文獻摘要——利用獨立於胸椎與肱骨的肩胛骨模型，探討棒球投擲中近端到遠端順序對最大肩關節角度以及肩關節內部撞擊風險的影響

整理起來，之後寫文章要用比較方便，阿我是用google翻譯後自己潤一遍，然後修正明顯錯誤翻譯，但也可能漏掉錯誤，而且有刪減部分內容(像是研方的硬體設置)，所以有能力的可以回去讀原文Proximal to distal sequencing impacts on maximum shoulder joint angles and the risk of impingement in baseball pitching involving a scapular independent thoracohumeral model

重點：

1.肩關節內部撞擊風險臨界範圍：手臂完全外展（約 90°）而肩胛骨沒有外旋，以及當肩胛肱關節外旋 超過60° 且水平外展 >30° 時

2.投球時可以避免這這種狀況，方法是錯開

1.背景與介紹

肩關節內部撞擊風險臨界範圍：手臂完全外展（約 90°）而肩胛骨沒有外旋，以及當外旋肩胛肱關節外展 60° 且水平外展 >30°10 時（稱為「hyperangulation」）。

在該臨界範圍，肩袖在大結節上的附著部位可能會被拉入關節窩，造成內部撞擊。

大量關節鏡相關的研究表明，受傷投手的肩關節內部的組織存在撞擊損傷。

棒球投手在投擲時的肩關節狀態有類似於hyperangulation(可以暫時理解成超伸，但不確定是否完全同義)的特徵； 因此在投手中觀察到的肩袖和關節盂唇損傷，被認為是由於投擲過程中該特徵導致的內部撞擊造成的。

然而尚未有研究提供傳遞過程中hyperangulation的運動學證據。

受限於影像分析法，現有大多數運動生物力學研究，都採用將軀幹的胸部、骨盆以及兩肩胛骨範圍融合在一起所模擬的軀幹模型。

現已有兩項研究定義了投球期間，高風險之肩胛胸廓關節及肩胛肱關節之關節角度。

然而這些研究沒有輕易地為觀察到的關節動作與肩傷危險因子間提供基於運動學或動力學的解釋。

這問題需要徹底分析投球手臂在全力投球時的動力鏈細節，以檢驗上述投手的肩關節內部撞擊損傷是否因手臂板機期之hyperangulation導致，並具體描述棒球投手在投球過程中肩胛肱關節超伸成因與機制(或未超伸成因與機制)。

2.此研究目的：

量化頂尖投手中，由骨盆啟動的運動序列中肩胛骨的協調機制；並且整合自由肩胛胸廓關節模型，來闡明肩關節在最大角度的真正運動狀態，為肩內部撞擊機制提供運動學解釋。

3.研究方法

對日本的72 名投手，利用運動感測器(我用不到所以此段沒翻，是有關感測器運作原理、感測器性能、部件黏貼與電線固定手法之類的東東)進行分析。

職棒投手28 名（年齡：24±±4.3 歲；體重：85±5.4 公斤；身高：1.82±0.045 公尺）；頂級業餘投手16 名（年齡：24± 2.7 歲；體重：78 ± 6.2 kg；身高：1.77 ± 0.049 m）及28名學生運動員（年齡：237.4歲kg；身高：1.79 ± 0.065 m）。

這些頂級業餘球員是晉級日本業餘棒球協會（JABA）組織的全國錦標賽的企業贊助球隊的成員。

JABA全國錦標賽競爭激烈，參賽者經常入選日本國家隊或進入職棒。

這些投手是從先前分析(可能是該研究團隊過去的研究，或者是指研究前的志願者徵選)的92 名高技術成年投手中挑選出來的，依據以下三個標準：(a) 身體狀況自我報告為健康，沒有妨礙正常投球表現的身體傷害或疼痛，(b) 當天的投球強度自評為“正常強度”，並且 (c) 快球速度超過 35.7 公尺/秒（80 英里/小時）以確保足夠用力。

