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opensim环境下扁平足患者步态支撑期踝周肌群肌力分析

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中国运动医学杂志 2023年第2期42卷 93-101页

作者：赵虎马晓子霍洪峰李晓璨刘鑫玥魏佳琳河北师范大学体育学院石家庄050024 河北省人体运动生物信息测评重点实验室石家庄050024

目的:探讨扁平足步态支撑期特征与下肢肌力间的关系。方法:招募20名受试者,通过足弓高度指数将受试者划分为正常足组(n=10)和扁平足组(n=10)。采用步态测试和opensim模拟仿真,对两种足型受试者的步态周期运动学参数、支撑期地面反作用... 详细信息

目的:探讨扁平足步态支撑期特征与下肢肌力间的关系。方法:招募20名受试者,通过足弓高度指数将受试者划分为正常足组(n=10)和扁平足组(n=10)。采用步态测试和opensim模拟仿真,对两种足型受试者的步态周期运动学参数、支撑期地面反作用力和踝周肌群肌力进行对比分析。结果:扁平足行走时支撑期占比和足跟离地时间高于正常足(Popensim能够较好地模拟扁平足步态特征,扁平足通过着地时更大的髋膝屈曲角度来弥补踝背屈肌群肌力较弱造成的缓冲震荡能力不足。其较低的足弓使胫骨后肌、趾长屈肌、拇长屈肌在支撑中期具有较高的激活程度。扁平足比目鱼肌在蹬伸阶段表现出比正常足更高的推进贡献率,但整体推进能力仍低于正常足。

关键词： opensim 扁平足步态肌力

opensim环境下青年男性启动步态的下肢生物力学特征研究

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机械科学与技术 2024年第9期43卷 1551-1558页

作者：马晓子牛永刚霍洪峰赵虎河北师范大学体育学院石家庄050024 安阳师范学院体育学院河南安阳455000 安阳市体能训练与评价重点实验室河南安阳455000 河北省人体运动生物信息测评重点实验室石家庄050024

为分析健康青年男性启动步态的下肢生物力学特征,使用BTS-SMARTDX运动捕捉系统测试,基于opensim模拟仿真出肌力的变化,结果表明:gait2392模型可以准确模拟健康青年男性的启动步态;在APA阶段,支撑侧踝关节背屈、膝关节屈曲,启动侧髋关节... 详细信息

为分析健康青年男性启动步态的下肢生物力学特征,使用BTS-SMARTDX运动捕捉系统测试,基于opensim模拟仿真出肌力的变化,结果表明:gait2392模型可以准确模拟健康青年男性的启动步态;在APA阶段,支撑侧踝关节背屈、膝关节屈曲,启动侧髋关节外展;支撑侧踝关节背屈肌、启动侧髋关节外展肌相互协调,完成加载启动侧、卸载支撑侧的任务;在卸载阶段,以膝关节屈曲为主导带动下肢运动,跖屈肌执行蹬伸功能;在执行阶段,以膝关节伸展为主导向前摆动,股直肌执行屈髋和伸膝双功能。研究结果可以为下肢助力外骨骼设计与研究提供帮助。

关键词：启动步态 opensim 肌力生物力学

基于opensim的人体下肢生物力学性能仿真实验

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实验技术与管理 2023年第8期40卷 120-125页

作者：颜兵兵吴豪豪毕冉马常友杜云明佳木斯大学机械工程学院黑龙江佳木斯154007

强化人体生物力学性能分析能力有助于提高学生处理外骨骼机器人研究过程中解决人机共融技术问题的技术手段。该文以助力型外骨骼机器人为研究背景,基于opensim仿真平台提出了一个人体下肢生物力学性能分析实验教学方案,以技术层、输入... 详细信息

