Patients with a brachial plexus lesion sometimes undergo a glenohumeral arthrodesis in order to prevent the joint from subluxation and to achieve some function restoration of the arm. As a result of the arthrodesis, the scapula and humerus start to move as one bone and the thoracoscapular muscles are the actuators. This study was initiated to predict the optimal fusion angles for a glenohumeral arthrodesis. The altered muscle functions and subsequently changed motion range and ability to exert forces was the main research goal. Very little quantitative as well as qualitative knowledge existed about the mechanics of the shoulder mechanism. During the project the aim of the research became more generally to get insight into the mechanics of the shoulder mechanism, and especially into the function of muscles and ligaments. Therefore, a inverse dynamic model of the shoulder mechanism has been developed. The shoulder mechanism is one of the most complex musculoskeletal systems of the human body. Thorax, clavicula, scapula and humerus are interconnected by three joints which allow a considerable range of motion. Motions of the scapula are constrained by the scapulothoracic gliding plane which turns the shoulder girdle, i.e. clavicula and scapula, into a closed-chain mechanism. Three extracapsular ligaments are crossing the joints and seventeen muscles control the motions of the shoulder girdle and humerus.

The shoulder mechanism model is based on the finite element method as implemented in the computer program 'SPACAR'. It is an inverse dynamic model:​ Input variables are the position, velocity and acceleration of the bones, and external forces. Output variables are muscle forces calculated subject to an optimization criterion. All gross morphological structures have been represented by elements:​ The bones have been represented by BEAM elements, joints by HINGE elements, ligaments by TRUSS elements, the scapulothoracic gliding plane by two specially- developed SURFACE elements, and muscles by force-generating TRUSS or CURVED-TRUSS elements which represent the muscle lines of action. CURVED-TRUSS elements are wrapped around the surface of bony contours. Four optimization criteria have been compared:​ Minimization of the sum of quadratic muscle forces, minimization of the sum of quadratic muscle stresses, minimization of the sum of squared quotients of muscle force and length-dependent, maximal muscle force, and minimization of the maximal muscle stress in the entire system. Additional constraint to the optimization was the requirement that the resultant force vector in the glenohumeral joint must point from the rotation center inside the glenoid cavity, otherwise the joint will dislocate.

Parameters for the model have been derived in an extensive cadaver study consisting of 14 shoulders of 7 cadavers. In the model parameters of one more or less median cadaver have been used. From anthropometric measurements the inertia of the segments has been estimated. The physiological cross-sectional area (PCSA) and weight of the muscles have been recorded in order to estimate the maximal muscle force. The so-called palpator, a kind of spatial digitizer, has been used to record the three-dimensional (3D) positions of morphological structures, including muscle and ligament attachments, articular surfaces, bony contours, the scapulothoracic gliding plane and bony landmarks. Geometric forms have been fitted to the data points of the morphological structures for implementation into the model. In addition, a new theory has been developed for representation of the mechanical effect of muscles with large attachment sites by multiple lines of action. In the model one to six lines of action have been used for each muscle.

Positions of the shoulder mechanism bones were recorded in 10 subjects during unloaded and loaded abduction and anteflexion. Mean values were used as input for the model. Since only static positions could be recorded, the model has also been used for static calculations only. The length change of shoulder muscles during humeral elevation is very large compared with leg muscles during locomotion. This large length change would imply that some muscles could not exert any force at 180 degrees humeral elevation when a normal force-length relation between 60% and 140% of muscle optimum length is assumed. It has been concluded that the amplitude of rectified and integrated EMG could not be used to validate the model, due to the length-dependency of EMG and the unknown force-length relationship. Only on/off comparisons can be made which was not sufficient to distinguish between the four optimization criteria. Muscle functions have been analysed by establishing moment balances around the axes of the three shoulder mechanism joints. Then, forces at the scapulothoracic gliding plane are part of the balance. M. serratus anterior exerts the largest moment around the sternoclavicular (SC-) and acromioclavicular (AC-)joint. M. trapezius merely serves to position the clavicula in order to provide a point of support for the large lever arm of m. serratus anterior. Next to m. deltoideus, m. subscapularis was the second important abductor of the glenohumeral (GH-)joint. Rotator cuff muscles were active in controlling the stability of the GH-joint by pointing the resultant force vector to the articular surface of the glenoid. Lig. conoideum counterbalances the axial rotating forces at the clavicula of the clavicular parts of m. trapezius and m. deltoideus. As a result, the axial rotation of the clavicula closely follows the lateral rotation of the scapula, with minimal rotations of the AC-joint. During abduction, the largest moment around the sagittal axis of the SC-joint was due to the reaction force of the thorax at Angulus Inferior. The laterally rotated and protracted scapular position is a stable position which requires little muscle activity. Since no mono-articular muscles are crossing the AC-joint, the connection between the medial border of the scapula and the thorax is necessary for the stability of the shoulder girdle.

