OpenSim在人体骨肌系统生物力学中的应用

丁立军，吕杰，魏俊璟，徐军，曹金凤

1.上海健康医学院 医疗器械学院（上海， 201318）

2.上海大学期刊社（上海，200444）

0 引言

与人体运动相关的大量研究数据表明，人体肌肉骨骼系统的协调运动涉及到多个要素的相互作用。早期临床医生在中风、骨关节炎和帕金森病的临床观察和研究中发现，人体运动异常与人体关节运动、肌肉力、肌肉与骨骼之间几何关系的变化具有相关性。通过实验对人体进行运动和动力学研究是探索上述问题的基本方法，但由于关节力、肌肉力等重要的变量在实验中通常无法测量，仅凭实验数据很难在复杂的动态系统中建立因果关系。因此，需要建立一个与实验相结合的虚拟仿真环境和算法工具，来帮助研究人员更有效地开展人体运动研究。

早期的研究人员在人体运动的动态模拟方面取得了一定的研究成果，并开发了相关算法对肌肉和接触进行模拟，建立了骨骼肌肉的几何模型［1］。许多实验室也开发了自己的仿真软件，但由于各个实验室的研究成果不向外界公开，仿真分析工作在实验室之外很难开展。20世纪90年代初期，Delp等［2］引入了一个称为SIMM的骨骼肌肉建模环境，该环境允许用户创建、更改和评估不同的骨骼肌肉模型［3］，并开发了人体下肢和上肢模型。研究人员通过该平台可以创建人体骨骼肌肉计算机模型，并可模拟步行、骑自行车、跑步、爬楼梯等运动。下肢模型用于估计正常和病理步态中的肌腱长度、速度、力矩臂和加速度［4-5］，主要用于分析髌骨疼痛患者的关节力学特性，计算跑步过程中膝盖的受力，检查脚的位置和关节顺应性对踝扭伤的影响，人体异常步态的运动分析以及脊髓损伤患者的治疗等。尽管SIMM可以帮助用户制定骨骼肌肉模型和进行运动模拟，但不具备肌肉激励和肌肉力计算功能。

2007年，Seth等［6］开发的OpenSim的运动仿真软件在美国生物力学学会会议上以免费软件包的形式正式推出，逐渐成为人体运动与动力学研究的主流分析平台之一。该软件平台自首次发布以来，在生物力学、骨科和康复科学、神经科学、人体工程学、体育科学等领域得到了广泛的应用。本文从运动与动力学分析、力学建模、算法优化与软件功能提升几个方面对OpenSim在人体骨肌系统生物力学领域的研究成果进行介绍，为研究人员了解OpenSim在该领域的研究进展以及后续相关研究工作提供参考。

1 人体骨肌系统运动与动力学分析

OpenSim可对人体在各种运动状态下的运动进行模拟与分析，其研究成果可用于提升运动员的动作技巧和运动成绩，如对高尔夫挥杆动作中不同姿势的各个关节进行动作和姿态采集，并对基本初学者与高技能球员的挥杆方式和特点进行对比分析，其结果可用于提高运动员的运动技能。穆雪莲［7］分别采集2名受试者在起跑后第一步支撑期的运动参数、地面反作用力和表面肌电数据，在OpenSim3.3 中分别建立2名受试者的下肢三维骨骼肌肉模型，分别计算起跑后第一步支撑阶段的下肢臀大肌、髂腰肌、股四头肌、腘绳肌、小腿三头肌和胫骨前肌的肌肉力和做功大小。通过对比发现，提升踝关节跖屈肌的离心收缩力，有助于提高运动员在起跑加速阶段的运动表现。在日常生活中，人体特定动作姿态对人的健康状况往往会产生较大的影响。Molinaro等［8］对固体废物重量和收集抛掷方法对腰背疼痛（low back pain，LBP）的影响进行分析，研究比较了对称技术、不对称固定姿势技术和不对称枢轴技术的废物收集抛掷方法和不同重量垃圾袋对腰部力矩和关节反作用力的影响。结果表明，在处理轻型物体时应使用快速、不对称的技术；对较重的物体应使用较慢的对称性技术，以减少废物收集投掷技术期间的LBP风险。且无论采用何种技术，增加装袋质量通常均会增加LBP危险因素。

对人体植入物的运动模拟也是近年来的一个发展方向。Chan等［9］采用Opensim仿真代替体外实验实现了膝盖植入物运动参数的快速测试。采用对称、不对称和解剖形态3种不同的植入物进行测试和验证仿真模拟的准确性。测试对象为膝关节从00和1350屈曲过程中的中性路径、前切、后切、外旋和内旋等运动状态参数。通过对3种膝盖植入物的在体实验和仿真模拟结果进行对比分析，验证了仿真模拟的准确性。OpenSim还可以通过跨平台解决方案实现肢体局部骨肌系统的运动控制与仿真。Mansouri等［10］基于Matlab的S功能机制将OpenSim与Simulink集成在一起，采用开环和闭环系统对手臂模型进行运动仿真和运动控制。通过闭环系统中的比例积分微分控制器可以使手臂模型在随机外力干扰下获得平衡。

