Opensim教程1-骨骼肌肉建模入門

【Ps: 以下教程用於opensim4.0及更高版本】

一個剛剛接觸opensim的小白，從官網上扒的教程，亂七八糟的整理到一起，還有很多疑問。

I. Objectives

1) OpenSim簡介Introduction to OpenSim

肌肉骨骼模型Musculoskeletal models使我們能夠研究神經肌肉協調性neuromuscular coordination，分析運動表現athletic performance並估算肌肉骨骼負荷 estimate musculoskeletal loads。OpenSim是一個開源軟體，允許使用者開發，分析和視覺化肌肉骨骼系統的模型，並生成運動的動態模擬[1]。在OpenSim中，肌肉骨骼模型由通過關節連線joints的剛體段rigid body segments 組成。肌肉跨越這些關節併產生力和運動。一旦建立了肌肉骨骼模型後，OpenSim使使用者能夠建立自定義研究，包括研究肌肉骨骼幾何musculoskeletal geometry，關節運動學joint kinematics,和肌肉肌腱特性對肌肉產生的力和關節力矩的影響。藉助OpenSim，我們的目標是提供一個框架，使生物力學團體可以建立、共享和擴充套件可用於研究和量化人類和動物運動的模型和動態模擬工具庫。

2) 目的Purpose

本教程的目的是通過演示基於圖形的肌肉骨骼建模框架的實用程式向用戶介紹OpenSim，以研究研究肌肉肌腱長度和手臂力矩是如何依賴於四肢形態limb configuration的。在本教程中將：
1\熟悉OpenSim的圖形使用者介面（GUI）。
2\發現肌肉骨骼模型的一些侷限性。
3\探索單關節（“1-joint”）和雙關節（“2-joint”）肌肉之間的差異。
4\使用OpenSim解決一個重要的臨床問題

3) OpenSim GUI簡介Introduction to the OpenSim GUI

注意：當第一次開啟OpenSim時，頁面不會載入任何模型。
OpenSim GUI的幾個關鍵元件

II. Musculoskeletal Model of the Lower Extremity下肢肌肉骨骼模型

完成任務：將把下肢模型[2]載入到OpenSim中，並使該模型“行走”。
該模型代表一名成年受試者，身高約1.8米，體重約75公斤。該模型由13個剛體部分組成，包括92塊肌肉的活動軌跡(每條腿43塊，軀幹6塊)。

1) Loading a Model載入模型

使用模型：gait2392.osim
File-Open Model–Models(要先把Resources解壓才能看到，教程中剩下的所有模型和運動檔案都將位於這個模型資料夾中)-Gait2392_simbody folder-gait2392_simbody.osim


載入模型後,Navigator視窗將顯示模型與給定模型的名稱,可以通過rename重新命名，若導航視窗不可見可以通過Window-Navigator調出來。

2) Viewing a Model檢視模型

方法一：滑鼠：旋轉模型-左擊滑鼠拖動；平移模型-右擊滑鼠拖動；放大縮小-滾動
方法二：檢視視窗右側的六個定向圖示（從上到下，從左到右操作結果如下）：

3) Model Coordinates模型座標

Window-Coordinates：包含與模型中的關節座標或自由度相對應的滑塊。



Poses-Default恢復預設狀態；New-Poses建立新姿勢；Set Default，把建立姿勢設定為預設狀態。

4) Muscles in a Model模型肌肉

肌肉-肌腱路徑Muscle-tendon paths 由線段連線的一系列點表示。
顯示單個肌肉：Navigator-Forces-Muscles-right click-display-Show Only-the gluteus medius(臀中肌)-glut_med1_r, glut_med2_r, glut_med3_r


對於一些肌肉，肌肉起始點和插入點origin and insertion兩個點足以描述肌肉路徑。
對於其他包裹在骨骼上或受支撐肌約束的肌肉，必須確定中間包繞點或通過點wrapping or via points。要檢視這些點wrapping points:
放大右膝關節zoom in on the right knee joint-R_knee_ext-Fully flex the right knee using the knee_angle_r
請注意，在某些膝蓋的伸肌中會出現一些繞點，這樣肌肉路徑就會扭結，看起來就會纏繞在骨骼上。一些肌肉在極端範圍的運動中穿過骨骼或更深的肌肉。

