在需要人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)數(shù)據(jù)分析時(shí)的軟件選擇

剛接觸生物力學(xué)分析，面對(duì)各種生物力學(xué)分析軟件如何進(jìn)行選擇呢？只有真正使用過各種生物力學(xué)分析軟件的人才能給我們些許建議！

我最近在網(wǎng)上看到了查爾默斯科技大學(xué)-運(yùn)動(dòng)技術(shù)中心三位學(xué)者對(duì)他們使用過的生物力學(xué)分析軟件的評(píng)估，這篇文章最初發(fā)表在2016年國(guó)際體育工程協(xié)會(huì)第11屆會(huì)議，個(gè)人感覺文章中對(duì)生物力學(xué)分析軟件的評(píng)估是非�？陀^的，值得我們借鑒。

查爾默斯科技大學(xué)-運(yùn)動(dòng)技術(shù)中心的生物力學(xué)分析是針對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)，使用了OpenSim、BoB、AnyBody和SWUM軟件，由于SWUM軟件沒有與運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的接口來導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，所以我們暫且不將列入考慮之中。查爾默斯科技大學(xué)-運(yùn)動(dòng)技術(shù)中心的專家針對(duì)OpenSim、BoB、AnyBody的使用情況給出了如下描述：

1、OpenSim

OpenSim是一個(gè)免費(fèi)提供的軟件包，允許用戶建立、交換和分析肌肉骨骼系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型以及運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模擬。肌肉模型、分析、接觸模型或控制器可以從頭開始設(shè)計(jì)（C++），或者其他用戶已經(jīng)存在的模型可以縮放到新記錄的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行進(jìn)一步分析。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)具有.trc格式時(shí)，可以導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)。當(dāng)力板測(cè)量值、壓力中心數(shù)據(jù)或關(guān)節(jié)角度具有.sto或.mot格式時(shí)，可以將其添加到OpenSim分析中。EMG只能導(dǎo)入以與模擬進(jìn)行比較（.sto或.mot文件）。

生物力學(xué)數(shù)據(jù)可以通過以下特定步驟進(jìn)行分析：首先，將預(yù)定義肌肉骨骼模型的大小縮放為感興趣對(duì)象記錄的靜態(tài)標(biāo)記數(shù)據(jù)（圖1a）�？s放過程擬合了許多變量，如骨骼和肌肉長(zhǎng)度、每個(gè)骨骼的質(zhì)心位置和每個(gè)片段（包括骨骼和肌肉）的質(zhì)量，以記錄受試者。然后，可以進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)學(xué)或反向動(dòng)力學(xué)分析，從關(guān)節(jié)角度和外力計(jì)算關(guān)節(jié)力矩（圖1b）。通過殘差折減分析（RRA），將記錄的軌跡和記錄的地面反作用力之間的不匹配最小化。然后可以進(jìn)行靜態(tài)優(yōu)化，以進(jìn)一步將計(jì)算出的關(guān)節(jié)凈力矩分解為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的單獨(dú)肌力。然后，整個(gè)分析可以轉(zhuǎn)化為完整運(yùn)動(dòng)的模擬，包括相關(guān)肌肉的肌肉激活。

2.BoB-身體生物力學(xué)

三種評(píng)估工具中，BoB的界面最簡(jiǎn)單、最直接，可以直觀地了解關(guān)節(jié)接觸力、關(guān)節(jié)扭矩、運(yùn)動(dòng)軌跡和肌肉激活。它由36個(gè)骨骼段和666個(gè)運(yùn)動(dòng)肌肉單元組成。由于使用肌肉的方法不止一種，因此使用序列二次規(guī)劃優(yōu)化負(fù)荷分布。此外，角度、力、扭矩、肌肉特性或平衡動(dòng)作可以在視頻、圖表或列表中顯示（圖2）。該程序在Matlab中運(yùn)行，具有用于參數(shù)插入和輸入文件選擇的簡(jiǎn)單GUI。

反向動(dòng)力學(xué)計(jì)算器需要四個(gè)輸入文件（運(yùn)動(dòng)、力、骨骼屬性、肌肉屬性），用戶定義模擬的持續(xù)時(shí)間和時(shí)間增量。

