人體運動與肌肉骨骼系統(tǒng)生物力學虛擬仿真教學實驗開發(fā)與應用

萬 超， 王 偉， 于 洋， 霍 波

（北京理工大學宇航學院，北京 100081）

0 引 言

隨著全球新一輪科技革命的加速及我國“健康中國”國家戰(zhàn)略的實施，與人體運動健康相關的研究及產(chǎn)業(yè)正在飛速發(fā)展。力學學科與基礎理論和工程應用均密切相關，目前出現(xiàn)了生物力學、仿生力學等新興學科分支。生物力學研究主要是應用力學原理和方法對生物體中的力學規(guī)律進行定量分析，重點關注與生物學、生理學、醫(yī)學相關的力學問題［1］。其中，運動生物力學一直是生物力學的研究熱點和難點之一，其研究成果有助于人體運動能力提升、運動促進健康方案設計、運動受損診斷評估、仿人機器人優(yōu)化、運動裝備改進等［2-6］。

在生物力學相關的科學研究及產(chǎn)品研發(fā)中，常需用到先進的實驗技術和測試設備，如用于人體運動行為定量分析的動作捕捉系統(tǒng)、用于測量生物組織微納米尺度力學特性的原子力顯微鏡（AFM）或納米壓痕儀等。配置這些實驗設備往往花費昂貴，部分精密儀器極易損壞，單次實驗可容納人數(shù)僅1或2人；此外，用于實驗的人體組織樣本和特殊人群動作也很難獲取。高昂的經(jīng)費投入、有限的覆蓋人數(shù)和難以獲取的實驗對象等現(xiàn)實條件使很多學校無法開展相應的實驗教學項目，制約了學生擴寬知識視野、提升專業(yè)技能、鍛煉實際工程能力，不利于創(chuàng)新性專業(yè)人才的培養(yǎng)。

基于虛擬仿真技術來構建實驗教學項目可以很好地解決所面臨的上述難題，目前已有部分教師開始嘗試在人體運動相關課程中進行虛擬仿真實驗教學應用。王建鵬等［7］在Matlab軟件中的Simulink環(huán)境下實現(xiàn)了模擬人體真實控制方式的虛擬人行走動作，運動具有良好的平穩(wěn)性，但虛擬人模型過于簡化。類似地，曹中旺等［8］基于運動生物力學捕捉技術構建了人體的簡化體段模型，并將其用于跳高運動員訓練效果的評估中。隨后，虛擬仿真模擬技術開始逐漸被在籃球、羽毛球等體育教學中進行試用［9-10］。然而，上述應用多是對運動動作進行定性演示和功效評估，而非圍繞人體運動行為與生物力學特性開展的力學實驗研究，不適合力學、機械等理工科本科學生的專業(yè)培養(yǎng)。在所涉及的力學實驗技術方面，孫艷娜等［11］開發(fā)了針對混凝土力學參數(shù)測量的材料試驗機虛擬仿真實驗平臺，李英姿等［12］開發(fā)了用于基礎物理課程實驗教學的原子力顯微鏡虛擬仿真實驗系統(tǒng)。然而，上述兩類虛擬仿真實驗教學項目并未包含有人體生物力學相關的實驗內容。綜上，目前仍然缺乏能夠反映人體運動與生物力學前沿成果和先進實驗技術的虛擬仿真實驗教學項目。

基于此，筆者與軟件公司聯(lián)合設計開發(fā)了人體運動與肌肉骨骼系統(tǒng)（以下簡稱肌骨系統(tǒng)）生物力學虛擬仿真實驗教學平臺，以解決力學、機械等理工科專業(yè)復合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)中缺乏相應教學實驗的問題。該實驗教學項目包含了人體運動相關的宏觀系統(tǒng)層面實驗和微觀組織層面實驗，再現(xiàn)了動作捕捉、肌肉骨骼系統(tǒng)動力學分析、生物組織力學特性測量等運動生物力學常用的先進實驗技術和分析方法，不僅能推進人體運動生物力學方向核心內容的實驗教學，更能幫助學生建立力學理論知識與實際應用場景具體對象間的有效聯(lián)系、提升創(chuàng)新性拔尖人才培養(yǎng)水平。

