BOB、ANYBODY等生物力學(xué)分析軟件在先進(jìn)干預(yù)與康復(fù)策略制定方面表現(xiàn)卓越！

生物力學(xué)分析軟件已成為現(xiàn)代康復(fù)工程的核心工具，通過(guò)精確模擬人體肌肉骨骼系統(tǒng)的生物力學(xué)特性，為康復(fù)策略制定和機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的解決方案。

生物力學(xué)分析軟件在康復(fù)機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域正發(fā)揮著不可或缺的作用。這類軟件通過(guò)構(gòu)建高精度的人體肌肉骨骼模型，模擬和分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的生物力學(xué)參數(shù)，為康復(fù)策略的優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。近年來(lái)，BOB（Biomechanics of Bodies）和AnyBody等仿真軟件已經(jīng)成為康復(fù)工程領(lǐng)域的強(qiáng)大工具，幫助研究人員和臨床醫(yī)生設(shè)計(jì)更有效的干預(yù)措施。

01 生物力學(xué)軟件成為康復(fù)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)逐漸從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，生物力學(xué)分析軟件在這一轉(zhuǎn)變中扮演著關(guān)鍵角色。通過(guò)精確模擬人體肌肉骨骼系統(tǒng)的生物力學(xué)特性，這些軟件能夠?yàn)榭祻?fù)策略制定和康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供量化依據(jù)。BOB和AnyBody等軟件可以導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（如Vicon、Xsens）采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算關(guān)節(jié)力矩、肌肉力量、接觸力等關(guān)鍵參數(shù)，從而評(píng)估功能障礙并制定個(gè)性化訓(xùn)練方案。

02 BOB軟件：多功能集成與教學(xué)研究應(yīng)用

BOB生物力學(xué)分析軟件是一款來(lái)自英國(guó)的肌肉骨骼仿真建模軟件，BOB軟件提供Core、EMG、Ergo、Super(Core/Ergo/EMG) 和TEACHING版本。這款軟件支持多種數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入，包括C3D文件、CALC文件、HPF文件、MVNX文件和BVH文件等，使其能夠與主流運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備無(wú)縫協(xié)作。BOB的分析功能廣泛，可以處理點(diǎn)位置/速度/加速度、分段方向、解剖軌跡、質(zhì)心位置、身體能量/功率、速度矢量、關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍、關(guān)節(jié)扭矩、地面反作用力等多種數(shù)據(jù)。其多對(duì)象分析能力和批處理功能大大提高了研究效率，特別適合大量運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的仿真建模需求。

03 AnyBody建模系統(tǒng)：人機(jī)融合與優(yōu)化設(shè)計(jì)

AnyBody建模系統(tǒng)是另一款廣泛應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)領(lǐng)域的生物力學(xué)仿真軟件。該系統(tǒng)通過(guò)建立完整的人-機(jī)肌骨系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真結(jié)果定量分析助行器與人體的交互力和肌肉變化情況。天津科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用AnyBody軟件進(jìn)行了下肢助行器的人機(jī)融合與優(yōu)化設(shè)計(jì)。他們發(fā)現(xiàn)穿戴下肢助行器后直道行走步態(tài)基本正常，但是關(guān)節(jié)力和肌肉力、肌肉長(zhǎng)度變化都出現(xiàn)了不同程度的延遲現(xiàn)象，還有個(gè)別肌肉力出現(xiàn)突增現(xiàn)象?；谶@些發(fā)現(xiàn)，研究人員提出利用表面肌電信號(hào)（sEMG）反饋來(lái)預(yù)判人體肢體動(dòng)作，從而減小助行器延遲，提高人機(jī)協(xié)調(diào)性。研究表明，sEMG與肌肉力有極大的相關(guān)性，作為控制輸入信號(hào)進(jìn)行人體下肢運(yùn)動(dòng)意圖的識(shí)別是可行的。

