OpenSim：开源软件来创建和分析运动的动态模拟外文翻译资料

 2022-03-21 09:03

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OpenSim：开源软件来创建和分析运动的动态模拟

Scott L. Delp *，Frank C. Anderson，Allison S. Arnold，Peter Loan，Ayman Habib，Chand T. John，Eran Guendelman和Darryl G. Thelen

摘要 - 运动的动态模拟允许人们研究神经肌肉协调，分析运动表现，并估计肌肉骨骼系统的内部负荷。模拟还可以用来识别病理性运动的来源并为治疗计划建立科学依据。我们开发了一个免费的开源软件系统（OpenSim），可以让用户开发肌肉骨骼结构模型，并创建各种运动的动态模拟。我们使用这个系统来模拟病态步态的个体的动力学，并探索治疗的生物力学效应。 OpenSim提供了一个平台，生物力学界可以在这个平台上建立一个可以通过多机构协作交换，测试，分析和改进的模拟库。开发能够使许多调查人员共同努力的软件会带来技术和社会学方面的挑战。应对这些挑战将加速发现控制运动控制的原则，并改善患有运动病症的个体的治疗方法。

索引术语 - 计算肌肉控制，正向动态模拟，肌肉骨骼建模，开源软件。

  1. 介绍

协调动作是由很多神经肌肉骨骼系统的任何元素相互作用来实现的。热爱人类运动学的科学家已经进行了广泛的研究来描述这些元素。因此，有大量数据表征肌肉力学，肌肉和骨骼之间的几何关系以及关节运动。治疗脑瘫，中风，骨关节炎和帕金森病患者的运动异常的临床医生在治疗干预之前和之后，已经检查了大量患者的神经肌肉兴奋模式和运动运动学。

手稿收于2006年8月10日。这项工作部分由美国国立卫生研究院通过NIH医学研究拨款U54 GM072970路线图和NIH拨款HD33929，HD046814和GM63495支持。 星号表示相应的作者。

* SL Delp与斯坦福大学生物工程和机械工程系的Clark Center中心，斯坦福大学318校园大道S-170室邮编94305-5450 USA（电子邮件：delp@stanford.edu）。

FC Anderson，AS Arnold和E. Guendelman与美国斯坦福大学生物工程系，美国加利福尼亚州斯坦福94305（电子邮件：fca@stanford.edu; asarnold@alum.mit.edu; erang@stanford.edu） 。

P. Loan与美国伊利诺伊州芝加哥市运动分析公司的MusculoGraphics部门合作（电子邮件：peter@musculographics.com）。

  1. Habib与斯坦福大学，斯坦福，CA 94305 USA（电子邮件：ahabib@stanford.edu）。
  2. T. John在斯坦福大学计算机科学系，美国加利福尼亚州斯坦福94305（电子邮件：ctj@stanford.edu）。
  3. G. Thelen与威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系合作，美国威斯康星州53706麦迪逊（电子邮件：thelen@engr.wisc.edu）。

本白皮书中的一个或多个数字的彩色版本可在网上查阅http://ieeexplore.ieee.org。

数字对象标识符10.1109 / TBME.2007.901024

然而，综合详细描述神经肌肉骨骼系统的元素以及运动测量以创建对正常运动的综合理解以及为纠正异常运动建立科学依据仍然是主要挑战。

单独使用实验来理解运动动力学有两个基本的限制。 首先，包括肌肉产生的力量在内的重要变量在实验中通常不可测量。 其次，仅从实验数据中很难在复杂的动态系统中建立因果关系。因此，从实验中阐明肌肉的功能并非易事。例如，肌电图（EMG）记录可以指示肌肉何时起作用，但肌电图记录的检查不允许人们确定肌肉的哪种运动是由肌肉的活动引起的。 确定单个肌肉对观察动作的贡献是很困难的，因为肌肉可以加速它没有跨越的关节和它不附着的身体部分[1]。

我们需要一个理论框架，结合实验，揭示正常运动过程中支配肌肉协调的原则，确定神经肌肉损伤如何促成异常运动，并预测治疗的功能性后果。为了实现这些目标，理论框架必须揭示神经肌肉激励模式，肌肉力量和身体运动之间的因果关系。

运动的动态模拟整合了描述神经肌肉骨骼系统的元素的解剖学和生理学以及多关节运动机制的模型，提供了这样的框架。肌肉驱动的动态模拟通过提供重要变量的估计来补充实验方法，例如肌肉和关节力量，这些很难通过实验测量。模拟还可以识别因果关系，并允许进行“假设？”研究，其中例如可以改变肌肉的激励模式并且可以观察结果运动。

