丁立軍，呂杰，魏俊璟，徐軍，曹金鳳

1.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院（上海， 201318）

2.上海大學(xué)期刊社（上海，200444）

0 引言

與人體運動相關(guān)的大量研究數(shù)據(jù)表明，人體肌肉骨骼系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運動涉及到多個要素的相互作用。早期臨床醫(yī)生在中風(fēng)、骨關(guān)節(jié)炎和帕金森病的臨床觀察和研究中發(fā)現(xiàn)，人體運動異常與人體關(guān)節(jié)運動、肌肉力、肌肉與骨骼之間幾何關(guān)系的變化具有相關(guān)性。通過實驗對人體進(jìn)行運動和動力學(xué)研究是探索上述問題的基本方法，但由于關(guān)節(jié)力、肌肉力等重要的變量在實驗中通常無法測量，僅憑實驗數(shù)據(jù)很難在復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)中建立因果關(guān)系。因此，需要建立一個與實驗相結(jié)合的虛擬仿真環(huán)境和算法工具，來幫助研究人員更有效地開展人體運動研究。

早期的研究人員在人體運動的動態(tài)模擬方面取得了一定的研究成果，并開發(fā)了相關(guān)算法對肌肉和接觸進(jìn)行模擬，建立了骨骼肌肉的幾何模型［1］。許多實驗室也開發(fā)了自己的仿真軟件，但由于各個實驗室的研究成果不向外界公開，仿真分析工作在實驗室之外很難開展。20世紀(jì)90年代初期，Delp等［2］引入了一個稱為SIMM的骨骼肌肉建模環(huán)境，該環(huán)境允許用戶創(chuàng)建、更改和評估不同的骨骼肌肉模型［3］，并開發(fā)了人體下肢和上肢模型。研究人員通過該平臺可以創(chuàng)建人體骨骼肌肉計算機(jī)模型，并可模擬步行、騎自行車、跑步、爬樓梯等運動。下肢模型用于估計正常和病理步態(tài)中的肌腱長度、速度、力矩臂和加速度［4-5］，主要用于分析髕骨疼痛患者的關(guān)節(jié)力學(xué)特性，計算跑步過程中膝蓋的受力，檢查腳的位置和關(guān)節(jié)順應(yīng)性對踝扭傷的影響，人體異常步態(tài)的運動分析以及脊髓損傷患者的治療等。盡管SIMM可以幫助用戶制定骨骼肌肉模型和進(jìn)行運動模擬，但不具備肌肉激勵和肌肉力計算功能。

2007年，Seth等［6］開發(fā)的OpenSim的運動仿真軟件在美國生物力學(xué)學(xué)會會議上以免費軟件包的形式正式推出，逐漸成為人體運動與動力學(xué)研究的主流分析平臺之一。該軟件平臺自首次發(fā)布以來，在生物力學(xué)、骨科和康復(fù)科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、人體工程學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文從運動與動力學(xué)分析、力學(xué)建模、算法優(yōu)化與軟件功能提升幾個方面對OpenSim在人體骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行介紹，為研究人員了解OpenSim在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展以及后續(xù)相關(guān)研究工作提供參考。

