【产品研究】生物力学软件 SIMM 4.0 for Windows 用户手册总结

文档来源：【SIMM4.0UserGuide.pdf】

一、软件概述

1. 软件基本信息

• 名称：SIMM 4.0（Software for Interactive Musculoskeletal Modeling），适用于Windows系统。
• 发布时间：2004年6月，部件编号SPC-40001。
• 版权归属：1992-2004年MusculoGraphics, Inc.（Motion Analysis Corporation的子公司），保留所有权利。
• 技术支持：电话[phone]，邮箱[e-mail]。

2. 软件定位与功能

• 核心功能：创建和分析基于图形的肌肉骨骼系统模型，模型包含通过关节连接的骨骼、跨关节的肌肉-肌腱执行器和韧带，可计算肌肉和韧带产生的力及关节力矩。
• 关键能力：计算肌肉和韧带的力臂与长度，在给定肌肉激活状态下，能计算任意身体位置下各肌肉产生的力和关节力矩；支持通过计算机图形系统操作模型，快速探究肌肉骨骼几何形状和其他模型参数变化的影响。

二、应用场景

SIMM 4.0应用广泛，覆盖多个领域：

• 生物力学研究：构建人体肘部、腕部、下颌等解剖结构模型，模拟手术改变，研究其对肌肉功能的影响，还可分析和展示损伤机制。
• 神经科学研究：结合肌电图记录的肌肉激活模式，估算任务期间肌肉力和关节力矩，并与实验记录的力矩对比，研究中枢神经系统对运动的控制。
• 医学教育：供医学生和住院医师学习肌肉骨骼解剖结构和功能，直观理解肌肉结构与关节几何形状的相互作用。
• 运动康复与优化：运动学家可创建运动障碍者运动的三维动画，将行走等运动与正常运动定量对比，探究运动畸形原因；还能分析运动以优化运动表现。
• 人体工程学设计：人体因素工程师利用其研究姿势对肌肉力量的影响，设计产品或工作站时考虑关节活动范围限制。
• 生物与计算机科学：生物学家创建模型量化动物肢体功能，为运动机器设计提供思路；计算机科学家可借助其创建人体模型并结合生物力学数据验证，用于虚拟环境。
• 动画制作：动画师可开发逼真的人体和动物运动表现，添加场景对象丰富动画背景。

三、设计目标

SIMM 4.0在设计和开发时设定了四大目标：

1. 通用性：能对多种肌肉骨骼结构进行建模，满足不同研究和应用场景需求。
2. 真实性与精确性：提供肌肉和肌腱的真实模型，支持精确指定关节运动学特性，确保模型的生物力学合理性。
3. 交互性与高效性：提供基于图形的交互式环境，方便用户高效地可视化、修改、分析和测试模型。
4. 可扩展性：便于添加新功能，如更复杂的肌肉-肌腱模型，以适应不断发展的研究需求。

四、软件环境与工具

1. 模型构建与文件加载

• 模型构成：由骨骼文件（.asc等格式）、关节文件（.jnt）、肌肉文件（.msl）定义，运动文件（.mot）可用于模型动画， plot文件（.plt）用于数据绘图分析。
• 文件加载：通过Windows文件浏览器加载各类文件，默认显示SIMM相关格式文件，可通过“Files of type”筛选特定类型文件；支持同时选择多个文件加载，加载规则根据文件类型（关节、肌肉、骨骼、运动、plot文件）有所不同。

2. 核心工具功能

SIMM 4.0包含13个核心工具，各工具功能如下：

工具名称	核心功能
Model Viewer	调整肌肉骨骼模型视图，可旋转、缩放、平移模型，选择显示肌肉，控制阴影显示和模型动画播放，还能通过快捷键快速操作模型视图
Plot Maker	绘制肌肉-肌腱执行器的各类计算属性（如肌肉力、力矩、力臂、长度等），支持基于模型生成数据曲线，也可读取运动文件和plot文件中的数据进行绘图
Muscle Editor	访问和修改肌肉的所有参数，可调整肌肉路径（选择和移动附着点），修改肌肉-肌腱参数，但无法编辑肌肉和肌腱的力-长度曲线
Joint Editor	图形化操作关节运动学特性，选择关节后可查看和修改其6个自由度（3个旋转、3个平移），支持添加、删除和移动样条曲线控制点以修改运动学函数
Gencoord Editor	查看和编辑广义坐标属性（范围、默认值等），创建和修改广义坐标的约束函数，用于逆运动学求解器和动力学管道
Segment Editor	编辑身体段属性，包括显示参数（绘制模式、材质）和动力学相关参数（质量属性、力垫定义、碰撞检测参数等）
Bone Editor	对骨骼进行变换（平移、旋转、缩放）和顶点编辑，支持骨骼间的布尔运算（加、减、交），可预处理骨骼文件
Constraint Editor	创建和编辑模型约束，将一个身体段上的点约束在另一个段的几何基元表面，用于构建复杂关节运动学
Wrap Editor	创建和编辑肌肉包裹基元（包裹对象），实现肌肉自动包裹，无需显式指定中间肌肉点，支持多种包裹对象形状（球体、圆柱体、椭球体、圆环体）
Deform Editor	对身体段的部分区域进行扭曲、弯曲和变形操作，模拟骨骼畸形，变形时会相应变换骨骼顶点、关节中心、肌肉附着点等
Motion Editor	修改与模型关联的运动，可重命名、删除、裁剪运动，添加运动事件，编辑后的运动仅影响新创建的绘图
Marker Editor	编辑肌肉骨骼模型中的标记点，用于运动模块将运动捕捉数据映射到模型，可创建、删除、保存和恢复标记点，修改标记点参数
Plot Viewer	调整绘图视图，支持放大绘图特定区域，显示绘图窗口中任意点的坐标，部分命令可直接在绘图窗口执行
Dynamics Tool（可选模块）	为动力学管道模块创建的动力学仿真提供图形界面，加载仿真DLL，设置仿真参数（输入运动、输出变量等），运行和控制仿真过程