為了定義模型的運(yùn)動(dòng)，必須添加運(yùn)動(dòng)文件（.txt、.csv、.c3d）。每種文件格式都需要對(duì)解剖標(biāo)志進(jìn)行一定的命名，并且需要一定數(shù)量的解剖標(biāo)志，例如，c3d文件需要具有30個(gè)標(biāo)記排列（Vicon命名）。BoB將在缺少標(biāo)記的情況下運(yùn)行，但如果無法找到必要的標(biāo)記來定義關(guān)節(jié)兩側(cè)的節(jié)段，則關(guān)節(jié)將無法鉸接。如果調(diào)查缺少標(biāo)記，用戶可以通過將真實(shí)標(biāo)記偏移來創(chuàng)建虛擬標(biāo)記（例如，左前頭距離右前頭左側(cè)100mm）[20]。

必須知道外力或地面反作用力，并手動(dòng)將其插入.txt文件（振幅、速度/頻率、時(shí)間、應(yīng)用點(diǎn)）。如果用戶不知道力，程序可以在一定程度上近似力。

骨架模型（.txt文件）可以根據(jù)生成運(yùn)動(dòng)文件的對(duì)象的高度/重量進(jìn)行調(diào)整。

也可以對(duì)肢體/骨骼的可能錯(cuò)位進(jìn)行建模。

有關(guān)所有考慮的肌肉的信息存儲(chǔ)在.mat文件中，該文件可以通過BoB界面訪問，并且可以添加/編輯/排除不同的肌肉。插入新肌肉需要全面了解其幾何形狀、插入點(diǎn)、力、纖維長(zhǎng)度等。

插入四個(gè)輸入文件后，BoB將計(jì)算模型的姿勢(shì)，并求解逆動(dòng)力學(xué)問題，以確定肌肉、關(guān)節(jié)和骨骼內(nèi)的載荷。反向動(dòng)力學(xué)解算器完成后，“播放”按鈕將為運(yùn)動(dòng)設(shè)置動(dòng)畫，并允許觀察不同的肌肉激活。結(jié)果可以使用輸出下拉菜單顯示在電影、圖像、表格或圖形中。
 

 

3. AnyBody建模系統(tǒng)

AnyBody目前可用的最復(fù)雜功能最全的肌肉和骨骼模型軟件工具，但必須購(gòu)買后才能使用。

它將肌肉骨骼系統(tǒng)看作是剛體系統(tǒng)，因而允許應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法。默認(rèn)的人體模型可以很容易地適應(yīng)用戶的需要（身高、體重、段長(zhǎng)、強(qiáng)度、骨骼幾何形狀），此外，物體、載荷和運(yùn)動(dòng)條件可以補(bǔ)充所討論任務(wù)的條件（圖3）。如果使用全身模型，則需要考慮458塊肌肉[21,22]。

可以對(duì)模擬中的環(huán)境進(jìn)行建模（可以導(dǎo)入STL格式），例如，將自行車或健身機(jī)添加到建模設(shè)置中。肌電信號(hào)只能用作驗(yàn)證工具，不能作為驅(qū)動(dòng)模型的輸入。

與其他軟件（如SolidWorks、Ansys、Abaqus等）的接口存在并開辟了新的可能性。模型本身可以由以下輸入驅(qū)動(dòng)：

•運(yùn)動(dòng)輸入可以從.c3d或.bvh文件提供。每個(gè)身體節(jié)段至少使用三個(gè)標(biāo)記是有價(jià)值的。該模型需要來自三維運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的輸入。

•力輸入

•環(huán)境輸入（將骨架連接到移動(dòng)表面）

•GUI合成運(yùn)動(dòng)（手動(dòng)移動(dòng)骨骼）
 

 

建模是在AnyScript語(yǔ)言中進(jìn)行的，該語(yǔ)言是一種聲明性的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言。每個(gè)模型分為兩個(gè)主要部分：模型部分（機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)、環(huán)境）和包含（運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力學(xué)分析等操作）的研究部分。AnyBodya利用逆動(dòng)力學(xué)方法，通過參考中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）解決肌肉招募的冗余問題。所有肌肉和關(guān)節(jié)力都可以確定為一個(gè)優(yōu)化問題的解決方案，該優(yōu)化問題表示中樞神經(jīng)系統(tǒng)希望最小化肌肉上的負(fù)荷。AnyBody提供了七種不同的縮放方法，其中最先進(jìn)的方法還考慮了脂肪百分比[23]。使用該軟件的可能方法是改變簡(jiǎn)單參數(shù)（例如負(fù)荷、姿勢(shì)）以計(jì)算該任務(wù)期間的肌肉反應(yīng)，或通過重新定義標(biāo)記協(xié)議將現(xiàn)有肌肉骨骼運(yùn)動(dòng)捕捉模型之一調(diào)整為新的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置、力平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的可用性，或從頭開始完全設(shè)計(jì)人體模型及其環(huán)境。當(dāng)分析動(dòng)物或未經(jīng)研究的關(guān)節(jié)或姿勢(shì)時(shí)，這可能是有益的。