04 軟件在康復(fù)機(jī)器人研發(fā)中的融合應(yīng)用

在康復(fù)機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域，生物力學(xué)軟件的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著成果。例如，大連交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，并在AnyBody軟件中對(duì)人體模型-機(jī)器人手臂模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人帶動(dòng)人體手臂做前屈和外展運(yùn)動(dòng)時(shí)，相關(guān)運(yùn)動(dòng)肌肉的強(qiáng)度在允許的范圍內(nèi)，肌肉的激活程度可以達(dá)到對(duì)人體肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的目的。類似地，百度學(xué)術(shù)上一篇關(guān)于《基于OpenSim的人體下肢與康復(fù)機(jī)器人耦合仿真》的研究論文，系統(tǒng)研究了虛擬仿真系統(tǒng)中的高精度人體建模、人體下肢肌骨模型正逆動(dòng)力學(xué)求解問題。研究人員利用OpenSim軟件建立高精度的人體下肢肌骨模型，基于SimTrack進(jìn)行典型人體雙足步行過(guò)程的逆向動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲得各肌肉力數(shù)據(jù)。他們還在Matlab中進(jìn)行代碼的編寫并運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了人體下肢與康復(fù)機(jī)器人的耦合仿真，驗(yàn)證了下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與正確性。

05 應(yīng)用案例：踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)也受益于生物力學(xué)分析軟件。一項(xiàng)發(fā)表在《醫(yī)用生物力學(xué)》2023年第2期的研究，設(shè)計(jì)了一種2-PSU/RR并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，并對(duì)人體肌肉進(jìn)行生物力學(xué)特性分析。研究人員采用數(shù)值離散搜索法獲得機(jī)器人的實(shí)際工作空間，探究結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)高度的影響。通過(guò)AnyBody軟件得到肌肉力、肌肉活動(dòng)度等人體生物力學(xué)響應(yīng)，研究動(dòng)平臺(tái)高度變化對(duì)肌肉行為的影響。研究結(jié)果表明，適當(dāng)增大定長(zhǎng)桿的初始傾角和減小長(zhǎng)度，使得踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人具有較低的整體高度。當(dāng)動(dòng)平臺(tái)高度依次遞減10mm時(shí)，人體參與運(yùn)動(dòng)的肌肉力和肌肉活動(dòng)度都有一定幅度下降。

06 技術(shù)前景與未來(lái)發(fā)展方向

生物力學(xué)分析軟件在康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。隨著計(jì)算能力的提升和算法的不斷完善，這些軟件的仿真精度和計(jì)算效率將進(jìn)一步提高。2025年5月發(fā)表在《Medical & Biological Engineering & Computing》的一項(xiàng)研究，開發(fā)了一種結(jié)合骨骼肌模型和卡魯什-庫(kù)恩-塔克條件（KKT conditions）的創(chuàng)新算法。該研究通過(guò)下肢四自由度機(jī)器人驗(yàn)證，成功生成股四頭肌（vasti）激活軌跡，證實(shí)了該方法在醫(yī)學(xué)康復(fù)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的雙重應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)技術(shù)突破性地提出通過(guò)骨骼肌模型計(jì)算肢體末端等效外力的新范式，當(dāng)受試者需要特定肌肉（如股四頭?。┊a(chǎn)生目標(biāo)收縮力時(shí)，研究人員運(yùn)用卡魯什-庫(kù)恩-塔克條件，精確推算出足部所需施加的力學(xué)向量。

隨著人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，生物力學(xué)軟件正從實(shí)驗(yàn)室走向臨床和家庭環(huán)境。開放式架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)讓BOB和AnyBody等平臺(tái)能夠兼容多種可穿戴傳感器，為遠(yuǎn)程康復(fù)和個(gè)性化干預(yù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。未來(lái)，這類軟件不僅能夠優(yōu)化康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)，還能為每位患者定制數(shù)字化康復(fù)方案。它們將記錄每次訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)，實(shí)現(xiàn)康復(fù)效果最大化。這一切，都預(yù)示著康復(fù)醫(yī)學(xué)正邁向精準(zhǔn)化、個(gè)性化的新時(shí)代。