强化人体生物力学性能分析能力有助于提高学生处理外骨骼机器人研究过程中解决人机共融技术问题的技术手段。该文以助力型外骨骼机器人为研究背景,基于opensim仿真平台提出了一个人体下肢生物力学性能分析实验教学方案,以技术层、输入层、模型层和输出层体系结构为视角,梳理出由人体下肢运动信息采集到生物力学性能分析的实验仿真流程。使用opensim软件建立人体下肢参数化肌骨模型,经由逆运动学和逆动力学求解器获取下肢运动过程中的关节角与关节力矩,为助力型外骨骼的助力机制研究提供数据支撑。

关键词：实验教学设计 opensim 生物力学仿真人体下肢运动

长距离跑后“足外翻”姿态增加膝关节内侧接触力：基于opensim肌骨建模及机器学习预测的研究

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体育科学 2019年第9期39卷 51-59页

作者：梅齐昌相亮亮孙冬李建设 Justin Fernandez 顾耀东宁波大学体育学院浙江宁波315211 宁波大学大健康研究院浙江宁波315211 奥克兰大学生物医学工程研究所奥克兰1010

目的:揭示跑者在长距离跑后下肢关节的负荷与足姿态的变化及膝关节接触力分布且验证二者关联,为快速预测膝关节负荷提供简易手段。方法:运用opensim个体化肌骨建模分析业余跑者5 km跑后下肢关节的运动学、动力学及膝关节接触力变化,采... 详细信息

目的:揭示跑者在长距离跑后下肢关节的负荷与足姿态的变化及膝关节接触力分布且验证二者关联,为快速预测膝关节负荷提供简易手段。方法:运用opensim个体化肌骨建模分析业余跑者5 km跑后下肢关节的运动学、动力学及膝关节接触力变化,采用一维统计参数映射(Statistical Parametric Mapping 1d)分析法检测差异性,结合足姿态参数与膝关节总接触力及膝关节内外侧接触力训练并检验机器学习算法。结果:1)5 km跑后,髋关节蹬离期伸角度、支撑初期外旋角度及踝关节蹬离期跖屈角度均显著增大;2)髋关节支撑期伸力矩及支撑初期外展力矩、踝关节支撑期跖屈力矩均显著增大,膝关节支撑初期及蹬离期屈力矩均显著降低;3)膝关节蹬离期总接触力显著减小,支撑初期内侧接触力显著增大而支撑初期及蹬离期外侧接触力均显著减小;4)机器学习算法模型发现,足外翻程度增大引起膝关节总接触力及内侧接触力快速增大而外侧接触力逐步减小。结论:1)长距离跑后下肢关节负荷出现幅值及重新分布的变化,表现出增大的髋关节伸及外展力矩,减小的膝关节屈力矩及增大的踝关节跖屈力矩,可能与足姿态变化及相关肌群肌力有关;2)长距离跑后膝关节内侧接触力快速增大且与量化的足姿态参数呈线性关系;3)通过足姿态参数指标可快速预测膝关节接触力的变化,跑者可实地评估足姿态参数以预测膝关节负荷的幅值和分布变化,辅助科学合理的安排跑量及训练计划,降低跑步相关的膝关节损伤风险。

关键词：长跑足外翻膝关节接触力机器学习 opensim

opensim环境下扁平足步态的动力学模拟与仿真分析

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OpenSim环境下扁平足步态的动力学模拟与仿真分析

作者：赵虎河北师范大学

学位级别：硕士

研究目的:扁平足是足部常见的一种姿势性骨骼畸形,以内测足弓塌陷或消失为特征,作为常见的足部结构异常,扁平足不仅影响步态中足支撑和推进功能,还可能与膝关节疼痛、足底筋膜炎、软骨损伤和胫骨应力综合征有关,在人体动作的生物力学分... 详细信息