2 生物力学建模

2.1 个性化骨肌系统建模

对研究对象进行建模是人体骨肌系统生物力学的研究基础。随着该领域研究的不断深入，针对不同疾病、个体差异和特定的研究目的构建个性化骨肌模型是人体骨肌生物力学研究的热点之一。

人体的运动机能是由神经和肌肉骨骼系统共同完成的，神经系统功能障碍往往会引起运动机能的异常，如糖尿病神经病变和脑性偏瘫。已有研究数据表明［11］，糖尿病神经性病变多伴随着末端血管疾病和肢端功能异常，可影响患者下肢及全身的运动功能。通过个性化骨肌建模并对正常人和糖尿病患者的步态生物力学和肌肉功能进行对比分析发现，对照组胫骨后肌、比目鱼肌、拇趾屈肌、趾屈肌及趾伸肌的功能更强劲，而糖尿病组踝关节活动度降低且跖背屈肌群活动减弱，上述研究结果对制定提升肌力和关节活动度的训练方案具有重要参考价值。

脑功能异常会导致神经肌肉系统出现运动功能障碍，如脑性偏瘫患者常呈现异常步态，临床表现为髋关节外展肌群的降阻代偿机制。通过构建个性化肌骨模型，并对躯干侧倾对髋关节冠状面的关节力矩与功率影响进行分析，发现病患组躯干腰椎段冠状面ROM比正常组大，髋关节力矩显著降低而腰椎段力矩与功率均显著高于正常组。研究表明，偏瘫患者需通过代偿机制提高躯干肌群的功能和作用［12］。

肥胖不仅与多种疾病有关而且是造成下肢关节退行性病变的一个风险因素。Sasaki等［13］研究表明，身体质量每增加 5 kg，发生膝关节炎的机率就增加35%。通过构建个性化肌骨模型对正常人与肥胖人群下肢关节的运动特点、肌肉力与关节力的相互关系进行研究，发现采用不同步速进行坡度行走时，与正常人组相比，肥胖组股胫接触力较高且膝关节弯曲较小。在慢速上坡行走时，落地期肥胖组股胫接触力降低幅度较小，蹬离期显示出更大的股胫接触力。该成果可为成年肥胖人群进行减重的运动模式的选择提供参考［14］。

对人体不同部位的局部骨骼肌肉系统进行研究已成为一种发展趋势，不同的研究人员需根据自己的研究需要建立差异化的研究对象。在全膝关节置换术中，崔伟玲等［15］基于患者骨骼数据，构建了个性化全膝关节置换术后骨骼肌肉多体动力学模型。建立骨骼实体以及骨标点和肌肉标点，参照OpenSim广义模型的肌肉插入点和附着点信息构建基于Hill 模型的肌肉。该研究成果为膝关节疾病患者术前进行假体设计提供了理论支持。

已有研究显示脊柱稳定性与特定的肌肉激活模式具有极大的相关性。但由于脊柱肌肉结构的复杂性以及患者脊柱和椎骨关节几何形状的可变性，使脊柱骨肌系统的个性化建模具有一定的难度。自从1992年Bogduk等最初建立人类腰椎模型以来，后续研究者提出了多个新的或改进模型，且模型的复杂性不断增加。在最近的研究成果中，Christophy等［16］建立了基于OpenSim平台的腰椎模型，该模型将腰肌解剖结构与肌腱力的产生要素相结合，有利于腰椎进行更准确的运动和动态分析。模型适用于对背部疼痛、关节变性和肌肉激活模式改变的相关性、举重过程中拮抗性肌肉共激活现象以及脊柱稳定性的伴随影响等问题进行研究。

基于OpenSim平台的骨肌系统建模主要依据患者的骨长和质量等属性对已有的标准模型进行缩放来实现。为解决在个性化手部建模中如何准确定位手指肌肉附着点位置等问题，Lee等［17-18］首先通过部分速度法计算所有内在和外在的肌肉力矩臂来估计肌肉功能，采用优化后的“模拟退火”和Hooke-Jeeves算法寻找肌肉-肌腱路径来确定手指肌肉附着点位置，并讨论了模型与实验测量位置数据和机械功能（力矩臂）相匹配的问题。该路径实现了被测对象和模型力矩臂之间的均方根差异的最小化。

2.2 软组织建模

膝关节中的软组织属于致密结缔组织（dense connective tissues，DCT），包括韧带、肌腱和关节囊。DCT对关节运动状态的影响很大，因此，这些组织的异常会导致肢体活动受限并可能造成永久性残疾。韧带在动态活动中受伤的概率较高，其中韧带撕裂是最常见的损伤之一，需要保守治疗或手术重建［19］。为揭示不同应变率下的力-长度特性，Schmitz等［20］在OpenSim中开发了分别具有10个DCT束和18个DCT膝关节束的下肢模型，模型中定义了具有线性力-长度特性的DCT，该特性与应变率无关。而后续的膝关节韧带相关运动研究表明，动态活动期间前交叉韧带损伤发生时间范围在10到40 ms之间［21］。因此，要了解韧带损伤机理并对其进行仿真，必须将DCT的应变率依赖性纳入考虑范围。由于应变率实验存在一定困难，Sikidar等［22］将有限元方法、离散元技术与刚体和软组织力学特性相结合，建立了基于OpenSim平台的骨骼肌肉模型。根据实验数据确定了20个膝关节DCT束的材料属性，并对0.000 1～100/s应变率、10～40 ms范围内的 DCT束的力-伸长特性进行模拟计算，得出每个DCT的应变率函数。该研究为动态情况下组织行为精确建模提供了参考。