在收集數據時，選定的參與者代表了各自競技水平的精英投手。

一年後這些投手裡，有 2 名進入大聯盟，10 名頂級業餘/大學投手進入職棒，並有10 名大學投手加入企業球隊。

全局參考系的正X軸、Y軸和Z軸分別與投球方向、朝向一壘的橫向方向和向上的垂直方向對齊。

利用分段的角速度大小說明動作順序。

對於手臂和前臂，其分段繞其長軸的角速度分量（即手臂的內旋/外旋角速度和前臂的旋前/旋後角速度）不包括在綜合角速度大小的計算中，因為它不影響動力鏈遠端的速度。

每位投手總共確定了12 個角速度變數（= 3 個分量 × 4 個節段[不包括非投擲臂]）和9 個關節運動學變數（= 3 個分量 × 3 個軀幹和投擲臂關節）。

在肩關節處，手臂相對於肩胛骨的方向由三個歐拉角 (Euler angles)決定，依序為水平內收角（HAD）、仰角（EL）和內旋角（IR）。

在功能性肩胛胸關節處，肩胛骨相對於胸廓的方位由三個萬向角(Cardan angles)決定，依序為肩胛骨前伸/後縮角、肩胛骨上旋/下旋角和肩胛骨後傾/前傾角。

對於軀幹中段關節(模型將軀幹分為兩段，軀幹中段關節為連結兩端的關節)，胸部相對於骨盆的方向由軀幹伸展、側彎曲和軀幹扭轉順序的三個歐拉角決定。

4.結果

圖 1

The positions of body landmarks (left) and the definitions of joint angles at shoulder (scapulohumeral) joint, functional scapulothoracic joint, and simplified mid-torso joint (right): An experienced operator palpated 23 body landmarks and digitized each of them with a stylus. The position of each shoulder joint center could not be measured directly with the stylus and, thus, it was estimated mathematically as the rotation center of the arm relative to scapula. The joint angles are computed in accordance with the ISB recommendation.43

提取以下五個關鍵時刻的節段運動學和關節運動學進行統計分析：跨步後前腳觸地（SFC）、肩胛-肱關節最大外旋（MER）、球出手（BR）和最大肩胛-肱內旋（MIR ）。

SFC 被視為大約是軀幹最大程度地遠離骨盆扭轉的瞬間；BR則被估計為前臂排除繞軸旋轉分量後的綜合角速度最大值發生瞬間。

除此之外額外定義兩個關鍵時機點。

第一個是當投球臂完全抬起並且前臂最大程度地向後傾斜時。

我們(指研究團隊們)將此瞬間命名為最大前臂後仰（maximal forearm layback，圖 2A：MFL）。 此時間點由將前臂的縱軸投影到全域參考系的 XZ 平面，並計算其相對於 X 軸的角度所確定。

第二個是手臂相對於胸椎的肩部旋轉角度達最大時（external shoulder rotation angle of the arm relative to the thorax圖 2B：MER-thrx）。

MER-thrx 是廣泛使用的最大肩外旋定義，代表肱骨和軀幹之間的關係。

相對的，MER 是最大肩胛骨外旋，代表肱骨和肩胛骨之間的獨立關係。

每個關鍵時刻相對於 BR 的時間被定為時間變數並用於分析。

圖 2

The body configurations at four events: (A) The pitching arm is fully cocked and the forearm is leaned backward maximally (MFL: the external rotation angle at shoulder was 98 ± 14°), (B) the humerus is externally rotated maximally on thorax (MER-thrx: 110 ± 14°), (C) the humerus is externally rotated maximally on scapula (MER: 112 ± 14°), and (D) the ball release (BR).

表1

Note: The moment of ball release is set to time = 10 s. The times of the critical instances were significantly different from each other (p < 0.001). Abbreviations: BR, ball release; MER, maximum humeral external rotation relative to scapula; MER-thrx, maximum humeral external rotation relative to thorax; MFL, maximum forearm layback; MIR, maximum humeral internal rotation relative to scapula; SFC, stride foot contact.