研究目的:扁平足是足部常见的一种姿势性骨骼畸形,以内测足弓塌陷或消失为特征,作为常见的足部结构异常,扁平足不仅影响步态中足支撑和推进功能,还可能与膝关节疼痛、足底筋膜炎、软骨损伤和胫骨应力综合征有关,在人体动作的生物力学分析中,探究动作产生的机理,需要深入到肌肉层面的研究,因此本研究通过步态分析结合Open Sim人体建模,对比分析扁平足与正常足长时间行走前后步态特征,探究扁平足步态的变化机理,及长时间行走对下肢生物力学特征的影响,并结合模型预测潜在的变化,了解肌肉力量和足弓类型及身体步态模式之间的因果关系,为平足患者实施更加针对性的治疗和健身指导提供依据。研究方法:采集20名大学生(正常足10名、扁平足10名)30min步行前后行走步态的运动学与动力学数据和肌电信息,运动学数据通过BTS三维运动捕捉系统采集,动力学数据采用两台BTS6000三维测力台采集,肌电信息通过Trigno Wirless无线表面肌电测试仪收集。运动学,动力学数据转换格式后导入Open Sim,建立个性化肌骨模性,肌电信息用于对模型可靠性进行验证。通过计算肌肉控制方法计算得到下肢肌肉力等相关步态运动学、动力学数据。根据以往研究将步态周期划分为承重反应期,支撑相中期、支撑相末期,摆动相前期、初期、中期、末期7个时相,对所有数据组内采用配对样本t检验,组间采用独立样本t检验进行统计学分析,实验结果以(P<0.05)为显著水平。研究结果:1、Open Sim建模验证:Open Sim所有计算结果皆符合Open Sim用户使用手册模拟要求,逆向运动学计算的关节角度同实验测得关节角度两者高度相似。肌力结果的验证,计算获得的肌肉激活度与实验所记录的EMG信号基本相似,肌力值与其他应用Open Sim的相关研究所计算的肌力相对比,幅值相近。2、步态周期运动学特征:扁平足运动前后步态周期所用时间(s),支撑相占比、摆动相占比、承重反应期占比、支撑相末期占比及足跟离地时刻(%)高于正常足(P<0.05),支撑末期占比低于正常足(P<0.05)。运动后同组比较,正常足支撑中期占比低于运动前(P<0.05),支撑末期占比高于运动前(P<0.05)。运动前扁平足足跟着地时刻髋关节屈曲和踝关节背屈角度大于正常足(P<0.05),膝关节屈曲角度高于正常足(P<0.05),运动后扁平足髋关节、膝关节屈曲角度增大(P<0.05),踝关节背屈角度减小(P<0.05)。整个步态周期扁平足髋关节表现出内旋、内收趋势、踝关节外翻幅度高于正常足(P<0.05)。3、步态动力学特征:地面反力特征:扁平足受试者运动前的地面反力第一波峰(F1)和第二波峰(F3)小于正常足(P<0.05),运动后F1值小于正常足(P<0.05);运动前后相同足型比较显示:正常足运动后F3值降低(P<0.05),扁平足F3值增高(P<0.05)。肌力特征:运动前扁平足髋伸肌最大肌力低于正常足(P<0.05),膝屈肌最大肌力低于正常足(P<0.05),膝伸肌最大肌力高于正常足(P<0.05),踝背屈肌最大肌力低于正常足(P<0.05)。运动后扁平足髋外旋肌最大肌力增大(P<0.05),臀中肌、胫骨前肌最大肌力增大(P<0.05)。关节压力特征:运动后扁平足膝关节负荷高于运动前(P<0.05)。研究结论:1、足弓差异会影响步态特征,扁平步态周期支撑阶段各时相占比均高于正常足,足跟离地时刻要晚于正常足,足趾着地时刻早于正常足,缓冲阶段时间相对较短。2、运动前扁平足在着地时刻通过更大的屈膝角度来弥补,由踝背屈肌群肌力较弱造成的缓冲能力不足,其较低的足弓使胫骨后肌、趾长屈肌、拇长屈肌在支撑中期参与更多的工作,在步态蹬伸阶段比目鱼肌表现出代偿性,整体推进能力低于正常足。3、长时间行走对不同足型的步态影响不同,正常足下肢关节角度特征基本不变,扁平足髋膝关节着地阶段屈曲角度增大,踝关节跖屈和外翻角度增大。正常足运动后比目鱼肌发力增大,扁平足胫骨前肌和胫骨后肌发力增大,比目鱼肌相对无变化,在推进阶段扁平足通过提高腓肠肌的贡献来维持步速,更容易疲劳。相对于正常足扁平足行走后股四头肌发力更多,这与扁平足本身下肢结构有关,需要股四头肌稳定膝关节。4、扁平足长时间行走后膝关节压力明显提高,而正常足膝关节压力基本无变化,这可能是造成平足患者膝关节易损伤的原因之一。

