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

我最近在網上看到了查爾默斯科技大學-運動技術中心三位學者對他們使用過的生物力學分析軟件的評估，這篇文章最初發表在2016年國際體育工程協會第11屆會議，個人感覺文章中對生物力學分析軟件的評估是非常客觀的，值得我們借鑒。

查爾默斯科技大學-運動技術中心的生物力學分析是針對游泳運動，使用了OpenSim、BoB、AnyBody和SWUM軟件，由于SWUM軟件沒有與運動捕捉系統的接口來導入運動數據，所以我們暫且不將列入考慮之中。查爾默斯科技大學-運動技術中心的專家針對OpenSim、BoB、AnyBody的使用情況給出了如下描述：

1、OpenSim

OpenSim是一個免費提供的軟件包，允許用戶建立、交換和分析肌肉骨骼系統的計算機模型以及運動的動態模擬。肌肉模型、分析、接觸模型或控制器可以從頭開始設計（C++），或者其他用戶已經存在的模型可以縮放到新記錄的運動數據以進行進一步分析。

當運動捕捉系統具有.trc格式時，可以導入運動捕捉系統的運動學。當力板測量值、壓力中心數據或關節角度具有.sto或.mot格式時，可以將其添加到OpenSim分析中。EMG只能導入以與模擬進行比較（.sto或.mot文件）。

生物力學數據可以通過以下特定步驟進行分析：首先，將預定義肌肉骨骼模型的大小縮放為感興趣對象記錄的靜態標記數據（圖1a）。縮放過程擬合了許多變量，如骨骼和肌肉長度、每個骨骼的質心位置和每個片段（包括骨骼和肌肉）的質量，以記錄受試者。然后，可以進行反向運動學或反向動力學分析，從關節角度和外力計算關節力矩（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。然后可以進行靜態優化，以進一步將計算出的關節凈力矩分解為每個時間點的單獨肌力。然后，整個分析可以轉化為完整運動的模擬，包括相關肌肉的肌肉激活。

2.BoB-身體生物力學

三種評估工具中，BoB的界面最簡單、最直接，可以直觀地了解關節接觸力、關節扭矩、運動軌跡和肌肉激活。它由36個骨骼段和666個運動肌肉單元組成。由于使用肌肉的方法不止一種，因此使用序列二次規劃優化負荷分布。此外，角度、力、扭矩、肌肉特性或平衡動作可以在視頻、圖表或列表中顯示（圖2）。該程序在Matlab中運行，具有用于參數插入和輸入文件選擇的簡單GUI。

反向動力學計算器需要四個輸入文件（運動、力、骨骼屬性、肌肉屬性），用戶定義模擬的持續時間和時間增量。

為了定義模型的運動，必須添加運動文件（.txt、.csv、.c3d）。每種文件格式都需要對解剖標志進行一定的命名，并且需要一定數量的解剖標志，例如，c3d文件需要具有30個標記排列（Vicon命名）。BoB將在缺少標記的情況下運行，但如果無法找到必要的標記來定義關節兩側的節段，則關節將無法鉸接。如果調查缺少標記，用戶可以通過將真實標記偏移來創建虛擬標記（例如，左前頭距離右前頭左側100mm）[20]。

必須知道外力或地面反作用力，并手動將其插入.txt文件（振幅、速度/頻率、時間、應用點）。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）可以根據生成運動文件的對象的高度/重量進行調整。

也可以對肢體/骨骼的可能錯位進行建模。

有關所有考慮的肌肉的信息存儲在.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、力、纖維長度等。

插入四個輸入文件后，BoB將計算模型的姿勢，并求解逆動力學問題，以確定肌肉、關節和骨骼內的載荷。反向動力學解算器完成后，“播放”按鈕將為運動設置動畫，并允許觀察不同的肌肉激活。結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

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

它將肌肉骨骼系統看作是剛體系統，因而允許應用多體動力學的標準計算方法。默認的人體模型可以很容易地適應用戶的需要（身高、體重、段長、強度、骨骼幾何形狀），此外，物體、載荷和運動條件可以補充所討論任務的條件（圖3）。如果使用全身模型，則需要考慮458塊肌肉[21,22]。

可以對模擬中的環境進行建模（可以導入STL格式），例如，將自行車或健身機添加到建模設置中。肌電信號只能用作驗證工具，不能作為驅動模型的輸入。

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動：

•運動輸入可以從.c3d或.bvh文件提供。每個身體節段至少使用三個標記是有價值的。該模型需要來自三維運動跟蹤系統的輸入。

•力輸入

•環境輸入（將骨架連接到移動表面）

•GUI合成運動（手動移動骨骼）
 

 

建模是在AnyScript語言中進行的，該語言是一種聲明性的面向對象語言。每個模型分為兩個主要部分：模型部分（機械系統、運動、環境）和包含（運動或動力學分析等操作）的研究部分。AnyBodya利用逆動力學方法，通過參考中樞神經系統（CNS）解決肌肉招募的冗余問題。所有肌肉和關節力都可以確定為一個優化問題的解決方案，該優化問題表示中樞神經系統希望最小化肌肉上的負荷。AnyBody提供了七種不同的縮放方法，其中最先進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單參數（例如負荷、姿勢）以計算該任務期間的肌肉反應，或通過重新定義標記協議將現有肌肉骨骼運動捕捉模型之一調整為新的實驗室設置、力平臺和實驗室坐標系的可用性，或從頭開始完全設計人體模型及其環境。當分析動物或未經研究的關節或姿勢時，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-運動技術中心的觀點是：對做學術項目的用戶來說，選擇OpenSim比較合適，由于它是免費的，有大量用戶，同時還有一個大型社區與所有用戶分享使用經驗、開發的代碼、擴展的模型模板和論文，對于做學術來說，可以得到較多支持；對做運動分析和生物力學教學的用戶來說，選擇BOB比較合適，因為它界面簡單，操作容易，還有較多的內置模型，并且可以直觀地了解關節接觸力、關節扭矩、運動軌跡和肌肉激活情況；對于要重點研究人與環境之間的交互或手術規劃的用戶來說，還是選擇比較貴的AnyBody更適合，雖然它需要專門再去學習AnyScript語言的使用，操作非常復雜，但是它功能更強大，可以根據用戶的需求對模型進行詳細調整。

任何工具都其自己的優點和缺點，我們作為使用者，最關鍵在于知道自己要做什么，然后做出正確的選擇。BOB是性價比不錯的產品，雖然不像OpenSim一樣是免費的，目前也沒有很多資料介紹它的使用經驗或是作品分享，但是它容易上手，學習曲線短，可以輕松導入外部數據，而且BOB包含600多個運動肌肉單元組成的模型，OpenSim據我所知好像也就140多個吧。

就如本文開頭提到的，沒用過，聽別人描述，也只是建議，總會感覺不是很可靠，AnyBody有些昂貴，我們可以有機會再嘗試，但是對于BOB和OpenSim,我們就完全可以自己去嘗試呀！BOB是支持免費試用的，OpenSim是免費的，讓我們一起行動起來吧！說不定不久后，我們就是分享經驗的人啦！

BOB可以通過郵件申請免費試用，提供以下信息發送到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(國家）—— 如果不填，則默認為中國，BOB軟件有多語言版本，如有特殊需求一定要記得填寫此項

5）For what application will you use BoB?

（您使用BOB軟件做何用途）—— 必填，會根據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，敬請標明網站名稱）——必填

7）PC or Mac version?（是選擇軟件運行平臺）—— 必選，一定要根據實際使用情況選擇

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

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