Opensim教程1-骨骼肌肉建模入门

【Ps: 以下教程用于opensim4.0及更高版本】

一个刚刚接触opensim的小白，从官 上扒的教程，乱七八糟的整理到一起，还有很多疑问。

I. Objectives

1) OpenSim简介Introduction to OpenSim

肌肉骨骼模型Musculoskeletal models使我们能够研究神经肌肉协调性neuromuscular coordination，分析运动表现athletic performance并估算肌肉骨骼负荷 estimate musculoskeletal loads。OpenSim是一个开源软件，允许用户开发，分析和可视化肌肉骨骼系统的模型，并生成运动的动态模拟[1]。在OpenSim中，肌肉骨骼模型由通过关节连接joints的刚体段rigid body segments 组成。肌肉跨越这些关节并产生力和运动。一旦创建了肌肉骨骼模型后，OpenSim使用户能够创建自定义研究，包括研究肌肉骨骼几何musculoskeletal geometry，关节运动学joint kinematics,和肌肉肌腱特性对肌肉产生的力和关节力矩的影响。借助OpenSim，我们的目标是提供一个框架，使生物力学团体可以创建、共享和扩展可用于研究和量化人类和动物运动的模型和动态仿真工具库。

2) 目的Purpose

本教程的目的是通过演示基于图形的肌肉骨骼建模框架的实用程序向用户介绍OpenSim，以研究研究肌肉肌腱长度和手臂力矩是如何依赖于四肢形态limb configuration的。在本教程中将：
1熟悉OpenSim的图形用户界面（GUI）。
2发现肌肉骨骼模型的一些局限性。
3探索单关节（“1-joint”）和双关节（“2-joint”）肌肉之间的差异。
4使用OpenSim解决一个重要的临床问题

3) OpenSim GUI简介Introduction to the OpenSim GUI

注意：当第一次打开OpenSim时，页面不会加载任何模型。
OpenSim GUI的几个关键组件
Toolbar工具栏

Q4. Muscle Fiber Length vs. Joint Angle
a. 研究肌纤维长度与膝关节角度的关系。对于股直肌和股中间肌，如果右髋屈曲，你认为纤维长度曲线会有所不同吗为什么或为什么不节屈曲对股直肌Rect_fem_r纤维长度影响大，不影响股中间肌纤维长度。

IV. Assessment of Hamstrings Length During Crouch Gait评估蹲姿时腿筋长度

使用OpenSim来研究屈膝步态crouch gait的可能原因，是脑瘫患者individuals with cerebral palsy最常见的行走异常walking abnormalities之一。其特点是在站立阶段膝关节过度屈曲，常伴有髋部过度屈曲和内旋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.。
判断病人的腿筋hamstrings是否比“正常”更短的一个可能的方法是建立一个肌肉骨骼模型，并比较病人蹲伏步态周期the patient’s crouch gait cycle中腿筋的长度和正常步态周期中a normal gait cycle的腿筋的长度。

1) Loading a Motion加载

gait2392.osim需要将一个相关的运动文件加载到OpenSim中:
File-Load Motion-Gait2392Tutorial1-normal.mot「This motion file contains kinematics for a normal gait」. -Open-Rename:Normal-Motions
注意:在Navigator窗格中重命名只会改变显示名称，不会影响模型的文件名。

2) Motion Slider运动滑块

3) Multiple Models and Motions多模型运动

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. 同步播放正常步态和蹲伏步态。一定要循环动画，调整播放速度，并旋转模型。视觉上比较两种运动，定性地描述关节坐标的normal和crouch步态运动。
定量地比较屈膝和正常步态周期的膝关节屈曲角度

Q8. Additional Crouch Gait Files (optional)额外的屈膝步态文件(可选)
这位矫形外科医生还要照顾另外三名屈膝走路的病人。对运动文件crouch2、crouch3、crouch4重复上述分析。可以将多个运动与一个模型相关联。对于这些病人，你给外科医生的建议会有什么不同吗你想了解更多关于这种类型的分析，请阅读参考[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.

文章知识点与官方知识档案匹配，可进一步学习相关知识算法技能树首页概览35078 人正在系统学习中