1 人體骨肌系統(tǒng)運動與動力學(xué)分析

OpenSim可對人體在各種運動狀態(tài)下的運動進(jìn)行模擬與分析，其研究成果可用于提升運動員的動作技巧和運動成績，如對高爾夫揮桿動作中不同姿勢的各個關(guān)節(jié)進(jìn)行動作和姿態(tài)采集，并對基本初學(xué)者與高技能球員的揮桿方式和特點進(jìn)行對比分析，其結(jié)果可用于提高運動員的運動技能。穆雪蓮［7］分別采集2名受試者在起跑后第一步支撐期的運動參數(shù)、地面反作用力和表面肌電數(shù)據(jù)，在OpenSim3.3 中分別建立2名受試者的下肢三維骨骼肌肉模型，分別計算起跑后第一步支撐階段的下肢臀大肌、髂腰肌、股四頭肌、腘繩肌、小腿三頭肌和脛骨前肌的肌肉力和做功大小。通過對比發(fā)現(xiàn)，提升踝關(guān)節(jié)跖屈肌的離心收縮力，有助于提高運動員在起跑加速階段的運動表現(xiàn)。在日常生活中，人體特定動作姿態(tài)對人的健康狀況往往會產(chǎn)生較大的影響。Molinaro等［8］對固體廢物重量和收集拋擲方法對腰背疼痛（low back pain，LBP）的影響進(jìn)行分析，研究比較了對稱技術(shù)、不對稱固定姿勢技術(shù)和不對稱樞軸技術(shù)的廢物收集拋擲方法和不同重量垃圾袋對腰部力矩和關(guān)節(jié)反作用力的影響。結(jié)果表明，在處理輕型物體時應(yīng)使用快速、不對稱的技術(shù)；對較重的物體應(yīng)使用較慢的對稱性技術(shù)，以減少廢物收集投擲技術(shù)期間的LBP風(fēng)險。且無論采用何種技術(shù)，增加裝袋質(zhì)量通常均會增加LBP危險因素。

對人體植入物的運動模擬也是近年來的一個發(fā)展方向。Chan等［9］采用Opensim仿真代替體外實驗實現(xiàn)了膝蓋植入物運動參數(shù)的快速測試。采用對稱、不對稱和解剖形態(tài)3種不同的植入物進(jìn)行測試和驗證仿真模擬的準(zhǔn)確性。測試對象為膝關(guān)節(jié)從00和1350屈曲過程中的中性路徑、前切、后切、外旋和內(nèi)旋等運動狀態(tài)參數(shù)。通過對3種膝蓋植入物的在體實驗和仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了仿真模擬的準(zhǔn)確性。OpenSim還可以通過跨平臺解決方案實現(xiàn)肢體局部骨肌系統(tǒng)的運動控制與仿真。Mansouri等［10］基于Matlab的S功能機(jī)制將OpenSim與Simulink集成在一起，采用開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)對手臂模型進(jìn)行運動仿真和運動控制。通過閉環(huán)系統(tǒng)中的比例積分微分控制器可以使手臂模型在隨機(jī)外力干擾下獲得平衡。

2 生物力學(xué)建模

2.1 個性化骨肌系統(tǒng)建模

對研究對象進(jìn)行建模是人體骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)的研究基礎(chǔ)。隨著該領(lǐng)域研究的不斷深入，針對不同疾病、個體差異和特定的研究目的構(gòu)建個性化骨肌模型是人體骨肌生物力學(xué)研究的熱點之一。

人體的運動機(jī)能是由神經(jīng)和肌肉骨骼系統(tǒng)共同完成的，神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙往往會引起運動機(jī)能的異常，如糖尿病神經(jīng)病變和腦性偏癱。已有研究數(shù)據(jù)表明［11］，糖尿病神經(jīng)性病變多伴隨著末端血管疾病和肢端功能異常，可影響患者下肢及全身的運動功能。通過個性化骨肌建模并對正常人和糖尿病患者的步態(tài)生物力學(xué)和肌肉功能進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，對照組脛骨后肌、比目魚肌、拇趾屈肌、趾屈肌及趾伸肌的功能更強(qiáng)勁，而糖尿病組踝關(guān)節(jié)活動度降低且跖背屈肌群活動減弱，上述研究結(jié)果對制定提升肌力和關(guān)節(jié)活動度的訓(xùn)練方案具有重要參考價值。