Q1. Degrees of Freedom自由度
a. 模型共有多少自由度？3+3+7+7+3=23
列舉右腿自由度：Hip_flexion_r:-120_{120；Hip_adduction_r:-120}120；Hip_rotation_r:-120~120；Knee_angle_r: -120~10 Ankle_angle_r: -90~90；Subtalar_angle_r: -90~90；Mtp_angle_r: -90~90
b. 模型中的自由度與現實自由度進行比較。給出一個不包括在這個模型中的運動的例子。(踢毽子)

Q2. Muscles肌肉
a. 模型中有多少塊肌肉? 92塊

這和模型中的自由度有什麼不同呢?要完全驅動模型，最少需要多少塊肌肉?
提示：充分驅動膝蓋意味著膝蓋彎曲和膝蓋伸展。
b. 除了臀中肌the gluteus medius以外的由多條運動線所代表的肌肉。為什麼你認為這些肌肉是這樣表現的？協同作用

c. 哪些膝關節伸肌有繞點?在每一個膝蓋伸肌上膝蓋的哪個角度出現纏繞點?一塊肌肉可以有多個繞點。

III. Joint Angles, Muscle-tendon Lengths & Moment Arms關節角度，肌肉肌腱長度，力矩臂

研究肌肉肌腱長度和手臂力矩是如何依賴於四肢結構的。
肌肉骨骼幾何結構對於肌肉功能和量化肌肉骨骼模型的發展非常重要，肌肉肌腱力Muscle-tendon forces 依賴於肌肉肌腱長度muscle-tendon length，而關節力矩 joint moments 同時依賴於肌肉肌腱力muscle-tendon forces和力矩臂moment arms。因此，建立一個準確的骨骼肌肉模型對於預測肌肉肌腱力和關節力矩非常重要。

Using the Plotter 使用繪圖機
生成股直肌和股中間肌的纖維長度與膝關節角度圖：
fiber-length vs. knee angle for the rectus femoris and vastus intermedius muscles:
Tools-Plot-Y Quantity-fiber-length- Muscles-model-group「可以通過肌肉群muscle group方便過濾所需肌肉」-R_knee_ext「右膝關節伸肌組right knee extensors group」-rect_fem_r「股直肌femoris」、vas_int_r「股中間肌intermedius」-X Quantity-knee_angle_r-Properties-type Fiber-Length vs. Knee Angle into the textbox under the Title tab「可在plot中註上單位」-OK-Add-Export image.

注意:只要 plotter window 開啟，不必關閉muscles window視窗，在同一幅圖上建立多條曲線時，這將非常有用。不要關閉plot視窗，因為您將在下一節中新增更多的曲線。

Q4. Muscle Fiber Length vs. Joint Angle
a. 研究肌纖維長度與膝關節角度的關係。對於股直肌和股中間肌，如果右髖屈曲，你認為纖維長度曲線會有所不同嗎?會。為什麼或為什麼不?髖關節屈曲對股直肌Rect_fem_r纖維長度影響大，不影響股中間肌纖維長度。


b. Coordinates window-adjust the model’s right hip flexion to 45 degrees-save the pose as r_hip_flex_45)-add rectus femoris and vastus intermedius fiber-length curves for 45º hip flexion新增股直肌和股中間部纖維長度曲線45º髖關節屈曲。
將之前繪製的未彎曲臀部的模型的肌肉曲線與剛剛繪製的模型的曲線進行比較。曲線是如何變化的?解釋你的發現。雙關節肌如何使分析複雜化?