我讀了整篇文章，初步可知，查爾默斯科技大學(xué)-運(yùn)動(dòng)技術(shù)中心的觀點(diǎn)是：對(duì)做學(xué)術(shù)項(xiàng)目的用戶來說，選擇OpenSim比較合適，由于它是免費(fèi)的，有大量用戶，同時(shí)還有一個(gè)大型社區(qū)與所有用戶分享使用經(jīng)驗(yàn)、開發(fā)的代碼、擴(kuò)展的模型模板和論文，對(duì)于做學(xué)術(shù)來說，可以得到較多支持；對(duì)做運(yùn)動(dòng)分析和生物力學(xué)教學(xué)的用戶來說，選擇BOB比較合適，因?yàn)樗�界面�?jiǎn)單，操作容易，還有較多的內(nèi)置模型，并且可以直觀地了解關(guān)節(jié)接觸力、關(guān)節(jié)扭矩、運(yùn)動(dòng)軌跡和肌肉激活情況；對(duì)于要重點(diǎn)研究人與環(huán)境之間的交互或手術(shù)規(guī)劃的用戶來說，還是選擇比較貴的AnyBody更適合，雖然它需要專門再去學(xué)習(xí)AnyScript語(yǔ)言的使用，操作非常復(fù)雜，但是它功能更強(qiáng)大，可以根據(jù)用戶的需求對(duì)模型進(jìn)行詳細(xì)調(diào)整。

任何工具都其自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們作為使用者，最關(guān)鍵在于知道自己要做什么，然后做出正確的選擇。BOB是性價(jià)比不錯(cuò)的產(chǎn)品，雖然不像OpenSim一樣是免費(fèi)的，目前也沒有很多資料介紹它的使用經(jīng)驗(yàn)或是作品分享，但是它容易上手，學(xué)習(xí)曲線短，可以輕松導(dǎo)入外部數(shù)據(jù)，而且BOB包含600多個(gè)運(yùn)動(dòng)肌肉單元組成的模型，OpenSim據(jù)我所知好像也就140多個(gè)吧。

就如本文開頭提到的，沒用過，聽別人描述，也只是建議，總會(huì)感覺不是很可靠，AnyBody有些昂貴，我們可以有機(jī)會(huì)再嘗試，但是對(duì)于BOB和OpenSim,我們就完全可以自己去嘗試呀！BOB是支持免費(fèi)試用的，OpenSim是免費(fèi)的，讓我們一起行動(dòng)起來吧！說不定不久后，我們就是分享經(jīng)驗(yàn)的人啦！

BOB可以通過郵件申請(qǐng)免費(fèi)試用，提供以下信息發(fā)送到info@deanwell.com.cn：

1）Name(姓名）—— 必填

2）E-mail(電子郵箱）——必填，用于接收軟件下載鏈接及LICENSE等信息

3）Organisation(單位名稱）——必填

4）Country(國(guó)家）—— 如果不填，則默認(rèn)為中國(guó)，BOB軟件有多語(yǔ)言版本，如有特殊需求一定要記得填寫此項(xiàng)

5）For what application will you use BoB?

（您使用BOB軟件做何用途）—— 必填，會(huì)根據(jù)您此處的填寫給您不同版本的BOB試用軟件；

6）How did you hear about BoB? (if on-line, please specify which site)

您是如何知道BOB軟件的？（如果是通過在線方式了解到BOB，敬請(qǐng)標(biāo)明網(wǎng)站名稱）——必填

7）PC or Mac version?（是選擇軟件運(yùn)行平臺(tái)）—— 必選，一定要根據(jù)實(shí)際使用情況選擇

OpenSim可以直接在它們的官網(wǎng)上下載：https://simtk.org/projects/opensim

但是官網(wǎng)下載是需要注冊(cè)SimTK賬號(hào)，如果不方便注冊(cè)，就可以去https://github.com/opensim-org/opensim-gui/releases下載！