虽然运动的动态模拟的价值被广泛认可[2]-[8]，但该领域是成碎片式的。许多实验室开发他们自己的模拟软件，并且不提供这个软件给其他人;因此，在开发实验室之外仿真很难使用或评估。无法再现结果是推进生物医学模拟科学的主要限制。单个研究人员对模拟技术做出了卓越的贡献，包括开发模拟肌肉的新方法[9]-[11]，模拟接触[12]，[13]

0018-9294/$25.00 copy; 2007 IEEE

表征了肌肉骨骼几何[14]-[16]，但其他人很难使用这些新技术，因为实现它们的软件通常不可用。 由于软件工具不能自由访问以协助肌肉骨骼动态模拟的开发，分析和控制，因此研究人员通常必须花费大量时间来实施每个新模拟并创建工具来分析它。开展运动的动态模拟在技术上是具有挑战性的，许多运动科学实验室缺乏资源或技术专长来生成自己的模拟。 这些条件是推进仿真技术和实现肌肉骨骼模拟的科学潜力的主要障碍。

在20世纪90年代早期，Delp和Loan引入了一种称为SIMM [17]-[19]的肌肉骨骼建模环境，它可以让用户创建，改变和评估许多不同肌肉骨骼结构的模型[20]-[22]。这个软件现在已被数百名生物力学研究人员用来创建肌肉骨骼结构的计算机模型，并模拟诸如步行[23]-[25]，骑车[26] -[28]，跑步[29]，[30]等动作。和爬楼梯[31]。使用SIMM，开发下肢和上肢模型来检查外科手术的生物力学结果，包括腱手术[32]-[38]，截骨术[39]-[41]和全关节置换术[42]-[44] 。使用下肢模型来估计肌肉腱长度，速度，力矩臂和正常和病理步态期间的诱发加速度[45] - [52]。 已经开展了一些研究来研究脊髓损伤患者的治疗[53,56]，以分析髌股关节疼痛患者的关节力学[57,58]，以计算跑步期间膝关节的力[59]并切割[60]，以检查足部定位和关节顺应性对踝关节扭伤发生的影响[61]，[62]，并调查异常步态的原因[63] - [65]。 这些研究已经证明了肌肉骨骼模型和动态模拟用于分析步态异常的原因和各种治疗效果的效用。SIMM帮助生成了青蛙[66]，[67]，暴龙[22]，蟑螂[68]和其他动物的计算模型的生物学家进行模拟。

虽然SIMM可以帮助用户制定肌肉骨骼系统模型和动态模拟运动，但它不提供协助计算产生协调运动的肌肉激励，并且分析动态模拟结果的工具有限。 此外，SIMM和其他商业软件包，例如Visual 3-D（C-Motion Inc.），Anybody（Anybody Technology）或Adams（MSC Software Corp.），不提供对源代码的完全访问权限，这使得难以生物力学研究人员扩大其能力。 在过去的十年中，出现了新的软件工程方法，可以开发更具可扩展性的软件系统。 我们认为这是一个开发模拟平台的机会，该平台涉及更广泛的生物力学界。

我们建立了一个名为OpenSim的开源仿真环境，以加速仿真技术的开发和共享，并将动态仿真更好地融入到运动科学领域（图1）。 开源软件开发已经成为一个成功的战略

图1. OpenSim，一个用于建模，模拟和分析神经肌肉骨骼系统的开源软件系统的示意图。 OpenSim建立在核心计算组件的基础之上，它允许为动力系统推导运动方程，执行数值积分并解决受限的非线性优化问题。 此外，OpenSim提供对控制算法（例如计算肌肉控制），执行器（例如肌肉和接触模型）和分析（例如肌肉诱导的加速度）的访问。 OpenSim将这些组件集成到建模和仿真平台中。 用户可以通过编写自己的插件来进行分析或控制，或者代表神经肌肉骨骼元素（如肌肉模型）来扩展OpenSim。 在图形用户界面中，用户可以访问一套高级工具来查看模型，编辑肌肉，绘图结果和其他功能。 Sim-Track是OpenSim工具之一，可以生成精确的肌肉驱动模拟，以表示各个主题的动态。 OpenSim正在Simtk.org上开发和维护; 所有的软件都是免费的。

商业和学术努力（例如Linux操作系统）。 制作源代码使研究人员能够复制其他实验室产生的结果，并进行改进并调整代码以满足他们的需求。 我们采用的现代插件技术可让用户扩展软件功能，并允许更轻松地共享新工具。 我们相信，作为开源工作的结果，生物力学界将从更大程度的合作中受益。