关键词：扁平足 opensim 步态肌力

基于opensim人体步行腓肠肌静态生物力学分析

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科学技术与工程 2020年第7期20卷 2604-2608页

作者：赵闯蔡玉强华北理工大学机械工程学院唐山063000

为准确、快速地研究人体下肢运动规律,构建人体下肢模型。针对该模型推导出了人体步行状态下腓肠肌相应的力学方程F1(t)。利用opensim搭建人体骨骼肌肉模型,并以腓肠肌进行静态力学分析为例,解析了肌肉在逆向运动学(IK)和残差缩减(RRA)... 详细信息

为准确、快速地研究人体下肢运动规律,构建人体下肢模型。针对该模型推导出了人体步行状态下腓肠肌相应的力学方程F1(t)。利用opensim搭建人体骨骼肌肉模型,并以腓肠肌进行静态力学分析为例,解析了肌肉在逆向运动学(IK)和残差缩减(RRA)两种不同分析方法中的肌肉激活度和力矩。研究结果表明:此模型能准确地模拟人体下肢肌肉的运动规律,利用RRA分析能够真实反映腓肠肌的受力情况,分析出肌肉激活度,为进一步揭示膝关节和踝关节的生物力学特性和为设计人体下肢康复机器人提供肌肉阻尼奠定基础。

关键词： opensim 静态力学残差缩减腓肠肌

基于opensim平台对腰部肌骨系统的生物力学分析

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基于Opensim平台对腰部肌骨系统的生物力学分析

作者：詹晓彤东南大学

学位级别：硕士

有研究指出,约有80%的人会在一生中出现腰痛问题,尽管其病因复杂,肌肉和骨骼生物力学性质的改变始终是重要原因之一。本文基于opensim平台建立了较为完善的腰部肌骨模型,它能够仿真人体不同姿势和运动状态,并计算不同肌群肌肉力的分布... 详细信息

有研究指出,约有80%的人会在一生中出现腰痛问题,尽管其病因复杂,肌肉和骨骼生物力学性质的改变始终是重要原因之一。本文基于opensim平台建立了较为完善的腰部肌骨模型,它能够仿真人体不同姿势和运动状态,并计算不同肌群肌肉力的分布和椎间压力,对深入了解腰部的生物力学情况提供了一种低成本高效率的研究方法。基于Christophy(2012)肌骨模型,本文首先解除腰椎约束,添加替代椎间软组织功能的刚度矩阵,并在前屈-后仰状态下采用了耦合刚度矩阵,而侧弯和轴向旋转状态下采用了对角刚度矩阵。同时在模型中添加了腹横肌和由等效集中力表征的腹内压力模型,并针对不同姿势进行了力的作用线的优化。肌肉的参数模型则选用了Thelen肌肉-肌腱模型,并对具体参数值进行了修正,从而建立了包含九大腰部肌群的多刚体肌骨模型。针对模型中的肌肉-肌腱模型参数,本文基于单一变量法则针对每个参数进行了定量分析,进一步研究了其对不同肌群肌肉力的影响。此外本文还探究了不同刚度矩阵类型对模型求解的影响,并结合实际仿真计算选取了相对应的刚度矩阵。进一步的,结合不同椎间压强和肌肉表面肌电信号的测量学文献,完成了对该肌骨模型的初步验证,结果显示所有相关性验证均保持了强相关性(均有R2>0.9)。最后基于该模型,本文首次仿真计算了前屈、后仰、侧弯和轴向旋转四种状态下,不同静态姿势和运动时的腰部肌群肌肉力分布,并分别研究了肌肉老化、手臂摆动、运动速度加快和不同初始腹压值的影响,发现肌肉老化对肌肉力分布影响较小,但会提升不同肌肉的激活度,手臂摆动会对某些肌群产生较大影响,运动速度加快会明显提升主要发力肌群的肌肉力,初始腹压值则会影响整体肌群肌肉力的大小而不影响其变化规律。整体而言,本文仿真结果与现有肌肉功能解剖学资料基本保持一致,该模型有效地分析了腰部生物力学情况,随着相关研究逐步深入,其在骨科医疗器械研发和康复医疗领域有良好的应用前景。