腦功能異常會導(dǎo)致神經(jīng)肌肉系統(tǒng)出現(xiàn)運動功能障礙，如腦性偏癱患者常呈現(xiàn)異常步態(tài)，臨床表現(xiàn)為髖關(guān)節(jié)外展肌群的降阻代償機(jī)制。通過構(gòu)建個性化肌骨模型，并對軀干側(cè)傾對髖關(guān)節(jié)冠狀面的關(guān)節(jié)力矩與功率影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)病患組軀干腰椎段冠狀面ROM比正常組大，髖關(guān)節(jié)力矩顯著降低而腰椎段力矩與功率均顯著高于正常組。研究表明，偏癱患者需通過代償機(jī)制提高軀干肌群的功能和作用［12］。

肥胖不僅與多種疾病有關(guān)而且是造成下肢關(guān)節(jié)退行性病變的一個風(fēng)險因素。Sasaki等［13］研究表明，身體質(zhì)量每增加 5 kg，發(fā)生膝關(guān)節(jié)炎的機(jī)率就增加35%。通過構(gòu)建個性化肌骨模型對正常人與肥胖人群下肢關(guān)節(jié)的運動特點、肌肉力與關(guān)節(jié)力的相互關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用不同步速進(jìn)行坡度行走時，與正常人組相比，肥胖組股脛接觸力較高且膝關(guān)節(jié)彎曲較小。在慢速上坡行走時，落地期肥胖組股脛接觸力降低幅度較小，蹬離期顯示出更大的股脛接觸力。該成果可為成年肥胖人群進(jìn)行減重的運動模式的選擇提供參考［14］。

對人體不同部位的局部骨骼肌肉系統(tǒng)進(jìn)行研究已成為一種發(fā)展趨勢，不同的研究人員需根據(jù)自己的研究需要建立差異化的研究對象。在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，崔偉玲等［15］基于患者骨骼數(shù)據(jù)，構(gòu)建了個性化全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后骨骼肌肉多體動力學(xué)模型。建立骨骼實體以及骨標(biāo)點和肌肉標(biāo)點，參照OpenSim廣義模型的肌肉插入點和附著點信息構(gòu)建基于Hill 模型的肌肉。該研究成果為膝關(guān)節(jié)疾病患者術(shù)前進(jìn)行假體設(shè)計提供了理論支持。

已有研究顯示脊柱穩(wěn)定性與特定的肌肉激活模式具有極大的相關(guān)性。但由于脊柱肌肉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及患者脊柱和椎骨關(guān)節(jié)幾何形狀的可變性，使脊柱骨肌系統(tǒng)的個性化建模具有一定的難度。自從1992年Bogduk等最初建立人類腰椎模型以來，后續(xù)研究者提出了多個新的或改進(jìn)模型，且模型的復(fù)雜性不斷增加。在最近的研究成果中，Christophy等［16］建立了基于OpenSim平臺的腰椎模型，該模型將腰肌解剖結(jié)構(gòu)與肌腱力的產(chǎn)生要素相結(jié)合，有利于腰椎進(jìn)行更準(zhǔn)確的運動和動態(tài)分析。模型適用于對背部疼痛、關(guān)節(jié)變性和肌肉激活模式改變的相關(guān)性、舉重過程中拮抗性肌肉共激活現(xiàn)象以及脊柱穩(wěn)定性的伴隨影響等問題進(jìn)行研究。

基于OpenSim平臺的骨肌系統(tǒng)建模主要依據(jù)患者的骨長和質(zhì)量等屬性對已有的標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行縮放來實現(xiàn)。為解決在個性化手部建模中如何準(zhǔn)確定位手指肌肉附著點位置等問題，Lee等［17-18］首先通過部分速度法計算所有內(nèi)在和外在的肌肉力矩臂來估計肌肉功能，采用優(yōu)化后的“模擬退火”和Hooke-Jeeves算法尋找肌肉-肌腱路徑來確定手指肌肉附著點位置，并討論了模型與實驗測量位置數(shù)據(jù)和機(jī)械功能（力矩臂）相匹配的問題。該路徑實現(xiàn)了被測對象和模型力矩臂之間的均方根差異的最小化。