1 實驗內容與原理

1.1 實驗目的

本虛擬仿真教學實驗的主要目的是使學生在較短時間內掌握人體運動與肌骨系統(tǒng)生物力學中涉及的基本理論知識和常用實驗技術，為今后研究生物力學機制、研發(fā)運動裝備、開展人體運動特性評價等奠定理論和實踐基礎。具體的教學目標如下：

（1）理解運動捕捉分析和生物材料力學特性測試技術的基本原理。

（2）掌握人體運動捕捉和地面反力的實驗技術和分析方法。

（3）掌握肌骨系統(tǒng)主要組織力學性能的實驗測試技術。

（4）理解骨和軟骨的微觀力學特性、肌肉的主動/被動張力特性、韌帶軟組織的橫觀各向同性超彈性等獨特力學行為。

（5）了解人體常見動作下肌骨系統(tǒng)動力學特性。

1.2 實驗內容

為達成以上實驗教學目標，本項目主要包含3個實驗模塊：

模塊1人體運動捕捉與肌骨系統(tǒng)動力學分析。對人體不同運動進行動作捕捉，獲得人體的運動學特性，并得出不同動作下人體肌肉張弛狀態(tài)等動力學特性。

模塊2骨與軟骨壓痕實驗與力學性能分析。針對人體肌骨系統(tǒng)中的骨與軟骨組織，使用原子力顯微鏡開展壓痕實驗，獲得生物組織沿不同方向的力學特性。

模塊3纖維軟組織拉伸實驗與力學性能分析。針對人體肌骨系統(tǒng)中的肌肉和韌帶組織，使用力學試驗機獲得不同組織在不同方向和主動/被動工況下的力學行為。

實驗內容、實驗目的與人才培養(yǎng)目標的對應關系如圖1所示。

1.3 實驗原理

上述各模塊主要涉及的實驗原理如下：

（1）人體運動捕捉及肌肉骨骼系統(tǒng)動力學分析方面。通過捕捉人體各體段骨性結構上紅外光標記點的三維運動軌跡，進而計算出人體各體段和相應關節(jié)的速度、角速度、加速度和角加速度等；獲得人體足底的三維地反力情況，與運動學數(shù)據(jù)聯(lián)立求解出各關節(jié)載荷；結合骨骼肌張弛力學模型及其解剖分布情況，融合運動學、動力學等數(shù)據(jù)進行各肌肉張力特性的優(yōu)化求解。

（2）骨與軟骨組織的力學性能測試方面。在彈性半空間和赫茲接觸假設前提下，基于壓痕理論對材料的微尺度力學特性進行表征。使用已知截面形狀的探針壓頭在被測樣本上進行加載和卸載，在所得的力-位移曲線中去除探針懸臂梁的彎曲變形影響，從而得到反映待測樣本力學特性的壓入深度-力曲線，基于Oliver-Pharr公式得出被測材料在受載方向上的彈性模量E［13］。考慮到所用的金剛石壓頭具有非常高的彈性模量（1 170 GPa），具體公式如下：

式中：β為修正系數(shù)；S為接觸剛度；hc為接觸深度；E和ν為樣本的彈性模量和泊松比；A（hc）為壓頭的接觸投影面積，是接觸深度hc的函數(shù)。不同形狀的壓頭具有不同的A（hc）函數(shù)，因而式（1）可以簡化成不同的形式。對于具有不同形狀特征的壓頭，應根據(jù)具體情況進行分析。以尖端為球型的圓錐型壓頭為例，樣本彈性模量E可由下式得出［14］：

式中：Rc為壓頭與樣本間的接觸半徑；h為壓入深度；P為壓痕載荷；Rt為探針壓頭尖端的球型半徑；θ為壓頭的圓錐半錐角。

（3）生物纖維軟組織的拉伸實驗測試方面。基于數(shù)字圖像相關（DIC）技術，使用中高速攝像機捕捉生物軟組織表面隨機散斑在拉伸過程中的運動情況，得到樣本的應變分布；使用力傳感器和樣本截面測量數(shù)據(jù)獲得樣本的應力變化情況，從而得到不同樣本的應力-應變曲線。進一步，使用雙線性本構模型［15］對應力-應變曲線進行擬合，得出韌帶組織明顯的非線性力學特性，具體表達式如下：

