基于软件OpenSim的人体运动建模理论及其应用领域概述

红外捕捉系统、高速摄像、平面摄影、表面肌电测试等现行实验室测试手段不能显示人体运动时肌肉产生肌力的具体信息以及准确阐释神经-肌肉协调机制。因此,计算机模拟与仿真应运而生。目前,国内用来进行人体动作仿真的软件主要有Life MOD、Any Body、ANSYS等,这些软件有其自身的缺陷,如肌肉控制不够精确、价钱昂贵等。为了更好解决肌肉模拟问题,斯坦福大学团队研发了一款免费软件Open Sim,它是基于C++和JAVA语言开发的一款应用于肌肉模型开发、模拟仿真与分析神经肌肉系统的开放性软件。以计算机建模与数学理论推导为基础,对Open Sim建模理论和步骤进行详细介绍,为国内从事运动生物力学研究学者提供一些理论参考;同时,探讨未来利用Open Sim建模仿真研究的主要方向,例如通过Open Sim的模拟研究可以探求偏瘫步态、帕金森步态等异常步态的神经-肌肉机制,为异常步态康复手段的改进和完善提供依据。     

太极拳右“野马分鬃”正误动作中伸、屈膝肌肌力特征的计算机仿真分析

目的:本文通过计算机模拟计算太极拳右"野马分鬃"阶段正确与错误动作下膝关节周围各肌肉肌力的变化情况,从而探讨太极拳练习过程中膝关节疼痛的原因。方法:本研究中选取练习太极拳在8年以上,级别在七级以上,无下肢伤病的运动员9例进行正确、错误动作各演练3次。利用Vicon红外捕捉系统和AMTI测力台记录运动过程中运动学数据和动力学数据,通过Visual3D软件把运动学和动力学数据转换成OpenSim识别的数据格式,通过OpenSim模型进行肌力计算,从而分析膝关节周围肌肉力量在动作中的变化情况。结果:正确动作中膝关节屈曲角度大于错误动作,这与太极拳裁判员的判断相反;正确动作中踝关节外旋角度小于错误动作,这与太极拳裁判员的判断一致。错误动作中右膝关节的伸肌力量降低,特别是股外侧肌(P0.05),而后腿即左腿膝关节的股直肌肌力增加明显(P0.05),而其他肌肉的肌力减小明显(P0.05);屈肌主要表现为股二头肌肌力在错误动作中增加明显。结论:膝关节的屈曲角度的大小不能作为判断"野马分鬃"动作正确与否的标准,而踝关节的外旋角度过大可以作为判定动作错误的标准。伸肌力量减弱,膝关节在弯曲状态下不稳,同时具有外旋功能的屈肌肌力增加导致膝关节受外旋力作用,长期受到向外剪切力作用,由此可能引发膝关节慢性劳损或炎症,导致膝关节疼痛。