Shoulder stability is primarily ensured by coordination of muscular action. While the influence of passive anatomical structures on shoulder stability has been studied to some extent, the mechanisms involved in active muscular stabilization of the shoulder remain poorly understood. The aim of this thesis was to develop a realistic and anatomically precise three-dimensional numerical model to simulate active joint balance and stabilization.

In a first step, a novel method is presented to automatically compute the muscle path, relying on contact detection capabilities of commercial FE packages. Realistic muscle length and moment arm were predicted when compared to experimental measurements over a wide range of shoulder motion. This method eliminates many of the weaknesses associated with available methods, providing a valuable tool for both general and subject-specific musculoskeletal modeling.

Second, this anatomical information was used to estimate the muscle forces needed to balance and stabilize the glenohumeral joint. An innovative algorithm distributes infinitesimal forces to selected groups of shoulder muscles (those possessing most favorable moment arms at the given static position) to balance and stabilize the joint. Realistic muscle forces can be predicted for any given position of the humerus in equilibrating an external force acting in any arbitrary direction.

Finally, the resultant force was applied in a 3D finite element model of the glenohumeral joint for simulation of joint contacts and humeral head translations. The framework was exploited to simulate elevation as a composite of instantaneous positions and thoroughly validated.

Muscle path, muscle forces and joint contact characteristics can now be computed automatically, at any joint position. This is the first model able to cope with the wide glenohumeral joint range of motion in all degrees of freedom and the considerable variability in external loading conditions as encountered in daily life activities. This framework may be used to address clinical hypotheses related to shoulder joint stability that cannot be pursued using simplified modeling approaches.

Die Stabilität der Schulter wird hauptsächlich durch die Koordination von Muskelaktivität gewährleistet. Die Mechanismen dieser aktiven, muskulären Stabilisierung der Schulter werden derzeit noch zu wenig verstanden. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein realistisches und anatomisch präzises, dreidimensionales, numerisches Modell zu entwickeln. Damit kann simuliert werden, wie das Gelenk aktiv im Gleichgewicht gehalten und stabilisiert wird.

Zuerst wird ein neues Verfahren zur Simulierung des Muskelpfades vorgestellt, das sich auf die automatische Kontakterkennung von kommerziellen Finite-Elemente-Programme stützt. Realistische Muskel- und Hebelarmlängen wurden über einen weiten Bereich der Schulterbewegung vorausberechnet. Diese Methode beseitigt viele der Schwächen, die mit den existierenden Methoden verbunden sind, und stellt ein wertvolles Instrument für die allgemeine und subjektspezifische Modellierung des Bewegungsapparat dar.

Im Folgenden wurden die Muskelkräfte, die für das Gleichgewicht und Stabilisierung des Schultergelenks nötig sind, abgeschätzt. Ein neuartiges Algorithmus verteilt infinitesimale Kräfte unter ausgewählten Gruppen von Schultermuskeln (solche, mit günstigsten Hebelarm bei der gegebenen statischen Position). Zum ersten Mal konnten hiermit realistische Muskelkräfte vorausgesagt werden, welche in beliebiger Humerusposition eine externe Kraft aus beliebiger Richtung balancieren.

Schließlich wurde die resultierende Kraft in einem dreidimensionalen Finite-ElementeModell des Schultergelenks appliziert, um artikuläre Kontakte und Verschiebungen am Humeruskopf simulieren zu können. Das System wurde zur Simulation von einer Bewegung als Zusammensetzung momentaner Positionen angewendet, und sorgfältig validiert. Muskellinie, Muskel-Kräfte und Gelenkkontakte können nun automatisch simuliert werden, unabhängig vom Gelenksposition. Dies ist das erste Modell, welches dem breiten Beweglichkeitsspektrum des Schultergelenks mit seinen verschiedenen Freiheitsgraden und der beträchtlichen Variabilität der täglichen Belastungen gewachsen ist.

Dieses Werkzeug kann nun zur Testung von klinischen Hypothesen über die Stabilität des Schultergelenkes angewendet werden, die mit vereinfachten Modellen nicht untersucht werden können.