Three-dimensional positions of the shoulder mechanism bones were recorded in 10 subjects using a palpation technique in which bony landmarks were palpated and subsequently digitized using the palpator. Hence, the position of the bones could be reconstructed. Accuracy of the palpation method is estimated to be in the range of common used 3D cinegraphic methods. Bony rotations have been described using Euler angles. Motion definitions are hampered by the lack of an anatomical position of the shoulder girdle bones and by the lack of well-interpretable rotation axes like a flexion/extension or abduction/adduction axis. Several 3D motion definitions have been compared. Finally, two definitions have been chosen since they provide the best interpretable rotations. In the first definition rotations of the bones have been described around axes of the global coordinate system with respect to a virtual reference position in which the bony local coordinate system coincides with the global coordinate system. In the second definition joint rotations have been described around axes of the global coordinate system with respect to the initial (rest) position of the bones at 0 degrees humeral elevation.

The shoulder mechanism model has been used to analyse the effect of different fusion angles on mobility area of the hand and maximal lifting forces after a glenohumeral arthrodesis. Scapular motions have been recorded in 10 subjects, mean fusion angles have been recorded in 18 patients and the morphology of one cadaver has been used. Maximal lifting force can be exerted when the scapula is in a protracted and laterally rotated position, due to the large moment arm of m. serratus anterior in that position. The mean fusion angles (i.e. subsequently 60 degrees endorotation, 9 degrees abduction and 13 degrees anteflexion) provided a mobility area of the hand in the midsagittal plane.

During wheelchair propulsion the largest external moments are exerted at the shoulder mechanism joints, but little is known about individual muscle contribution. Bony positions, external forces and EMG have been recorded simultaneously on a stationary wheel-chair ergometer. Muscle force patterns predicted by the model did reasonably agree with EMG-patterns. Muscle forces and moments around joint axes have been analysed. Extension of the recordings to dynamic situations is discussed.

It is concluded that a useful biomechanical model of the shoulder mechanism has been developed. Simulations result in a reliable prediction of muscle function for most muscles, and in addition ligament forces and joint reaction forces are calculated. The model allows for a wide application, e.g. improving the diagnosis of shoulder problems by analyzing the normal situation, and for prediction the effect of operations like implanting an endoprosthesis. In ergonomic situations the model can predict the load on morphological structures, which can be helpful to improve the design of man-machine interfaces like the propulsion mechanism of a wheelchair.

Bij patiënten met een beschadiging van de plexus brachialis wordt soms een glenohumerale arthrodese uitgevoerd, met als doel te voorkomen dat het gewricht subluxeert en om enig functieherstel van de arm te bereiken. Als een gevolg van de arthrodese zullen de scapula en humerus als één botstuk gaan bewegen, waarbij de thoracoscapulaire spieren als actuatoren functioneren. Dit onderzoek is gestart om de optimale fixatiehoeken te voorspellen bij een glenohumerale arthrodese. Het voornaamste onderzoeksdoel was de veranderde spierfuncties en de daarmee samenhangende verandering van bewegingsruimte en vermogen om krachten uit te oefenen. Er waren zeer weinig kwantitatieve en kwalitatieve gegevens over de mechanica van het schoudermechanisme bekend. Tijdens het verloop van het onderzoek werd het doel van het onderzoek algemener gesteld, namelijk het verkrijgen van inzicht in het mechanisch functioneren van het schoudermechanisme, met name in het functioneren van spieren en ligamenten. Om die reden is een inverse dynamisch model van het schoudermechanisme ontwikkeld. Het schoudermechanisme is een van de meest complexe spierskeletsystemen van het menselijk lichaam. De thorax, clavicula, scapula en humerus zijn onderling verbonden door drie gewrichten met een aanzienlijke bewegingsruimte. De bewegingen van de scapula worden beperkt door het scapulothoracale glijvlak, waardoor de schoudergordel, d.w.z. de clavicula en scapula, een gesloten keten vormt. Drie extracapsulaire ligamenten lopen over de gewrichten, en zeventien spieren sturen de bewegingen van de schoudergordel en de humerus.

