帮你选择：OpenSim、BoB、AnyBody等生物力学分析软件 哪个更好用、更适用？

刚接触生物力学分析，面对各种生物力学分析软件如何进行选择呢？只有真正使用过各种生物力学分析软件的人才能给我们些许建议！

我最近在网上看到了查尔默斯科技大学-运动技术中心三位学者对他们使用过的生物力学分析软件的评估，这篇文章最初发表在2016年国际体育工程协会第11届会议，个人感觉文章中对生物力学分析软件的评估是非常客观的，值得我们借鉴。

查尔默斯科技大学-运动技术中心的生物力学分析是针对游泳运动，使用了OpenSim、BoB、AnyBody和SWUM软件，由于SWUM软件没有与运动捕捉系统的接口来导入运动数据，所以我们暂且不将其列入考虑之中。查尔默斯科技大学-运动技术中心的专家针对OpenSim、BoB、AnyBody的使用情况给出了如下描述：

1、OpenSim

OpenSim是一个免费提供的软件包，允许用户建立、交换和分析肌肉骨骼系统的计算机模型以及运动的动态模拟。肌肉模型、分析、接触模型或控制器可以从头开始设计（C++），或者其他用户已经存在的模型可以缩放到新记录的运动数据以进行进一步分析。

当运动捕捉系统具有.trc格式时，可以导入运动捕捉系统的运动学。当力板测量值、压力中心数据或关节角度具有.sto或.mot格式时，可以将其添加到OpenSim分析中。EMG只能导入以与模拟进行比较（.sto或.mot文件）。

生物力学数据可以通过以下特定步骤进行分析：首先，将预定义肌肉骨骼模型的大小缩放为感兴趣对象记录的静态标记数据（图1a）。缩放过程拟合了许多变量，如骨骼和肌肉长度、每个骨骼的质心位置和每个片段（包括骨骼和肌肉）的质量，以记录受试者。然后，可以进行反向运动学或反向动力学分析，从关节角度和外力计算关节力矩（图1b）。通过残差折减分析（RRA），将记录的轨迹和记录的地面反作用力之间的不匹配最小化。然后可以进行静态优化，以进一步将计算出的关节净力矩分解为每个时间点的单独肌力。然后，整个分析可以转化为完整运动的模拟，包括相关肌肉的肌肉激活。

2、BOB-人体生物力学分析软件

三种评估工具中，BoB的界面最简单、最直接，可以直观地了解关节接触力、关节扭矩、运动轨迹和肌肉激活。它由36个骨骼段和666个运动肌肉单元组成。由于使用肌肉的方法不止一种，因此使用序列二次规划优化负荷分布。此外，角度、力、扭矩、肌肉特性或平衡动作可以在视频、图表或列表中显示（图2）。该程序在Matlab中运行，具有用于参数插入和输入文件选择的简单GUI。

反向动力学计算器需要四个输入文件（运动、力、骨骼属性、肌肉属性），用户定义模拟的持续时间和时间增量。

为了定义模型的运动，必须添加运动文件（.txt、.csv、.c3d）。每种文件格式都需要对解剖标志进行一定的命名，并且需要一定数量的解剖标志，例如，c3d文件需要具有30个标记排列（Vicon命名）。BoB将在缺少标记的情况下运行，但如果无法找到必要的标记来定义关节两侧的节段，则关节将无法铰接。如果调查缺少标记，用户可以通过将真实标记偏移来创建虚拟标记（例如，左前头距离右前头左侧100mm）[20]。

必须知道外力或地面反作用力，并手动将其插入.txt文件（振幅、速度/频率、时间、应用点）。如果用户不知道力，程序可以在一定程度上近似力。

骨架模型（.txt文件）可以根据生成运动文件的对象的高度/重量进行调整。

也可以对肢体/骨骼的可能错位进行建模。

有关所有考虑的肌肉的信息存储在.mat文件中，该文件可以通过BoB界面访问，并且可以添加/编辑/排除不同的肌肉。插入新肌肉需要全面了解其几何形状、插入点、力、纤维长度等。

插入四个输入文件后，BoB将计算模型的姿势，并求解逆动力学问题，以确定肌肉、关节和骨骼内的载荷。反向动力学解算器完成后，“播放”按钮将为运动设置动画，并允许观察不同的肌肉激活。结果可以使用输出下拉菜单显示在电影、图像、表格或图形中。

 

