DATENANALYSE OPENSIM MARTIN MÖSSNER

Datenanalyse
                        OpenSim

                        Martin Mössner

                      martin.moessner@uibk.ac.at
                             10. März 2021

Aktuelle Forschung in der Biomechanik

   VU 2 h mit 5 ECTS Punkten
   Arbeitsaufwand: 5 ECTS = 125 h … 8.3 h pro Woche, davon 1.5 h VL

   Inhalte:

         Muskelgetriebene Bewegungen
         Theoretische Grundlagen
         Einarbeitung und Benützung von OpenSim 4.0
         Steuerung von OpenSim mittels Matlab

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Aktuelle Forschung in der Biomechanik
Vorlesungsunterlagen:

https://sport1.uibk.ac.at/lehre/moessner/datenanalyse_opensim

Dokumentation:
https://opensim.stanford.edu/

Prüfung:
       Lösung eines Problems mittels OpenSim
       Besprechung dieser Lösung

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Muskelgetriebene Simulationen
 … in der modernen Biomechanik werden menschliche Bewegungen
 aller Art durch muskelgetriebene Simulationen studiert.

 Vorgangsweise:
   Bewegungsgleichungen, dazu notwendig:
         Segmentmodell des Menschen
         wirkende Kräfte
         Bewegung und Muskelkräfte simulieren
   Validierung der Lösung
   Variation der Lösung

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Segmentmodell von de Leva (1996)
Körper wird in Segmente zerlegt:
  Fuß, Unterschenkel, Oberschenkel,
  Hüfte, oberer Rumpf mit Kopf,
  Oberarm, Unterarm

Gelenke:
  1 – 6 Freiheitsgrade
Segmente:
  Masse (m)
  relative Schwerpunktslage ()
  Trägheitsmoment (I)

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Segmentmodell:
Anpassung an Probanden
Segmentdaten werden durch Körpergröße (L), und Masse (M) des
Probanden skaliert (de Leva 1996).

Beispiel: Unterschenkel (Frau/Mann)
 = 0.249 / 0.249,  = 0.048 / 0.043,  = 0.558 / 0.554,  = 0.267 / 0.249

LUS =  L, MUS =  M, zSPUS =  LUS,         IUS = ( M)·( LUS)2 (IUS bzgl. SP!)

Frau: L = 1.60 m, M = 52 kg
LUS = 0.398 m, MUS = 2.50 kg, zSPUS = 0.222 m, IUS = 0.028 kg m2

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Kräfte / Drehmomente

Gewichtskraft
Luftwiderstand
Bodenreaktionskraft
Reibung
Muskel/Sehnenkraft
Kontaktkräfte in Gelenken

Drehmomente in den Gelenken
ergeben sich aus Kräften,
die durch Hebelarm angreifen = ×

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Muskelgetriebene Simulationen:
Muskelmodell
Verformungswiderstand
Sehne, Bindegewebe

Kraft-Längenbeziehung
Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung

Aktivierung

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Muskelgetriebene Simulationen:
Parameter der Muskeln
Isometrische Maximalkraft
Optimale Muskelfaserlänge
Fiederungswinkel
Sehnenlänge
Zeiten für Aktivierung
und Deaktivierung des Muskels

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Muskelgetriebene Simulationen:
Messdaten
Messdaten:
 Kinematik mittels optischem System (z.B.: Vicon)
 Bodenreaktionskräfte (z.B.: Kistler Platte, Druckmesssohlen)
 Muskelaktivität (z.B.: EMG)

Verwendung:
  inverse Kinematik, inverse Dynamik,
  Validierung

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Muskelgetriebene Simulationen:
Ergebnisse

Kinematik (Position, Geschwindigkeit, Winkel, …)

Bewegungsanimation

externe Kräfte (Bodenreaktionskraft)

interne Kräfte (Muskelkräfte, Sehnenkräfte, Gelenksbelastung)

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Muskelgetriebene Simulationen:
Vorteile, Anwendungen
Information welche Muskel wie zu einer Bewegung beitragen
(z.B.: Beitrag des Gastrocnemius beim Laufen).

Vergleich von gesunder mit pathologischer Bewegung
(z.B.: Landung nach Niedersprung mit und ohne Kreuzband).

Parametervariation
(z.B.: Variation der isometrischen Muskelkraft,
Verschiedene Dämpfung von Schuhen).