2.2 軟組織建模

膝關(guān)節(jié)中的軟組織屬于致密結(jié)締組織（dense connective tissues，DCT），包括韌帶、肌腱和關(guān)節(jié)囊。DCT對關(guān)節(jié)運動狀態(tài)的影響很大，因此，這些組織的異常會導(dǎo)致肢體活動受限并可能造成永久性殘疾。韌帶在動態(tài)活動中受傷的概率較高，其中韌帶撕裂是最常見的損傷之一，需要保守治療或手術(shù)重建［19］。為揭示不同應(yīng)變率下的力-長度特性，Schmitz等［20］在OpenSim中開發(fā)了分別具有10個DCT束和18個DCT膝關(guān)節(jié)束的下肢模型，模型中定義了具有線性力-長度特性的DCT，該特性與應(yīng)變率無關(guān)。而后續(xù)的膝關(guān)節(jié)韌帶相關(guān)運動研究表明，動態(tài)活動期間前交叉韌帶損傷發(fā)生時間范圍在10到40 ms之間［21］。因此，要了解韌帶損傷機(jī)理并對其進(jìn)行仿真，必須將DCT的應(yīng)變率依賴性納入考慮范圍。由于應(yīng)變率實驗存在一定困難，Sikidar等［22］將有限元方法、離散元技術(shù)與剛體和軟組織力學(xué)特性相結(jié)合，建立了基于OpenSim平臺的骨骼肌肉模型。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定了20個膝關(guān)節(jié)DCT束的材料屬性，并對0.000 1～100/s應(yīng)變率、10～40 ms范圍內(nèi)的 DCT束的力-伸長特性進(jìn)行模擬計算，得出每個DCT的應(yīng)變率函數(shù)。該研究為動態(tài)情況下組織行為精確建模提供了參考。

2.3 彈性接觸建模

臨床治療中的骨科植入物設(shè)計需要對關(guān)節(jié)的功能和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。計算機(jī)仿真已成為分析研究動態(tài)活動中關(guān)節(jié)接觸力的常用方法。早期研究人員建立了可變形的有限元關(guān)節(jié)接觸模型，但是該模型較復(fù)雜并且計算量很大。后期出現(xiàn)了一種用于接觸建模的替代方法，即彈性基礎(chǔ)（elastic foundation, EF）算法。與有限元模型相比，該算法計算成本相對較低，可將關(guān)節(jié)接觸算法整合到肌肉驅(qū)動模擬中［20］，但該算法在實施過程中，存在著某些參數(shù)難以確定的問題。針對這一問題，Hast 等［23］對OpenSim中的彈性基礎(chǔ)接觸模型的相關(guān)變量進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過對4個金屬-塑料接觸表面進(jìn)行力學(xué)實驗，記錄了從100～750 N之間的循環(huán)載荷期間的載荷-位移曲線，并采用彈性基礎(chǔ)算法對接觸力學(xué)進(jìn)行了建模。該模型也可對自然和手術(shù)關(guān)節(jié)接觸作用進(jìn)行仿真估計。

3 平臺軟件功能的提升與算法優(yōu)化

OpensSim作為對人體骨肌系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析的軟件平臺，已在平臺開發(fā)初期就提供了若干計算和分析工具。隨著該軟件在生物力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用研究的不斷拓展，其已有工具的分析、計算功能均不能滿足要求，對平臺原有工具功能的完善和新計算分析方法的開發(fā)，也是后續(xù)Opensim應(yīng)用研究中的重要工作之一。

文獻(xiàn)［24］通過開放式Matlab界面增強(qiáng)了Opensim中的靜態(tài)優(yōu)化（static optimization, SO）功能，使計算出的肌肉激活度除了平衡外部施加的力矩，同時也可以滿足必要的機(jī)械穩(wěn)定性要求。這種穩(wěn)定性受限的靜態(tài)優(yōu)化（stability-constrained SO，SCSO）適用于需要對抗性肌肉共同收縮以穩(wěn)定人體關(guān)節(jié)的作用。與SO求解相比，SCSO預(yù)測的肌肉激活EMG數(shù)據(jù)的平均偏差較小，在外部負(fù)荷高度變化的情況下肌肉的平均激活增加，實現(xiàn)了與實驗數(shù)據(jù)較好的匹配。

慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步為無實驗室運動分析方法提供了新的可能。慣性運動傳感技術(shù)允許采用小型、移動式和便宜的解決方案來代替昂貴的大型、固定式光學(xué)采集系統(tǒng)。Borbély等［25］提出了一種用于測量并分析人體手臂運動的擴(kuò)展工作流程和算法，算法基于上肢模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)建了原型標(biāo)記集，該標(biāo)記集使用可從慣性測量系統(tǒng)獲得的方向數(shù)據(jù)用于模型關(guān)節(jié)角度的重建，并提出了相應(yīng)的重建算法。這與OpenSim的逆向運動學(xué)工具相比，在保持?jǐn)?shù)值精度的同時，大幅度提升了運算速度。

基于特定研究對象的測量數(shù)據(jù)對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行縮放，是進(jìn)行運動學(xué)分析的前提和基礎(chǔ)，但不同的縮放方法可能造成研究結(jié)果之間差異。Bakke等［26］對受試者靜態(tài)站立和以自選速度行走進(jìn)行了動作捕捉實驗，分別采用線性縮放與形狀模型縮放方法對標(biāo)準(zhǔn)人體骨肌模型進(jìn)行縮放，比較了2種縮放方法引起的路段長度、關(guān)節(jié)中心位置差異以及對步態(tài)測量數(shù)據(jù)可重復(fù)性的影響。結(jié)果表明，采用形狀模型縮放肌肉骨骼模型可得到重復(fù)性較高的運動和動力學(xué)步態(tài)數(shù)據(jù)。

為研究在模型標(biāo)記匹配過程中，參與者參數(shù)數(shù)據(jù)對運動分析結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，Wells等［27］在標(biāo)記點匹配階段，對縮放模型分別進(jìn)行了常規(guī)的標(biāo)記對齊操作（MR）以及在標(biāo)記點匹配中添加了被測對象特定的肘部屈曲、伸展角和基于DK（direct kinematic, DK）模型的外展角關(guān)節(jié)坐標(biāo)2個附加約束操作（MRPC）。采用上述2種標(biāo)記點匹配方法對測試者之間運動參數(shù)的重復(fù)性進(jìn)行比對分析。結(jié)果顯示，在模型標(biāo)記點匹配階段指定參與者特定的關(guān)節(jié)坐標(biāo)約束可提高逆向運動學(xué)（inverse kinematics，IK）分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

4 總結(jié)

OpenSim的應(yīng)用領(lǐng)域已從正常人體運動研究發(fā)展到臨床疾病的生物力學(xué)機(jī)制研究，從采用OpenSim已有計算工具分析問題深入到算法工具及應(yīng)用創(chuàng)新、模型驗證和Opensim再開發(fā)。人體三維模型也從最初的下肢肌肉骨骼模型向全身骨骼、肌肉、組織結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)接觸面、個性化建模以及人機(jī)與環(huán)境耦合等方向發(fā)展。由于OpenSim具有對肌肉形態(tài)參數(shù)控制精細(xì)、計算誤差小、計算速度快等特點，日益受到生物力學(xué)研究人員的關(guān)注。

基于OpenSim運動仿真研究的未來發(fā)展趨勢主要集中在:異常步態(tài)的神經(jīng)肌肉作用機(jī)制和步態(tài)補(bǔ)償機(jī)制研究；骨性關(guān)節(jié)炎的肌肉工作特性研究；與有限元分析方法相結(jié)合，揭示人體運動中骨骼肌肉間的相互作用機(jī)制和力學(xué)特性研究；人體動作的協(xié)調(diào)機(jī)制探索以及通過運動模擬改進(jìn)動作技術(shù)和預(yù)防運動損傷等研究。