2.3 弹性接触建模

临床治疗中的骨科植入物设计需要对关节的功能和负荷进行预测。计算机仿真已成为分析研究动态活动中关节接触力的常用方法。早期研究人员建立了可变形的有限元关节接触模型，但是该模型较复杂并且计算量很大。后期出现了一种用于接触建模的替代方法，即弹性基础（elastic foundation, EF）算法。与有限元模型相比，该算法计算成本相对较低，可将关节接触算法整合到肌肉驱动模拟中［20］，但该算法在实施过程中，存在着某些参数难以确定的问题。针对这一问题，Hast 等［23］对OpenSim中的弹性基础接触模型的相关变量进行了系统研究。通过对4个金属-塑料接触表面进行力学实验，记录了从100～750 N之间的循环载荷期间的载荷-位移曲线，并采用弹性基础算法对接触力学进行了建模。该模型也可对自然和手术关节接触作用进行仿真估计。

3 平台软件功能的提升与算法优化

OpensSim作为对人体骨肌系统进行仿真分析的软件平台，已在平台开发初期就提供了若干计算和分析工具。随着该软件在生物力学领域应用研究的不断拓展，其已有工具的分析、计算功能均不能满足要求，对平台原有工具功能的完善和新计算分析方法的开发，也是后续Opensim应用研究中的重要工作之一。

文献［24］通过开放式Matlab界面增强了Opensim中的静态优化（static optimization, SO）功能，使计算出的肌肉激活度除了平衡外部施加的力矩，同时也可以满足必要的机械稳定性要求。这种稳定性受限的静态优化（stability-constrained SO，SCSO）适用于需要对抗性肌肉共同收缩以稳定人体关节的作用。与SO求解相比，SCSO预测的肌肉激活EMG数据的平均偏差较小，在外部负荷高度变化的情况下肌肉的平均激活增加，实现了与实验数据较好的匹配。

惯性传感器技术领域的进步为无实验室运动分析方法提供了新的可能。惯性运动传感技术允许采用小型、移动式和便宜的解决方案来代替昂贵的大型、固定式光学采集系统。Borbély等［25］提出了一种用于测量并分析人体手臂运动的扩展工作流程和算法，算法基于上肢模型的内部结构构建了原型标记集，该标记集使用可从惯性测量系统获得的方向数据用于模型关节角度的重建，并提出了相应的重建算法。这与OpenSim的逆向运动学工具相比，在保持数值精度的同时，大幅度提升了运算速度。

基于特定研究对象的测量数据对标准模型进行缩放，是进行运动学分析的前提和基础，但不同的缩放方法可能造成研究结果之间差异。Bakke等［26］对受试者静态站立和以自选速度行走进行了动作捕捉实验，分别采用线性缩放与形状模型缩放方法对标准人体骨肌模型进行缩放，比较了2种缩放方法引起的路段长度、关节中心位置差异以及对步态测量数据可重复性的影响。结果表明，采用形状模型缩放肌肉骨骼模型可得到重复性较高的运动和动力学步态数据。

为研究在模型标记匹配过程中，参与者参数数据对运动分析结果准确性的影响，Wells等［27］在标记点匹配阶段，对缩放模型分别进行了常规的标记对齐操作（MR）以及在标记点匹配中添加了被测对象特定的肘部屈曲、伸展角和基于DK（direct kinematic, DK）模型的外展角关节坐标2个附加约束操作（MRPC）。采用上述2种标记点匹配方法对测试者之间运动参数的重复性进行比对分析。结果显示，在模型标记点匹配阶段指定参与者特定的关节坐标约束可提高逆向运动学（inverse kinematics，IK）分析结果的准确性和可重复性。

4 总结

OpenSim的应用领域已从正常人体运动研究发展到临床疾病的生物力学机制研究，从采用OpenSim已有计算工具分析问题深入到算法工具及应用创新、模型验证和Opensim再开发。人体三维模型也从最初的下肢肌肉骨骼模型向全身骨骼、肌肉、组织结构、关节接触面、个性化建模以及人机与环境耦合等方向发展。由于OpenSim具有对肌肉形态参数控制精细、计算误差小、计算速度快等特点，日益受到生物力学研究人员的关注。

基于OpenSim运动仿真研究的未来发展趋势主要集中在:异常步态的神经肌肉作用机制和步态补偿机制研究；骨性关节炎的肌肉工作特性研究；与有限元分析方法相结合，揭示人体运动中骨骼肌肉间的相互作用机制和力学特性研究；人体动作的协调机制探索以及通过运动模拟改进动作技术和预防运动损伤等研究。