Het model van het schoudermechanisme is gebaseerd op de eindige elementen methode zoals geïmplementeerd in het computerpakket 'SPACAR'. Het is een inverse dynamisch model:​ Ingangsvariabelen zijn de positie, snelheid en versnelling van de botstukken, en uitwendige krachten. Uitgangsvariabelen zijn spierkrachten, die berekend worden met behulp van een optimalisatiecriterium. Alle grote morfologische structuren worden gerepresenteerd door elementen:​ De botstukken worden gerepresenteerd door BEAM elementen, gewrichten door HINGE elementen, ligamenten door TRUSS elementen, het scapulothoracale glijvlak door twee speciaal ontwikkelde SURFACE elementen, en spieren door kracht-genererende TRUSS en CURVED- TRUSS elementen, die de werklijnen van spieren voorstellen. CURVED-TRUSS elementen zijn gekromd rond het oppervlak van botcontouren. Vier optimalisatiecriteria zijn vergeleken:​ Minimalisatie van de som van gekwadrateerde spierkrachten, minimalisatie van de som van gekwadrateerde spierspanningen, minimalisatie van de som van de gekwadrateerde quotiënten van spierkracht en maximale, lengte-afhankelijke spierkrachten, en minimalisatie van de maximale spierspanning in het gehele systeem. De voorwaarde, dat de resulterende krachtvector in het glenohumerale gewricht vanaf het rotatiepunt binnen de cavitas glenoidalis moet wijzen, is een extra beperking in de optimalisatieprocedure. Als aan deze voorwaarde niet zou zijn voldaan, zou het gewricht disloceren.

De modelparameters zijn verkregen in een uitgebreide kadaverstudie, waarin 14 schouders van 7 kadavers zijn gemeten. Voor het model zijn de parameters van één min of meer mediaan kadaver gebruikt. Met behulp van antropometrische metingen zijn de segmentstraagheden geschat. De fysiologische dwarsdoorsnede en het gewicht van de spieren zijn gemeten om de maximale spierkracht te schatten. De drie-dimensionale (3D) posities van de morfologische structuren zoals de aanhechtingen van spieren en ligamenten, gewrichtsvlakken, botcontouren, het scapulothoracale glijvlak en markante botpunten, zijn gemeten met de zogenoemde palpator, een instrument om ruimtelijke posities te meten. Door de meetpunten van de morfologische structuren zijn geometrische vormen geschat, die in het model geïmplementeerd kunnen worden. Er is een nieuwe theorie ontwikkeld om het mechanisch effect van spieren met grote aanhechtingsplaatsen te representen met behulp van meerdere werklijnen.

De posities van de botstukken van het schoudermechanisme zijn gemeten bij 10 proefpersonen tijdens onbelaste en belaste abductie en anteflexie van de humerus. De gemiddelde waarden zijn gebruikt als ingangsvariabelen voor het model. Omdat slechts statische posities gemeten konden worden, is het model ook slechts gebruikt voor berekeningen in statische situaties. De lengteveranderingen van spieren tijdens elevatie van de humerus zijn zeer groot vergeleken met de lengteveranderingen van beenspieren tijdens het lopen. Deze grote lengteverandering zou betekenen dat sommige spieren niet in staat zouden zijn om kracht uit te oefenen bij 180 graden elevatie van de humerus, wanneer uitgegaan wordt van een normale kracht-lengte relatie tussen 60% en 140% van de optimum spierlengte. Er is geconcludeerd dat de amplitude van het gerectificeerde en geïntegreerde EMG niet gebruikt kan worden om het model te valideren, omdat EMG lengte- afhankelijk is en de kracht-lengte relatie van de spieren onbekend is. Er kunnen slechts aan/uit patronen vergeleken worden, wat niet voldoende is om onderscheid te maken tussen de vier optimalisatiecriteria. Spierfuncties zijn geanalyseerd door momentenbalansen rond de assen van de drie gewrichten van het schoudermechanisme op te stellen. In dat geval vormen de krachten in het scapulothoracale glijvlak onderdeel van de momentenbalans. M. serratus anterior oefent het grootste moment uit rond het sternoclaviculaire (SC-) en acromioclaviculaire (AC-)gewricht uit. M. trapezius dient voornamelijk om de clavicula zodanig te positioneren dat dit botstuk een steunpunt vormt voor de grote hefboom van de m. serratus anterior. Na de m. deltoideus bleek de m. subscapularis de tweede belangrijke abductor van het glenohumerale (GH-)gewricht. De spieren van de rotatorenmanchet zijn aktief om de stabiliteit van het GH-gewricht te regelen door de resulterende spierkrachtvector te richten binnen het gewrichtsvlak van de cavitas glenoidalis. Het ligamentum conoideum vormt een tegenwicht voor de axiaal roterende krachten op de clavicula van de claviculaire delen van de m. deltoideus en m. trapezius. Door het ligamentum conoideum volgt de axiale rotatie van de clavicula de laterorotatie van de scapula, waardoor de rotaties in het AC- gewricht minimaal zijn. Tijdens abductie wordt het grootste moment rond de sagittale as van het SC-gewricht geleverd door de reactiekrachten van de thorax op de Angulus Inferior. De laterorotatie en protractie van de scapula resulteert in een stabiele positie, die weinig spierkracht vereist. Omdat er geen mono-articulaire spieren over het AC-gewricht lopen, is de verbinding tussen de mediale rand van de scapula en de thorax noodzakelijk voor de stabiliteit van de schoudergordel.