圖 3

The proximal-to-distal sequencing of angular velocities of body segments. The values are the magnitude of the resultant angular velocity of each segment, given that the component of the segmental angular velocity around its longitudinal axis (i.e., the angular velocity of internal/external rotation for the arm and that of pronation/supination for the forearm) was not included for arm and forearm. This component was excluded for the two segments because it does not affect the linear velocity of the distal end of the segment or the motion-dependent kinetic interaction with the adjacent segment. The solid lines and dashed lines indicate the means and standard deviations of all subjects, respectively. The curved arrows on the pitching figures indicate the instants that the maximum angular velocities of respective body segments are achieved.

表2

Note: The moment of ball release is set to time = 10 s. Angular velocity is the magnitude of the resultant angular velocity, given that the internal/external rotation component for arm and the pronation/supination component for forearm (angular velocity of) were not included. The maximum angular velocity increased significantly in the order of the pelvis, thorax, scapula, humerus, and forearm (p < 0.001) and the time of peak achievement delayed significantly distally (p < 0.001). Abbreviations: BR, ball release; MER, maximum humeral external rotation relative to scapula; MER-thrx, maximum humeral external rotation relative to thorax; MFL, maximum forearm lean, MIR, maximum humeral internal rotation relative to scapula; SFC, stride foot contact.

圖 4

Three anatomical components of segmental angular velocities: (top) sagittal plane, (mid) frontal plane, and (bottom) transverse plane. The angular velocities on sagittal, frontal, and transverse planes present the components of the segmental angular velocity about transverse, frontal, and longitudinal axes of the segment, respectively, except for arm. Due to arm abduction near 90° throughout these events, the longitudinal component of the arm's angular velocity approximated the sagittal plane motion, and the component around the longitudinal axis of thorax approximated the transverse plane motion. Notes: Each asterisk (*) indicates significant difference in segmental angular velocity between successive events. nsa-b indicates non-significant difference between segmental velocities of “a” and “b” for the specified event (significant differences were found for all other pairs).

在SFC時，軀幹中段關節(研究團隊將軀幹簡化為兩段，軀幹中段關節即軀幹兩端間的簡化關節)最大扭轉（−47.8 ± 11.0°），骨盆在矢狀面中向前旋轉（以209.5 ± 89.4 °/s向前傾斜），而其他節段在同一平面中向後旋轉（圖 5）。 它導致軀幹中段關節從此時的接近中立位置（−1.7±±16.6°）延伸到MFL處的大延伸角（13.9±±12.0°）（圖5）。

從SFC到MER-thrx期間，胸廓、肩胛骨、手臂在矢狀面上依序伸展（圖4）。

這種按順序運動的現象導致相鄰的兩分段裡遠端會落後近端。

具體而言，胸部旋轉剛開始從反向(相對於投球終點)旋轉反轉為正向時，會導致肩胛胸廓關節處胸部肩胛骨後傾角從SFC時的1.0 ± 9.5°增加到MFL時的16.1 ± 10.8°（圖5）。

在投球手臂完全伸展時，前臂在矢狀（XZ）平面上向後傾斜 182°±27°（圖 2A）。

平均而言，這段伸展由 77° 的骨盆角度、12° 的軀幹中段關節角度、21° 的肩胛骨角度，以及 72° 的手臂和前臂在矢狀面上的相對角度所組成。

在此位置肩胛肱關節的外旋僅限於 98.0°。

於MFL 和MER-thrx 之間的接下來0.02 秒內，軀幹中段關節彎曲9.5°（從MFL 時的13.9± 12.0° 到MER-thrx 時的4.4±±11.3°），並且肩胛骨從下壓反轉成上提（圖4），導致肩胛胸關節向前傾斜3.7°（從16.1 ± 10.8°到12.4 ± 11.5°）（圖5）及肩胛肱關節外旋至次最大角度110.7 ± 13.8 °，儘管此時前臂已經開始向前旋轉（圖2B）。

此後，軀幹中關節的屈曲和肩胛胸關節處的肩胛骨繼續前傾，導致肩胛肱關節的外旋角度又增加了0.008°s，達到最大值112.5±14.0°（圖 2C）。

由於此模式顯示矢狀面的分段角速度依序反轉，因此 MFL、MER-thrx 和 MER 的發生具有統計上顯著的時間差（表 1）。

圖 5

Joint angles at six critical events: (top) mid-torso joint, (mid) functional scapulothoracic joint, and (bottom) shoulder and elbow joints.