Q5. Muscle Moment Arm vs. Joint Angle
畫出右股直肌和股中間肌的膝關節伸展力矩臂與膝關節角度。plot the knee extension moment arm vs. knee angle for the right rectus femoris and vastus intermedius muscles.
開啟一個新plot-Y-Quantity -moment arm -knee_angle_r-X-Quantity-knee_angle_r-Muscule-group- R_knee_ext-Select the right rectus femoris (rect_fem_r) and vastus intermedius (vas_int_r) muscles- title:Knee Extension Moment Arm vs. Knee Angle-Add.
單位:米(長度)，牛頓(力)，牛頓-米(力矩)。

IV. Assessment of Hamstrings Length During Crouch Gait評估蹲姿時腿筋長度

使用OpenSim來研究屈膝步態crouch gait的可能原因，是腦癱患者individuals with cerebral palsy最常見的行走異常walking abnormalities之一。其特點是在站立階段膝關節過度屈曲，常伴有髖部過度屈曲和內旋It is characterized by excessive flexion of the knee during stance phase, which is often accompanied by exaggerated flexion and internal rotation of the hip.。
判斷病人的腿筋hamstrings是否比“正常”更短的一個可能的方法是建立一個肌肉骨骼模型，並比較病人蹲伏步態週期the patient’s crouch gait cycle中腿筋的長度和正常步態週期中a normal gait cycle的腿筋的長度。

1) Loading a Motion載入

gait2392.osim需要將一個相關的運動檔案載入到OpenSim中:
File-Load Motion-Gait2392\Tutorial1-normal.mot「This motion file contains kinematics for a normal gait」. -Open-Rename:Normal-Motions
注意:在Navigator窗格中重新命名只會改變顯示名稱，不會影響模型的檔名。

2) Motion Slider運動滑塊

3) Multiple Models and Motions多模型運動

open a second gait2392.osim -rename: Crouch-double clicking-Load motion-crouch1.mot-Gait2392\ Tutorial1-hold down Ctrl (Windows) or Command (Mac)-select both motions-Sync. Motions

Q6. Range of Motion
a. 同步播放正常步態和蹲伏步態。一定要迴圈動畫，調整播放速度，並旋轉模型。視覺上比較兩種運動，定性地描述關節座標的normal和crouch步態運動。
定量地比較屈膝和正常步態週期的膝關節屈曲角度

b. 標出腳跟著地heel strike和脫趾發生toe-off的時間，以及站立the stance intervals和擺動間隔the swing intervals。
Normal:
前腳掌著地：0.685；左腳跟著地0.764；站立間隔0.685-0.184=0.499；左脫趾0.184；擺動間隔：0.184-0.685=0.501
Crouch:
前腳掌著地：0.718；左腳跟著地0.559；站立間隔0.559-0.154=0.595；左脫趾0.154；擺動間隔：0.154-0.559=0.495
c. 在正常步態中，站立階段膝關節屈曲的活動範圍是多少?-2—-55
d. 與正常步態相比，屈膝步態的膝關節屈曲範圍如何?範圍小很多

Q7. Hamstrings Length腿筋長度
比較腿筋(半腱肌)長度在病人蹲下步態週期的腿筋長度。
繪製半腱肌-肌腱長度在屈膝和步態週期Plot the semitendinosus muscle-tendon length over the crouch and gait cycles

a. 研究曲線。在正常步態和蹲姿步態中，腿筋的峰值長度是如何比較的?對於這個病人，你會推薦腿筋延長手術嗎?
b. 你的分析有哪些侷限性?

Q8. Additional Crouch Gait Files (optional)額外的屈膝步態檔案(可選)
這位矯形外科醫生還要照顧另外三名屈膝走路的病人。對運動檔案crouch2、crouch3、crouch4重複上述分析。可以將多個運動與一個模型相關聯。對於這些病人，你給外科醫生的建議會有什麼不同嗎?如果你想了解更多關於這種型別的分析，請閱讀參考[3]。

References

[1]Delp, S.L., Anderson, F.C., Arnold, A.S., Loan, P., Habib, A., John, C.T., Guendelman, E., Thelen, D.G. OpenSim: Open-source software to create and analyze dynamic simulations of movement. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 55, pp. 1940-1950, 2007.
[2]Delp, S.L., Loan, J.P., Hoy, M.G., Zajac, F.E., Topp E.L., Rosen, J.M. An interactive graphics-based model of the lower extremity to study orthopaedic surgical procedures. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 37, pp. 757-767, 1990.
[3]Arnold, A.S., Liu, M., Ounpuu, S., Swartz, M., Delp, S.L., The role of estimating hamstrings lengths and velocities in planning treatments for crouch gait, Gait and Posture, vol. 23, pp. 273-281, 2006.