式中：σ為軸向拉伸應力；ε為軸向拉伸應變；E0為小應變下的彈性模量；E1為大應變的彈性模量；ε0為彈性模量轉變應變。

2 項目架構及設計

2.1 總體框架與功能設計

人體運動與肌肉骨骼系統(tǒng)生物力學虛擬仿真實驗教學主要分為課前自主學習、課上主題講解、線上虛擬實驗探究、結果研討拓展4個環(huán)節(jié)。在課前自主學習環(huán)節(jié)，學生通過實驗指導書、MOOC、微課等資源自主學習人體肌骨系統(tǒng)運動生物力學的相關理論知識；在課上主題講解環(huán)節(jié)，教師對實驗所涉及的主要背景知識、實驗原理、技術方法和操作流程進行講解，并引導學生進行研究討論，最終形成共識或確定爭議點；在線上虛擬實驗探究環(huán)節(jié)，學生選取不同實驗模塊開展線上虛擬實驗，對實驗中的關鍵參數(shù)、重要的過程性結果以及實驗數(shù)據(jù)進行記錄；在結果研討拓展環(huán)節(jié)，完成實驗報告（含關鍵步驟截圖、實驗數(shù)據(jù)、實驗結論、心得體會等），并通過對實驗結果和過程的討論進行拓展學習。其中，線上虛擬實驗是在所構建的虛擬仿真平臺上完成。

該虛擬仿真教學實驗平臺以3D仿真、HTML5和WebGL等技術為依托，使用Unity3D、3D Studio Max和Maya等開發(fā)工具，構建了人體運動捕捉及分析、骨與軟骨壓痕測試、人體肌骨系統(tǒng)軟組織拉伸實驗3個實驗模塊，每個模塊內包含實驗簡介、具體操作、數(shù)據(jù)分析、知識測驗等環(huán)節(jié)。知識測驗環(huán)節(jié)可以對學生的課前自主學習和課上主題講解效果進行測試，具體操作及數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)真實再現(xiàn)了實際實驗中的關鍵過程和核心參數(shù)。各環(huán)節(jié)間前后呼應、相互依存、層層遞進，系統(tǒng)性地提升了學生對相關理論知識和實驗技能的理解和掌握。

2.2 核心要素仿真設計

（1）運動捕捉場景及核心測試系統(tǒng)設置。再現(xiàn)了真實的實驗環(huán)境和操作環(huán)節(jié)，如可自由設置動作捕捉相機和測力臺的數(shù)量和位置（見圖2）、自由選擇標記點方案、測試前后進行系統(tǒng)標定和補點操作、不同相機下顯示實際的標記點運動影像等。

（2）基于數(shù)據(jù)驅動的虛擬人模型。具有人體的完整體段和關節(jié)自由度，可按內置步行、跑步動作或由用戶提供的專業(yè)運動數(shù)據(jù)來運動，可拓展性強（見圖3）。

（3）人體肌骨系統(tǒng)動力學特性。包含了主要骨骼、肌肉種類和肌肉束等特征，定量展示了動作單周期內的肌肉各束張弛情況（見圖4）。

（4）原子力顯微鏡壓痕測試操作及關鍵參數(shù)設置。包含了壓痕測試的關鍵參數(shù)和步驟，如視野下調節(jié)待測位置、選擇探針懸臂梁剛度和確定壓頭形狀參數(shù)（見圖5）、標定探針靈敏性、自由設定關鍵實驗參數(shù)、基于力學模型定量分析實驗曲線等。

（5）肌骨系統(tǒng)主要組織的真實特性。可顯示密/松質骨、軟骨、韌帶等的真實宏微觀影像（見圖6），輸出結果反映出不同交互操作下的力學行為變化，如骨/軟骨的微觀力學特性分布、韌帶的橫觀各向同性超彈性、電刺激下的肌肉主動收縮行為等。