关键词： opensim 肌骨模型逆向动力学肌肉力肌肉-肌腱模型

基于opensim的驾驶员舒适坐姿舒适机理研究

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基于OpenSim的驾驶员舒适坐姿舒适机理研究

作者：杜若愚吉林大学

学位级别：硕士

过去的研究很多都集中在驾驶姿态下的静态乘坐舒适性,而非驾驶姿态下的乘坐舒适性研究少得多。随着自动化交通的发展,驾驶员在车辆中进行的非驾驶任务将越来越多,因此需要采用非驾驶姿态来更好地执行这些任务。随着智能座舱的发展,未来... 详细信息

过去的研究很多都集中在驾驶姿态下的静态乘坐舒适性,而非驾驶姿态下的乘坐舒适性研究少得多。随着自动化交通的发展,驾驶员在车辆中进行的非驾驶任务将越来越多,因此需要采用非驾驶姿态来更好地执行这些任务。随着智能座舱的发展,未来会给驾驶员提供更智能的舒适姿势,这就需要从根本机理上了解究竟怎样才会舒适,怎样才能获得舒适的乘坐体验感受。于是,理解这种感受的作用机理对于设计适用于自动化交通的座舱,并提高驾驶员的舒适性具有重要意义。因此,本文基于opensim仿真平台及相关生物力学理论,以驾驶/非驾驶两种姿态为研究对象,以仿真/实验为研究方法,以主观、主观-客观结合为预测方法建立了舒适度模型。本文进行的具体研究内容如下:(1)在opensim中对骨骼肌肉模型进行了二次开发。结合解剖学骨性标记及其前人尸解研究结果建立了体表标记模型和代谢探针模型,并使用接触球模型将骨肌模型与座舱环境模型进行交互连接。骨肌模型可根据实际人体尺寸进行缩放,座舱环境模型可根据布置参数进行调整。最终,搭建成的仿真模型可用于计算相应姿态下驾驶员相关肌肉的生物力学负荷。(2)驾驶姿态研究。首先通过改变转向盘参数(L11)设计了仿真实验,并利用CPM模型进行了姿态建模。其次,使用FAHP优化了逆动力学计算的权值,并计算出四类生物负荷,将肌肉按解剖学部位划分后,逐层分析了不同部位生物负荷随L11的变化规律,从而验证了“中间位置附近更加舒适”的观点。最后,基于此假设,由中间姿态出发设计了座椅靠背角(A40)、座椅座垫角(A27)、座椅高度(H30)三因子五水平仿真正交实验,通过主成分分析将高维生物负荷指标压缩为综合评分,分析了参数最优组合及影响评分的主要参数。(3)非驾驶姿态研究。首先搭建了实际人机实验台架,并选择三位95百分位身高的驾驶员进行姿态实验,获取乘坐姿态驱动opensim人体模型来进一步计算肌肉激活度,同时采集肌肉肌电信号求解肌肉激活度,将二者结果进行一致性分析,之后,被试人员对坐姿下的肢体部位主观舒适度进行了评价了,对评价结果进行了正态性检验、相关性分析和差异性检验,并选取较好的3号被试评价结果进行了变化趋势分析。此外,结合姿态实验及主观评分对NBP姿态进行了初步探究。最后,基于3号被试数据建立了主观舒适度预测模型,进一步将主、客观数据分别作为标签和特征,使用随机森林和BP神经网络建立了主-客观舒适度预测模型,评价指标表明模型对数据集的表达效果较好。

关键词：骨肌生物力学驾驶/非驾驶姿态 opensim 舒适机理预测模型

基于opensim的腹内压与腰椎负荷耦合仿真探讨防治下腰痛病症的较佳步行和跑步速度

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基于OpenSim的腹内压与腰椎负荷耦合仿真探讨防治下腰痛病症的较...