De drie-dimensionale posities van botstukken van het schoudermechanisme zijn gemeten bij 10 proefpersonen met behulp van een palpatietechniek, waarbij markante botpunten worden gepalpeerd en vervolgens gemeten met de palpator. Zo kan de positie van de botstukken worden gereconstrueerd. De nauwkeurigheid van de palpatiemethode is vergelijkbaar met algemeen gebruikte 3D film- of videomethoden. De rotatie van botstukken wordt beschreven met behulp van Euler hoeken. Het definiëren van de bewegingen wordt bemoeilijkt door het ontbreken van een anatomische positie van de botstukken van de schoudergordel en door het ontbreken van goed gedefinieerde rotatieassen, zoals een flexie/extensie as of een abductie/adductie as. Een aantal 3D bewegingsdefinities is met elkaar vergeleken. Uiteindelijk zijn twee definities gekozen omdat ze de best interpreteerbare rotaties opleveren. In de eerste definitie worden de rotaties van de botstukken beschreven rond assen van het globale assenstelsel, uitgaande van een virtuele referentiepositie waarin het lokale assenstelsel van het botstuk samenvalt met het globale assenstelsel. In de tweede definitie worden de rotaties in de gewrichten beschreven rond de assen van het globale assenstelsel, uitgaande van de initiële (rust)positie van de botstukken (bij 0 graden humeruselevatie).

Het model van het schoudermechanisme is gebruikt om het effect van verschillende fixatiehoeken op de bewegingsruimte van de hand en op de maximale tilkrachten na een glenohumerale schouderarthrodese te analyseren. De bewegingen van de scapula zijn gemeten bij 10 proefpersonen, de gemiddelde fixatiehoeken zijn gemeten bij 18 patiënten en de morfologie van één kadaver is gebruikt. De maximale tilkracht kan worden uitgeoefend wanneer de scapula is gelateroroteerd en geprotraheerd. In die positie heeft de m. serratus anterior een grote momentarm. De gemiddelde fixatiehoeken (achtereenvolgens 60 graden endorotatie, 9 graden abductie en 13 graden anteflexie) resulteren in een bewegingsruimte van de hand in het midsagittale vlak. Tijdens het aandrijven van een rolstoel worden de grootste momenten uitgeoefend rond de gewrichten van het schoudermechanisme, maar er is slechts weinig bekend van de bijdrage van individuele spieren. Op een rolstoelergometer zijn de positie van de botstukken, uitwendige krachten en EMG gelijktijdig gemeten. Spierkrachtpatronen zoals die berekend zijn met het model kwamen redelijk overeen met de EMG-patronen. De spierkrachten en de momenten rond de gewrichtsassen zijn geanalyseerd. De mogelijkheden van metingen in dynamische omstandigheden worden besproken. De conclusie luidt dat een bruikbaar model van het schoudermechanisme is ontwikkeld. Modelsimulaties leveren voor de meeste spieren betrouwbare voorspellingen van hun functies op. Tevens kunnen de krachten in ligamenten en gewrichten worden berekend. Het model kan op een groot aantal gebieden toegepast worden, b.v. voor het verbeteren van de diagnose van schouderklachten door de normale situatie te bestuderen, en voor het voorspellen van het effect van operaties zoals het implanteren van een endoprothese. Op ergonomisch gebied kan het model de belasting op de morfologische structuren voorspellen, hetgeen gebruikt kan worden voor het verbeteren van het ontwerp van mens-machine interfaces zoals het aandrijvingsmechanisme van een rolstoel.