2.3 交互步驟設計

人體運動與肌肉骨骼系統(tǒng)生物力學虛擬仿真實驗教學項目的實驗流程（見圖7）為：登錄系統(tǒng)——進入模塊1開展人體運動捕捉與分析實驗——進入模塊2開展骨與軟骨壓痕測試實驗——進入模塊3開展軟組織拉伸力學實驗——綜合分析實驗結果、形成實驗結論——完成實驗報告并在系統(tǒng)內提交。下面對人體運動捕捉與分析實驗（模塊1）和密質骨壓痕測試實驗（模塊2）進行主要交互步驟的說明。

2.3.1 人體運動捕捉實驗及分析（模塊1）

人體運動捕捉實驗及分析的主要步驟如下：

（1）選擇不同類型動作（見圖8），可選擇“步行”“跑步”2種預設動作或本地/平臺上的“自選動作”數(shù)據(jù)（根據(jù)設定格式對數(shù)據(jù)進行轉換）。

（2）在場地中央和周圍任意位置分別布置任意數(shù)量的三維測力臺和動作捕捉相機，并對其進行標定操作（見圖9）。

（3）在任一測力臺上放置所構建的數(shù)據(jù)驅動虛擬人，設置實驗系統(tǒng)參數(shù)，在人體骨性結構處粘貼紅外光標記點（見圖10）。

（4）開始實驗，界面下方實時顯示出地反力曲線及各相機中標記點的運動捕捉影像（見圖11），結束后對因人體遮擋而造成的采集數(shù)據(jù)缺失進行補點操作。

（5）在人體三維解剖圖上選擇具體肌肉，展示出該肌肉在動作過程中的張弛變化曲線（見圖12）。

2.3.2 密質骨力學性能壓痕實驗與分析（模塊2）

密質骨力學性能壓痕實驗與分析主要步驟為：

（1）選擇密質骨樣本及其待測方向（矢狀面、冠狀面、橫截面）（見圖13），按適用于該樣本模量的懸臂梁剛度推薦方案來選擇適用的探針懸臂梁剛度。

（2）選擇探針針尖類型，并基于壓頭的掃描電鏡圖像完成對其形狀參數(shù)的測量（見圖14）。

（3）在原子力顯微鏡上完成裝針后，開始對探針的偏轉靈敏度進行擬合標定（見圖15）。

（4）將樣本固定在AFM平臺上，在鏡頭下確定樣本上的壓痕測試區(qū)域（見圖16），進而完成進針操作，設置加載載荷、加載速率、卸載速率、保載時間等4種參數(shù)。

（5）開始壓痕測試實驗，在線對所得壓入深度-力曲線進行定量分析，得出樣本的彈性模量及硬度參數(shù)（見圖17）。

3 實施成效與展望

3.1 教學對象

（1）專業(yè)與年級要求。本實驗教學項目主要面向力學、機械、生物醫(yī)學工程、航天工程及相關專業(yè)的本科生和研究生，針對生物力學導論（32學時）、生物力學與工程（32學時）等課程的實驗環(huán)節(jié)。其他年級的學生也可通過自學實驗指導書和教學課件來擴展知識和掌握實驗技能。

（2）基本知識和能力要求。學生應具備理論力學、材料力學、現(xiàn)代測試技術等相關課程的基礎知識和理論分析能力，并了解人體肌骨系統(tǒng)解剖學等基本知識。

3.2 特色創(chuàng)新

（1）實驗內容創(chuàng)新。圍繞人體肌骨系統(tǒng)運動生物力學，構建了從人體整體運動到具體關鍵組織力學特性的綜合系統(tǒng)的實驗內容，培養(yǎng)學生從人體運動現(xiàn)象“提出問題”、應用力學理論“分析問題”、使用實驗技術“解答問題”的完整創(chuàng)新思維。

（2）教學方法創(chuàng)新。將傳統(tǒng)教學中借助書本介紹理論、實驗儀器簡單演示的方式轉變?yōu)榭梢暬母唠A人機交互式虛擬實驗教學，使學生不再只是觀摩先進實驗儀器，而是能夠進行動手操作、切實提升工程實踐能力，為今后從事專業(yè)設備研發(fā)和學術研究奠定基礎。