在橫向平面上，從SFC 到MIR 期間，所有分段均向前旋轉至本壘板（圖4），但在骨盆、胸部和肩胛骨之間觀察到遠端節段的滯後性，以及正向運動前先出現的關節反向運動。

當前腳接近地面時，胸部在橫向平面的角速度（即扭轉速度）急劇增加，並在 SFC 時超過骨盆的角速度（圖 4）。

然後在 SFC 和 MER-thrx 之間的時間段內，它被肩胛骨和手臂的角速度（即肩胛骨的前伸/前凸速度和手臂的水平內收速度）超越（圖 4）。

這些事件之間的時間延遲導致軀幹中段關節在向前扭轉之前，在SFC 處最大向後扭轉（−47.8 ± 11.0°），並導致肩胛胸廓關節在向前伸展之前後縮/內收（−2.2± 11.3°） （圖5）。

有趣的是，肱骨和肩胛骨在橫向平面上沒有表現出如其他關節間的分段(但連續)動作模式，而是在 MFL 到 MER 階段一起旋轉（圖 4）。

在此期間肩胛骨前伸速度略低於肱骨水平內收速度，因此這段時期的水平外展角平均值並沒有增加（圖5）。

最終結果上，MFL（16.4±±8.7°）、MER-thrx（12.7±±8.7°）和MER（11.9±±8.7°）的水平內收角相似，均顯著小於撞擊風險臨界角30°。（所有p < 0.001）。

5.討論

優秀投手的骨盆、胸椎、肩胛骨、手臂和前臂，在投球中表現出從近端到遠端的良好協調順序。

並且聚焦於研究肩胛骨運動後發現：

（a）在手臂板機期結束時觀察到的前臂疑似過度向後傾斜（圖2A：MFL），是在肩關節處於無風險外旋角度的情況下達到，

並且

（b）最大外旋是在 MFL 之後達到的，即前臂開始在矢狀面向前旋轉之後。

MFL、MER-thrx和肩部肱骨真實最大外旋（MER）按此順序發生，但有時間差，且肩胛肱關節沒有被迫進行先前一些研究中(這些研究採用了肩胛骨與軀幹一體的模型)所描述的，肩胛肱節出現達150-180°的過度外旋。

相對的，在橫向平面中，肱骨和肩胛骨在MFL 和MER 之間一起旋轉，並且水平外展角在此期間沒有增加。

這種肱骨和肩胛骨間的獨特協調是第一次被描述，其作用是維持這些節段在橫向平面上的對齊，防止肩胛肱骨關節在完全蓄力位置及其附近出現hyperangulation，從而降低骨折風險。

推測由於在場的參與者都是健康的精英投手，大多數參與者（佔全部參與者的98.6%）的肩關節在MER 處沒有達到30° 的水平外展角，若超過該角，肩袖在大結節的附著組織就可能會被拉入關節盂，導致內部撞擊。

此外，大多數參與者從 MFL 到 MER 的水平外展處於安全範圍。

這代表在投球過程中觀察到的看似過度的手臂後伸位置本身並不存在肩部撞擊的風險，並且這是透過在一組包含投球手側的胸部、肩胛骨和肱骨的交互動作(motion-dependent)中藉由適當順序伸展與製造時間差所達成。

這些發現表明，在投球的力量傳遞過程中，達到最大肩關節角度的動力鏈的正確運動模式應至少具有以下兩個特徵：

（a）在矢狀面上從向後(伸展)到向前(收縮)的動作反轉是按照胸廓、肩胛骨和肱骨的順序啟動，使得MFL、MER-thrx 和MER 以此順序發生，但彼此間有時間延遲；

