人2016年[29]通过比较OpenSim中开发的通用模型、缩放通用模型和患者特定模型，研究了肌肉-肌腱参数的个性化程度对肌肉骨骼模型准确性的影响[30]；Menon等人2016年[31]基于磁共振成像数据生成了一系列具有不同解剖细节水平的模型，系统地比较了模型精度对模拟结果的影响；Sarshari等人2017年[32]通过考虑运动的动态效应并使用非线性粘弹性近似来模拟关节接触；Seth等人2019年[33]提出了一个复杂的人类肩关节模型，准确再现了大型胸肩肌肉的运动，并在执行计算肌肉控制（CMC）时将计算性能提高了17倍[34]；Flores-Hernandez等人2019年[35]生成了1000个虚拟肩关节模型，以评估盂肱（GH）力量对这些参数的敏感性；Aurbach等人2020年[36]也对建模参数进行了敏感性分析，重点评估了手臂外展超过90°的较少研究的范围。最近，Khandare和Vidt 2023年[39]以及Menze等人2025年[37,38]通过模拟肩关节周围的韧带并对其结果进行了验证。此外，Dalman和Saul 2026年[39]采用概率建模方法量化了韧带材料属性的变异性对肩关节模拟的影响。
尽管针对原发性肩关节的进展显著，但针对TSR后肩关节的多体骨骼模型受到的关注相对较少[17]。现有模型存在一些局限性，包括未充分考虑GH关节的完整位移[15,16,27,40]、使用依赖力的运动学方法忽略了运动的动态效应[27,40,41]，以及对附着面积较大的肌肉仅使用有限的肌肉元素，这可能会影响结果的准确性[31,42]。
在这项研究中，我们旨在提出一个专门用于TSR后GH关节生物力学分析的模拟框架，适用于解剖学设计和逆向设计。具体目标有两个方面：首先，开发一个计算效率高且可靠的肌肉骨骼多体模拟框架，详细定义aTSR后的肌肉系统和GH关节；该框架通过整合先前模型忽略的复杂性来推进研究[15],[16],[17],[27,40,41]。此外，该框架不仅依赖逆向动力学和静态优化，后者在某些任务中被证明会低估肌肉激活情况[43]；相反，它结合了逆向和正向动力学方法，使用CMC算法来最小化计算误差，提高计算效率，并能够研究术中参数（如肌肉元素的切除）对TSR后关节生物力学的影响[44]。所提出的模拟框架涵盖了所有平移自由度（DOF）和关节植入物组件之间的摩擦接触建模，这对于理解TSR后GH关节的复杂相互作用和稳定机制至关重要[27]。第二个目标是利用先前计算研究、体外和体内测量数据来验证该模拟框架的结果。经过验证的框架用于估计aTSR后受试者在肩胛平面内抬升手臂时的相关GH关节指标，包括肌肉力量、关节接触力、接触力学和肱骨头位移。