作者：陈杰曲阜师范大学

学位级别：硕士

1目的:构建一个含有腹内压模块的opensim全身肌肉-骨骼模型,并通过该模型探讨腹内压正常与偏低情况下6种运动模式(慢走、快走、2-5m/s跑步)中的腰髋部生物力学特征以及负荷代偿机制的差异性,从而为判断较佳的下腰痛防治训练手段提供指导... 详细信息

1目的:构建一个含有腹内压模块的opensim全身肌肉-骨骼模型,并通过该模型探讨腹内压正常与偏低情况下6种运动模式(慢走、快走、2-5m/s跑步)中的腰髋部生物力学特征以及负荷代偿机制的差异性,从而为判断较佳的下腰痛防治训练手段提供指导。2方法:基于Open Sim软件的建模功能,修正Raabe全身模型的部分关节参数,添加腹内压模块,构建包含纵向腹内压等效力的全身肌肉-骨骼模型;在改进后的模型的基础上,输入6种运动模式(1.2m/s步行、1.8m/s步行、2m/s跑步、3m/s跑步、4m/s跑步与5m/s跑步)的运动学数据,进行动态仿真;对原始的肌电数据进行滤波、标准化处理,并将仿真计算出的肌肉激活度与肌电数据进行对比,从而初步验证模型的可靠性;调节模型腹内压等效力后再次仿真,对不同腹压条件、不同运动模式的腰椎间盘与腰髋部肌群的峰值负荷进行差异分析。3结果:腹内压正常状态时,跑步时维持躯干前倾稳定性的后伸肌群(竖脊肌、臀大肌)的募集程度要高于步行:2-5m/s跑速时的局部竖脊肌激活度峰值分别为47.1%、64.8%、94.2%、100%,高于快速与慢速步行时的43.3%与23%,2-5m/s跑速时的局部臀大肌激活度峰值分别为64.1%、88%、100%、98.7%,高于快速与慢速步行时的37.6%与30.7%;跑步时腰椎深层稳定性肌群(腰方肌、多裂肌)的募集程度也要高于步行:2-5m/s跑速时的局部腰方肌激活度峰值分别为3.5%、4.8%、6.6%、12.9%,高于快速与慢速步行时的2.7%与1.8%,2-5m/s跑速时的局部多裂肌激活度峰值分别为11.9%、16.2%、22.4%、37.8%,高于快速与慢速步行时的5.6%与3.1%。与之相匹配的是,跑步(>80%)运动产生/所需的腹内压远高于步行(35%)运动的腰椎间盘轴向负荷增加率远高于步行(<10%):快走时的腰椎间盘轴向负荷增加率仅为6.4%(升至1231.1N),负荷水平仍较佳,而2m/s慢跑则增长了36.2%(升至1908.4N),远超于最佳椎间盘负荷上限(300-1200N)。4结论:4.1跑步对于维持腹内压的相关肌群的激活度要远高于步行,对其有较佳的锻炼效果,但对于腹内压的依赖性也要远高于步行,若腹内压不足易造成其它肌肉-骨骼组织更多的代偿。4.2对于正常人预防LBP,慢跑(2m/s)训练似乎是较好的运动方式。4.3对于LBP患者的康复,快走(1.8m/s)运动似乎是较好的干预手段,同时推荐辅以一些腰髋部训练与腹内压训练,来弥补相对于慢跑,快走对腰髋部及深层核心肌群激活所存在的不足。

关键词：下腰痛腹内压慢跑步行 opensim