Studium des Einflusses von Hilfsmitteln
(z.B.: Unterstützung des Gehens mittels Stock/Krücke,
Bewegung mit Prothesen)
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OpenSim: http://opensim.stanford.edu

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OpenSim: Musculoskeletal Simulation

       Beispiele:
        Laufen: Hamner et al. (2010,2013)
        Schulter: Chadwick et al. (2013)
        Nacken: Vasavada et al. (1998)
        Rumpf: Bruno et al. (2017a,b)
        …

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Simulation mit Muskel: Gehen, Laufen

Geschwindigkeit
0.54,0.75,1.15,1.56 m/s
2,3,4,5 m/s

Aktivierung der Muskeln
blau Muskel inaktiv
rot Muskel aktiv

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Simulation mit Muskel: Gehen, Laufen
        Gehen                                              Laufen
Geschwindigkeit
0.54,0.75,1.15,1.56 m/s
2,3,4,5 m/s

Aktivierung der Muskeln
blau keine Aktivierung
rot volle Aktivierung

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Benutzung von OpenSim
Start des Programmes im Computerraum
        Im Verzeichnis c:  OpenSim 4.1  bin
        Doppelklick auf : OpenSim64.exe

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OpenSim: Arbeitsschritte
Laden eines Modells (Männchen mit Muskeln)

Einstellen von Parametern (Masse, anthropometrische Daten,
Muskelkräfte,…). Entfällt bei uns  Standartwerte

Vorgabe der Bewegung und der äußeren Kräfte

Durchführen einer Berechnung (z.B. statische Optimierung)

Darstellung der Ergebnisse

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OpenSim: Mögliche Analysemethoden
  Skalieren eines Modells
  Inverse Kinematik
  Inverse Dynamik
  Statische Optimierung
  Reduce Residuals
  Computed Muscle Control
  Vorwärtsdynamik
  Kräfte in den Gelenken
  …

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OpenSim: Modelle
  Standardmodelle in OpenSim:

         arm26 (Oberarm, 2dof, 6 Muskeln)

         leg6dof9musc (Bein, 6dof, 9 Muskeln)
         leg39 (Bein, 6dof, 9 Muskeln)

         gait10dof18musc (Gangmodell, 10dof, 18 Muskeln)
         gait2354 (Gangmodell, 23 dof, 54 Muskeln)
         gait2392 (Gangmodell, 23 dof, 92 Muskeln)

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OpenSim: Modelle
  Weiterentwicklungen von gait2392:

  Rajagopal
          Beine: konsistente Muskeldaten für 80 Muskeln
          Arme: durch Momente getrieben

  Catelli, Lai
            Weiterentwicklung von Rajagopal
            Verbessertes Knie

           spezielle Versionen mit 3 Freiheitsgraden im Knie

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OpenSim: Erweiterungen
  Es gibt sehr viele Erweiterungen und Ergänzungen zu OpenSim

  z.B: Xu et al. (2015)
          Weiterentwicklung von gait2392
          Knie mit 6 Freiheitsgraden (3 Translation, 3 Rotation)
          10 Bänder im Knie (OpenSim 3.3)

  z.B.: Plugin zur Berechnung der Richtung der Muskelkräfte
  (OpenSim 3.3)

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OpenSim: Erste Schritte
Studieren sie Tutorial 1:

Tutorial1.pdf am Webserver oder
https://simtk-
confluence.stanford.edu:8443/display/OpenSim/Tutorial+1+-
+Intro+to+Musculoskeletal+Modeling

Wichtig: Führen sie die beschriebenen Schritte in OpenSim selber
aus. Als Modell verwenden sie „catelli.osim“ aus dem Ordner
01_kniebeuge.
Bevor sie fortfahren sollten Sie alle Punkte dieses Tutorial
beherrschen, denn die beschriebenen Techniken brauchen sie bei
jeder Berechnung mit OpenSim.

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OpenSim: Online Video
OpenSim Webinar: Jumping into OpenSim 4.0:
https://www.youtube.com/watch?v=UiPru9BEudU

Schauen sie sich obiges Video an. Es handelt sich um eine
umfassende Beschreibung von OpenSim Version 4.0.
Diese dauert 68 min. Sie sehen sich daher immer nur ca. 10 min auf
einmal an. In diesem Video werden viele Aspekte von OpenSim
angesprochen. Sie werden beim ersten Studium mit einigen Teilen
nichts anfangen können. Im laufe des Semesters sollten sie von
immer mehr Teilen verstehen, worum es geht und diese auch selber
ausführen können. Es macht aber bereits jetzt schon Sinn dieses
Video zu sehen, um kennen zu lernen wofür OpenSim eingesetzt wird.

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OpenSim: Vorbereitungen, Daten
Benötigte Daten:
  https://sport1.uibk.ac.at/lehre/moessner/datenanalyse_opensim

Datei 01_kniebeuge.zip herunterladen und entpacken.