诱使研究人员帮助开发和测试开源软件需要最初的开发人员提供其他人可以使用和扩展的工具。OpenSim提供了两个。 第一个包含一组建模和分析工具，用于补充SIMM中包含的那些工具[17]，[19]。第二个是SimTrack，使研究人员能够从运动捕捉数据中生成运动的动态模拟。

本文首先提供了OpenSim的简要概述。 然后，我们将重点放在SimTrack上，以及如何模拟个体主题的动态特征以帮助进行治疗计划。 我们描述了一种产生特定主题模拟的方法，并提出了一个案例研究，其中我们使用了僵硬膝盖步态的主题的动态模拟来了解他的不正常运动和可能的治疗效果。我们结束对该领域挑战的回顾。

  1. 什么是OPENSIM？

OpenSim是用于建模，模拟和分析神经肌肉骨骼系统的开源平台。 它包含由应用程序调用的底层计算工具（图1）。图形用户界面提供对关键功能的访问。越来越多的参与者正在Simtk.org上开发和维护OpenSim。 Simtk.org作为与基于物理的生物结构模拟相关的数据，模型和计算工具的公共存储库。

该软件是用ANSI C 编写的，图形用户界面是用Java编写的，允许OpenSim在普通操作系统上编译和运行。 开源第三方工具用于一些基本功能，包括Apache Foundation的Xerces Parser用于读取和编写XML文件（xml.apache.org/xerces-c）以及Kitware的Visualization Toolkit，用于可视化（www .vtk.org）。 插件技术的使用允许底层计算组件（如动态引擎，集成商和优化器）在不进行大规模重组的情况下进行适当更新。 例如，OpenSim最初使用SDFast（Parametric Technology Corp.）作为其动态引擎; 然而，目前的版本将允许Simbody使用。Simbodytrade;是Simtk.org正在开发的开源的order-n动态引擎。

OpenSim的插件架构鼓励用户通过开发自己的肌肉模型，接触模型，控制器和分析来扩展功能。 例如，OpenSim中提供了大约十几种由不同用户撰写的分析插件。 这些分析工具可计算关节力量，肌肉引起的加速度，肌肉力量和其他变量。尽管这些分析是针对不同肌肉骨骼模型开发的，但它们具有广泛的适用性，可用于任何OpenSim模型。 因此，OpenSim的插件架构提供了一种向生物力学界快速传播新功能的手段。

要添加插件（例如分析），用户必须编写一个从相应基类（例如Analysis）派生的新C 类（例如InducedAcceleration），实现一些必需的方法，并将该类编译成一个动态链接的库。新插件（例如InducedAcceleration分析）可用于模拟并与其他用户共享。独立地，也可以开发插件来增强图形用户界面的功能。用户界面从插件中获得几乎所有的功能。例如，运动查看，绘图和肌肉编辑的模块都是插件。OpenSim提供了一个用户界面插件示例，用户可以通过它来适应扩展图形界面的功能。与用于分析的底层C 插件，肌肉模型，控制器等一样，用户界面插件也可以与其他用户共享。

OpenSim图形用户界面包括一套用于分析肌肉骨骼模型，生成模拟和可视化结果的工具（图2）。一些SIMM的基本功能在OpenSim中可用，例如，包括编辑肌肉和绘制感兴

图2.来自OpenSim的屏幕截图。 可以加载，查看和分析包括下肢，上肢和脖子在内的许多不同肌肉骨骼结构的模型。 肌肉显示为红线; 虚拟标记显示为蓝色球体。

趣的变量的能力。另外，可以导入SIMM关节（* .jnt）和肌肉（* .msl）文件[18]。OpenSim提供了补充SIMM的仿真和控制功能。特别是，SimTrack是一种能够快速准确地生成肌肉驱动的特定对象运动模拟的工具，如下所述。

  1. SIMTRACK：用于生成动态模拟的OPENSIM工具

要创建肌肉驱动的运动模拟，首先必须制定肌肉骨骼系统的动态模型及其与环境的相互作用。肌肉骨骼系统的元素通过描述肌肉收缩动力学，肌肉骨骼几何形状和身体节段动力学的一组微分方程来建模。这些方程表征了肌肉骨骼系统响应神经肌肉兴奋的时间依赖性行为。一旦制定了肌肉骨骼系统的动态模型，下一步就是寻找一种产生协调运动的肌肉激发模式。激励可以通过求解一个优化问题找到，在该问题中定义了一个运动任务的目标（例如，尽可能高的跳跃），或者其目标是驱动一个动态模型来“追踪”实验运动数据[69]。 一般通过它们与实验测量的运动学，动力学和EMG模式的一致程度来评估模拟。 一旦模拟创建并且测试其准确性，就可以分析它以检查肌肉对人体运动的贡献以及模拟治疗的后果。

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