（3）評價體系創(chuàng)新。在評價體系中體現(xiàn)學生“認識-學習-應用-提升”的全過程效果，全方位地評價學生實驗學習情況和效果，最終成績中包括預習答題分（7分）、操作步驟分（68分）、數(shù)據(jù)分析分（15分）和實驗報告分（10分），形成完整的綜合實驗訓練環(huán)節(jié)。

3.3 實施效果

人體運動與肌骨系統(tǒng)生物力學虛擬仿真實驗教學項目建設完成后，已獲國家版權局計算機軟件著作權（登記號：2020SR1120028），并在我校虛擬仿真實驗教學平臺（vredu.bit.edu.cn）上進行布置，面向全校學生進行使用。2020年9月開始，該實驗項目在我校工程力學專業(yè)大三學生的專業(yè)選修課生物力學導論和理工類專業(yè)大一學生的公共選修課生物力學導論中進行應用，使用人數(shù)達到300余人次，出色完成了相關課程的實驗教學任務，教學效果良好。通過該虛擬仿真實驗教學項目，有效地激發(fā)了學生對生物力學交叉學科知識的學習興趣，提升了學生對相關理論知識和實驗技術的學習效率，學生普遍反映實驗內容豐富、實驗步驟交互操作性強、呈現(xiàn)形式新穎、具有非常好的體驗感。

3.4 未來展望

在現(xiàn)有虛擬仿真實驗教學項目建設基礎上，未來還需要在以下幾方面進行改進和拓展：

（1）完善實驗內容和功能。如在人體運動分析中添加關節(jié)力/力矩計算分析功能；實現(xiàn)與肌骨系統(tǒng)動力學分析開源軟件Opensim的數(shù)據(jù)交互和在線分析；引入可能出現(xiàn)的操作錯誤或實驗誤差，進一步提升實驗結果的真實性等。

（2）豐富實驗對象和數(shù)據(jù)類型。如結合科技冬奧國家重點研發(fā)計劃研究成果，在虛擬人動作中添加冬季項目動作數(shù)據(jù)；增加骨/軟骨組織的粘性行為和在疾病狀態(tài)下的力學性能數(shù)據(jù)，建立更為豐富的生物軟組織力學性能數(shù)據(jù)庫等。

（3）進一步提升虛擬仿真技術水平和交互方式。如添加實驗報告在線填寫功能；增加平臺的最大同時在線人數(shù)及最大并發(fā)數(shù)；實現(xiàn)與可穿戴設備的連接和動作實時在線；開發(fā)適于VR、移動端等多種方式的系統(tǒng)版本等。

（4）在高校及相關行業(yè)中進行推廣。將本實驗教學項目逐步推廣應用于理論力學、材料力學、彈性力學、生理解剖學、體育訓練學、康復工程等相關課程的課程實踐和擴展學習中，如人體運動分析可用于理論力學教學、生物材料的納米壓痕檢測可用于材料力學和彈性力學的教學等。此外，探索與體育、醫(yī)療、康復等相關行業(yè)機構的交流合作，拓展該項目在服務于創(chuàng)新人才培養(yǎng)、“健康中國”等國家戰(zhàn)略和產(chǎn)學合作協(xié)同育人等方面的積極作用。

4 結 語

虛擬仿真實驗教學手段可以有效地解決實際教學過程中高成本、高消耗、高風險、不可逆操作類教學實驗難以開展的問題，推進對學生綜合創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。本文采用3D仿真、虛擬動畫、人機交互、數(shù)據(jù)驅動等技術，設計并搭建了人體運動與肌骨系統(tǒng)生物力學虛擬仿真實驗教學平臺，包含了人體運動捕捉及肌骨系統(tǒng)分析、骨與軟骨力學性能壓痕實驗與分析、纖維軟組織力學性能拉伸實驗與分析3個實驗模塊，切實提升了學生對生物力學相關理論知識和先進實驗技能的理解與掌握，有助于解決力學、機械等理工類專業(yè)復合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)中缺乏先進實驗技術訓練和操作的難題。