Tipp: Daten in einem Verzeichnis auf dem eigenen USB-Stick oder im
Laufwerk I: entpacken. Dann kann man zu einem späteren Zeitpunkt
an einem anderen PC weiter arbeiten.

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OpenSim : Die Koordinaten von OpenSim
Wenn man mit den Schiebern im Coordinates Fenster spielt sieht
man schnell, wie die Koordinaten definiert sind:

Pelvis relativ zum globalen Koordinatensystem, Translation tx
(vorn), ty (oben), tz (rechts), Rotaion tilt (Querachse), list
(Tiefenachse), rotation (Längsachse)

Andere Segmente: Winkel relativ zum
Parent Segment (Oberschenkel -> Hüfte,
Unterschenkel -> Oberschenkel)
flexion (Querachse)
adduction (Tiefenachse)
rotation (Längsachse)
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OpenSim : Übung 1
Laden sie 01_kniebeuge.zip herunter und entpacken sie es auf ihrem
Computer. Starten sie OpenSim und öffnen das Modell catelli.osim

Stellen sie mit dem Coordinates Fenster die Koordinaten des
Männchens so ein, dass das Männchen in einem Hürdensitz sitze und
machen sie davon einen Screenshot.

                         Datenanalyse: OpenSim, SS 2021

                                                           a

OpenSim: Daten

catelli.osim           Körpermodell                       hi

body_*.mot             Bewegungsdaten
f_*.mot, f_*.xml       Kraftdaten
+ weitere Daten

                                                          no
a                hohe Kniebeuge
hi, no, vo       tiefe Kniebeuge
                 Schwerpunkt hinten, normal, vorne
(siehe Bilder rechts, von oben nach unten)
                                                          vo

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OpenSim: Modell öffnen
File  Open Modell: catelli.osim auswählen
Weitere mögliche Aktionen

File  Load Motion:
body_a.mot auswählen

kneesim  Bodies
kneesim  Forces  Muscles

Tools  Scale Model (Masse, anthropometrische Daten)
Tools  Static Optimization (Muskelkräfte berechnen)
Tools  Plot
                          Datenanalyse: OpenSim, SS 2021   29

OpenSim : Muskelkräfte berechnen
Static Optimization
Tools  Static Optimization
Load: cfg_SO.xml

Die Konfigurationsdatei ist ein Template.
Es müssen noch drei Dinge eingetragen
werden:

  Bewegungsdaten
  Präfix für Ausgabe
  Kraftdaten

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OpenSim : Muskelkräfte berechnen
Static Optimization
z.B. Simulation a mit 80 kg Hantel

body_a.xml
a_80kg
f_a_80kg.xml

                          Datenanalyse: OpenSim, SS 2021   31

OpenSim : Muskelkräfte berechnen
Static Optimization
Run (siehe Bild)
Close

Erzeugte Dateien:

a_80kg_Static_Optimization_activation.sto
a_80kg_Static_Optimization_controls.xml
a_80kg_Static_Optimization_force.sto
                          Datenanalyse: OpenSim, SS 2021   32

                                                                16

OpenSim:
Muskelkräfte darstellen
Animation betrachten: Schieberegler oben

Tools  Plot (z.B. Kraft der Vasti)

Y-Quantity  Load file
a_80kg_Static_Optimization_force.sto
model anklicken
group knee_ext_r
die 3 Vasti anklicken, sum only anklicken
ok
X-Quantity  time
Curve Name: a 80 kg
Add                       Datenanalyse: OpenSim, SS 2021         33

OpenSim:
Muskelkräfte darstellen
Es können sukzessive Linien zum Plot
hinzugefügt werden.
 Verschiedene Muskel
 Verschiedene Berechnungen
…

Drucken, Exportieren:
Rechte Maustaste und entsprechenden
Punkt wählen

                                Datenanalyse: OpenSim, SS 2021   34

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OpenSim : Übung 2
Führen Sie die statische Optimierung für die Stellungen
a, hi, no, vo sowie den Belastungen 0 kg, 20 und 80 kg durch.

Fertigen Sie für eine der Berechnungen einen Plot, welche die Kräfte
der einzelnen Knie- (3x m.vast., m.rect.fem.) und Hüftstrecker (3x
m.glut.max.) darstellt.

Fertigen Sie für eine der Stellungen einen Plot, welche die
Gesamtkraft der Knie- und Hüftstrecker bei 0, 20 und 80 kg vergleicht
und diskutieren Sie das Ergebnis.

Fertigen Sie einen Plot welche die Gesamtkraft des Quadrizeps bei
den verschiedenen Positionen der tiefen Hocke für die schwere Hantel
(80 kg) vergleicht und diskutieren Sie das Ergebnis.
                         Datenanalyse: OpenSim, SS 2021                35

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