（b）肱骨和肩胛骨在MFL和MER之間的橫向平面中一起旋轉，使得肱骨不會進一步落後於肩胛骨而使肩胛肱關節呈現hyperangulation。

此外，時機不當的胸椎、肩胛骨的旋轉、後縮或胸椎和肩胛骨的非典型運動，可能會干擾肩關節複合結構內的綜合動作系統協調各運動的時間和速度，而這可能會有病理性的影響。

一位參與者的MER水平外展角（5個快球投球為35.7±0.8°）超過了可能導致肩內部撞擊的動作範圍臨界值30°。

他從近端到遠端的投球順序在兩個方面與其他人不同：

首先，在上臂的角速度從峰值開始下降之後，肩胛骨的角速度基本上達到了峰值（圖6A，深色垂直帶）。

這種延遲顛倒了肩胛骨和手臂從近端到遠端的順序，阻礙了投球手相對於肩胛骨角速度的增加。

肩部水平內收角速度（由手臂相對於肩胛骨向前方向的旋轉速率表示）可能尚未達到足夠高的值以減少 MER 的水平外展角。

其次，在 MER 之前的較長一段時間內，肩胛骨角速度超過了投擲臂的角速度（圖 6A，淺垂直帶）。

在此期間，肩部水平內收角速度減小至接近零（圖6B），且肩部水平外展角在達到安全範圍之前停止減少（圖6C）。

換句話說，時機不當的肩胛骨前伸/前凸阻礙了手臂相對於肩胛骨的伸展，並使手臂整體動作落後於肩胛骨，同時投擲臂的肩胛骨上旋幅度增加到最大。

由此產生的肩部結構狀態符合具風險的hyperangulation。

這種由於時機不當的肩胛骨前伸而導致的非典型肩胛位置，可能代表了投球過程中功能性肩胛骨運動障礙的一個例子。

我們在這裡使用修飾語“功能性”，是因為在投球過程中出現了非典型的肩胛運動，但該投手在站立姿勢或標準化手臂運動測試中（外展/內收、水平外展/內收和內/外旋轉，沒有表現出具有肩胛骨損傷的跡象（肩胛骨錯位、下內側緣突出、喙突疼痛和錯位以及肩胛運動運動障礙））。

這位投手在數據收集中報告說他感到「(投球)手在畜力時要抬起來時感覺有點卡」。

這表明他在數據收集當天的投球動作暫時有些不尋常，並解釋了為什麼該投手在數據收集後的 6 個多月內沒有肩部受傷的原因。

然而，本例中觀察到的運動學特徵表明，因為較差的肩胛骨協調性，在投球過程中發生了肩胛肱關節的hyperangulation，間接支持了目前的假設，即hyperangulation可能會導致肩關節內部撞擊，並引起棒球投手的肩袖和盂唇損傷。

圖 6

Kinematic data of one participant whose horizontal abduction angle at MER exceeded the critical value (30°) indicative of internal impingement10: (A) The proximal-to-distal sequencing of angular velocities of body segments, (B) joint angular velocity at scapulohumeral joint, (C) scapulohumeral joint angle. Data presents the means and standard deviations of five fastball pitches recorded on the same day. Although this pitcher exhibited no sign of SICK scapula29 (Scapular malposition, Inferior medial border prominence, coracoid pain, and malposition and dyskinesis of scapular movement) either in standing posture or during standardized arm motions (abduction/adduction, horizontal abduction/adduction, and internal/external rotation), an off-timed recoiling of scapular rotation and atypical sequence of the open kinetic chain motion of scapula and arm disturbed the coordinated motions within the shoulder complex that increased the risk of internal impingement.

不過在本研究中，僅以手臂完全伸展處及其附近的hyperangulation的形式探討肩內部撞擊問題。

儘管在假設中該位置的肩部構造較容易受到病理性力學的影響，但肩內部撞擊仍可能發生在手臂完全伸展處之外的位置。

解剖學和生物力學證據表明，當手臂完全外展（大約90°）而沒有相對於肩胛骨外旋時，就會發生肩內部撞擊。因此當手臂剛抬起外展完時，亦有可能發生內部撞擊，這部分的問題仍有待研究。