五、输入文件

1. 骨骼文件（Bone Files）

• 功能：存储定义骨骼表面的多边形列表，每个骨骼文件可包含多个独立骨骼表面描述，所有骨骼在一个文件中会作为一个整体运动。
• 格式：支持三种格式，分别是推荐的ASCII格式（包含顶点数、多边形数、边界框、顶点列表、多边形列表及顶点法向量）、旧版ASCII格式（包含顶点数、多边形数、顶点列表、多边形列表）、二进制格式（早期SIMM版本要求，建议转换为ASCII格式）。
• 预处理：需使用norm工具预处理，计算顶点法向量、检查顶点和多边形列表一致性，可选平移、旋转骨骼和填充表面孔洞等操作。

2. 关节文件（Joint Files）

• 功能：定义身体段、关节、广义坐标和运动学函数，还可包含世界对象、肌肉包裹对象、变形对象、约束对象和材质等可选组件。
• 关键内容：
  • 模型参数：包括模型名称、肌肉和运动文件关联、逆运动学求解器状态、颜色设置、长度和力单位、窗口位置和大小、重力方向、求解器精度和迭代次数、循环公差、标记点属性等。
  • 身体段：包含名称、骨骼文件、材质属性、绘制模式、阴影、参考系显示等，可将身体段分组便于管理和显示。
  • 固定段：默认第一个在关节文件中引用的身体段为固定段，若定义“ground”段则自动设为固定段，可通过Model Viewer的“look at”命令交互更改。
  • 关节：指定连接两个身体段的变换（平移和旋转），每个自由度（平移或旋转）可为常数或广义坐标的函数，支持显示关节旋转轴。
  • 广义坐标：定义模型的自由度，包括运动范围、默认值、控制键、是否循环、是否夹紧和锁定、约束函数等，可将广义坐标分组。
  • 运动学函数：通过自然三次样条插值定义平移和旋转与广义坐标的关系，需确保函数定义范围覆盖广义坐标的运动范围。
  • 约束函数：用于动力学仿真中控制广义坐标，防止超出运动范围，也用于逆运动学求解器，定义误差值约束广义坐标。
  • 其他组件：世界对象（固定在世界坐标系的多边形表面）、材质（定义对象颜色和表面反射率）、相机（定义相机相对于模型的位置和姿态）、包裹对象（自动偏转肌肉的几何基元）、变形对象（扭曲身体段）、畸形滑块（协调多个变形对象）、运动对象（动画中添加的形状）、约束对象（约束点到几何基元表面）。

3. 肌肉文件（Muscle Files）

• 功能：描述肌肉-肌腱执行器，包括几何形状和力生成特性，每个模型需一个肌肉文件定义所有肌肉-肌腱执行器。
• 关键内容：
  • 肌肉定义：由一系列附着点定义肌肉路径，每个点固定在一个身体段，坐标以该段参考系表示，至少需两个点；可指定中间“via”点约束肌肉路径，也可关联包裹对象实现自动包裹；需指定肌肉的力生成参数（峰值等长肌力、最优肌纤维长度、羽状角、肌腱松弛长度）和力-长度、力-速度曲线，支持继承默认肌肉的参数和曲线。
  • 肌肉表面：作为显示基元，无生物力学特性，为空心壳表示肌肉表面，由一组线定义，各线按肌肉附着点方式定义，最后一线与第一线相同以形成完整圆柱。
  • 韧带：视为纤维长度为零的肌肉，仅包含肌腱，无主动力特性，通过指定最优肌纤维长度为0，使用肌腱力-长度曲线计算力，可跨多个身体段并包裹对象。

4. 运动文件（Motion Files）

• 功能：包含描述模型运动的关节角度列表，加载后可关联模型，将运动变量视为广义坐标，用于模型动画和绘图的独立变量，还可指定肌肉激活水平和运动对象动画数据。
• 关键内容：
  • 文件头：包含运动名称、数据列数、数据行数、运动范围、控制键、是否循环、光标和事件设置、是否强制循环和约束、导数计算时间间隔等。
  • 数据内容：列数据可对应广义坐标（含速度）、肌肉（含激活水平）、运动对象组件或其他数据，其他数据不直接对应模型组件，可用于绘图比较。