3、AnyBody建模系统

AnyBody目前可用的最复杂功能最全的肌肉和骨骼模型软件工具，但必须购买后才能使用。

它将肌肉骨骼系统看作是刚体系统，因而允许应用多体动力学的标准计算方法。默认的人体模型可以很容易地适应用户的需要（身高、体重、段长、强度、骨骼几何形状），此外，物体、载荷和运动条件可以补充所讨论任务的条件（图3）。如果使用全身模型，则需要考虑458块肌肉[21,22]。

可以对模拟中的环境进行建模（可以导入STL格式），例如，将自行车或健身机添加到建模设置中。肌电信号只能用作验证工具，不能作为驱动模型的输入。

与其他软件（如SolidWorks、Ansys、Abaqus等）的接口存在并开辟了新的可能性。模型本身可以由以下输入驱动：

•运动输入可以从.c3d或.bvh文件提供。每个身体节段至少使用三个标记是有价值的。该模型需要来自三维运动跟踪系统的输入。

•力输入

•环境输入（将骨架连接到移动表面）

•GUI合成运动（手动移动骨骼）

建模是在AnyScript语言中进行的，该语言是一种声明性的面向对象语言。每个模型分为两个主要部分：模型部分（机械系统、运动、环境）和包含（运动或动力学分析等操作）的研究部分。AnyBodya利用逆动力学方法，通过参考中枢神经系统（CNS）解决肌肉招募的冗余问题。所有肌肉和关节力都可以确定为一个优化问题的解决方案，该优化问题表示中枢神经系统希望最小化肌肉上的负荷。AnyBody提供了七种不同的缩放方法，其中最为先进的方法还考虑了脂肪百分比[23]。使用该软件的可能方法是改变简单参数（例如负荷、姿势）以计算该任务期间的肌肉反应，或通过重新定义标记协议将现有肌肉骨骼运动捕捉模型之一调整为新的实验室设置、力平台和实验室坐标系的可用性，或从头开始完全设计人体模型及其环境。当分析动物或未经研究的关节或姿势时，这可能是有益的。

我读了整篇文章，初步可知，查尔默斯科技大学-运动技术中心的观点是：对做学术项目的用户来说，选择OpenSim比较合适，由于它是免费的，有大量用户，同时还有一个大型社区与所有用户分享使用经验、开发的代码、扩展的模型模板和论文，对于做学术来说，可以得到较多支持；对做运动分析和生物力学教学的用户来说，选择BOB比较合适，因为它界面简单，操作容易，还有较多的内置模型，并且可以直观地了解关节接触力、关节扭矩、运动轨迹和肌肉激活情况；对于要重点研究人与环境之间的交互或手术规划的用户来说，还是选择比较贵的AnyBody更适合，虽然它需要专门再去学习AnyScript语言的使用，操作非常复杂，但是它功能更强大，可以根据用户的需求对模型进行详细调整。

任何工具都其自己的优点和缺点，我们作为使用者，最关键在于知道自己要做什么，然后做出正确的选择。BOB是性价比不错的产品，虽然不像OpenSim一样是免费的，目前也没有很多资料介绍它的使用经验或是作品分享，但是它容易上手，学习曲线短，可以轻松导入外部数据，而且BOB包含600多个运动肌肉单元组成的模型，OpenSim据我所知好像也就140多个吧。

就如本文开头提到的，没用过，听别人描述，也只是建议，总会感觉不是很可靠，AnyBody有些昂贵，我们可以有机会再尝试，但是对于BOB和OpenSim,我们就完全可以自己去尝试呀！BOB是支持免费试用的，OpenSim是免费的，让我们一起行动起来吧！说不定不久后，我们就是分享经验的人啦！

BOB可以通过邮件申请免费试用，提供以下信息发送到info@deanwell.com.cn：

1）Name(姓名）—— 必填

2）E-mail(电子邮箱）——必填，用于接收软件下载链接及LICENSE等信息

3）Organisation(单位名称）——必填

4）Country(国家）—— 如果不填，则默认为中国，BOB软件有多语言版本，如有特殊需求一定要记得填写此项

5）For what application will you use BoB?

（您使用BOB软件做何用途）—— 必填，会根据您此处的填写给您不同版本的BOB试用软件；

6）How did you hear about BoB? (if on-line, please specify which site)

您是如何知道BOB软件的？（如果是通过在线方式了解到BOB，敬请标明网站名称）——必填

7）PC or Mac version?（选择软件运行平台）—— 必选，一定要根据实际使用情况选择

 

OpenSim可以直接在它们的官网上下载：https://simtk.org/projects/opensim

但是下载是需要注册SimTK账号，如果不方便注册，就可以去https://github.com/opensim-org/opensim-gui/releases下载！