5. Plot文件（Plot Files）

• 功能：包含绘图曲线的坐标集，可加载到SIMM并添加到绘图中，用于比较外部来源数据与模型计算数据，SIMM可读写该格式文件。
• 格式：支持注释（#开头），可指定绘图标题，曲线可单独或表格形式指定，需确保X和Y变量名与其他曲线匹配以进行比较。

六、Norm工具

1. 功能

• 预处理骨骼和世界对象文件，计算多面体表面法向量，还可移除重复顶点、使多边形凸化、平移或旋转多面体等。
• 支持处理包含多个对象的文件，分离单个多面体并计算法向量，可处理非闭合表面，但可能难以计算法向量。

2. 使用方式

• 在DOS窗口运行，输入“norm”后加文件名和选项，可指定输入输出文件，支持批量处理文件（-files选项），默认输出新ASCII格式骨骼文件。
• 主要选项包括自动覆盖文件（-overwrite）、指定输出目录（-outdir）、设置顶点公差（-tol）、填充多面体孔洞（-fill）、细分长边（-es）、使多边形凸化（-con）、三角化多边形（-tri）、指定多边形顺序（-ccw/-cw）、指定参考法向量（-rn）、输出旧ASCII或二进制格式（-oldascii/-binary）、几何变换（平移-tx/ty/tz、旋转-rx/ry/rz、缩放-sx/sy/sz）等。

七、Motion Module（可选模块）

1. 功能

• 导入运动捕捉系统记录的数据，支持TRC、TRB、C3D格式的跟踪标记数据文件和ANB、ANC格式的模拟数据文件，实时版本可连接Motion Analysis系统实时接收和显示数据。
• 将跟踪标记数据拟合到模型，调整模型广义坐标值找到“最佳拟合”，生成匹配跟踪数据的SIMM运动；可基于静态姿态的跟踪标记数据缩放通用全身模型（mocap模型）以适应受试者。

2. 关键操作

• 加载跟踪标记文件：需先加载含相同标记集的模型，通过文件浏览器选择文件，设置导入选项（帧范围、求解算法、是否裁剪首尾帧、是否计算导数、是否显示标记、X轴单位、是否自动加载模拟数据、力板校准、是否移除旧力板、标记名读取位置、是否保存HTR和运动文件）。
• 模拟数据处理：识别地面反作用力、EMG激活水平和其他数据，分别通过forcepla.cal和importVariables.txt文件校准和映射数据，EMG数据需整流、平滑和缩放。
• 实时导入：需在EVaRT和SIMM间配置，EVaRT使用mocap模型求解标记数据并发送广义坐标值到SIMM，SIMM接收后实时动画模型并更新绘图。
• Mocap模型使用：选择静态姿态文件，设置导入选项（平均帧范围、是否加载personal.dat、标记名读取位置、是否保存关节和肌肉文件），基于静态姿态计算关节中心位置和段长度，缩放模型以匹配受试者，模型包含多个身体段、关节、自由度和肌肉，支持多种标记集。

八、附录要点

1. 附录A（Tips and Caveats）

• 使用技巧：建议将肌肉分组（超过15个肌肉时）、使用身体段和广义坐标分组管理大型模型、保持肌肉名简短、掌握多种删除操作（绘图曲线、模型）、根据性能调整身体段绘制模式、合理设置阴影位置、注意线框模式颜色、解决窗口输入焦点问题、使用键盘确认弹出窗口。
• 注意事项与限制：难以确定工具当前操作的模型或绘图、编辑函数时需避免创建不良函数、选择菜单选项后无法中止操作、无法交互更改部分组件名称、无法交互编辑广义坐标包裹点范围。

2. 附录B（SIMM Resources）

• 资源目录：安装时创建Resources目录，不可移动或重命名，包含偏好设置、颜色、密码、系统信息、骨骼等文件。
• 关键文件：
  • preferences：启动时读取，可设置工具是否自动切换到新模型、Plot Maker是否根据当前绘图更改变量、肌肉绘制方式、快照文件名、是否显示动画频率和多边形绘制速度等，修改后需重启SIMM生效。
  • simmcolors：定义SIMM颜色，可编辑修改，需重启SIMM生效，模型特定颜色在关节文件中指定。
  • Password.txt：首次运行SIMM输入密码后自动创建，存储密码避免重复输入。
  • SystemInfo.txt：每次运行SIMM创建，包含计算机信息，用于技术支持。
  • 骨骼文件：Resources/bones目录包含演示模型的骨骼文件，可复制到其他模型目录使用。

九、索引

提供详细的索引，按字母顺序列出各功能、工具、参数等的位置，方便快速查找相关内容，如act override（toggle button）、activation, muscle、analog data files、bones、cameras、colors、Constraint Editor、deform objects、dynamics、ellipsoid wrapping methods等。