基于OpenSim与AnyBody建模系统的脊柱负荷评估：动态举重任务中背部支撑外骨骼的生物力学效应对比

本研究针对背部支撑外骨骼（BSEs）对脊柱负荷的影响机制不明确的问题，通过OpenSim和AnyBody建模系统对比分析对称/非对称举重任务中L4/L5节段的轴向压缩力（FC ）和前后剪切力（FAP ）。结果显示两模型均预测BSEs可降低脊柱负荷，但OpenSim估计值更大且剪切力相关性弱，揭示了建模假设差异对结果的影响，为外骨骼优化设计提供理论依据。

　　

在职业健康领域，背部支撑外骨骼（BSEs）被广泛视为降低搬运作业中腰部损伤风险的有效工具，但其对脊柱生物力学负荷的实际影响仍存在争议。传统表面肌电（EMG）测量因外骨骼穿戴干扰难以实施，而主流肌肉骨骼建模工具OpenSim与AnyBody建模系统（AMS）的预测差异尚未系统评估。这一空白使得外骨骼设计优化缺乏可靠的理论支撑。

为解决这一问题，美国弗吉尼亚理工学院等机构的研究团队在《Journal of Biomechanics》发表研究，首次对比两种建模系统在动态举重任务中对脊柱负荷的预测差异。研究基于18名受试者（9男9女）的三类举重任务（对称/非对称）和三种BSEs干预数据，通过OpenSim 4.3与AMS 7.3分别计算L4/L5节段的峰值轴向压缩力（F_C
）和前后剪切力（F_AP
）。关键技术包括：1）基于惯性测量单元（IMU）的运动捕捉数据驱动模型；2）采用统一的人体参数化模型（身高1.75m/体重75kg）；3）95百分位数峰值力统计方法。

主要结果

1. 整体趋势对比：OpenSim估计的F_C
   在举重起始/终止阶段更高，而AMS在任务中期数值更大；F_AP
   则始终被OpenSim高估（图3-4）。
2. 峰值压缩力差异：对称任务中，OpenSim预测的F_C
   峰值比AMS高12-18%（p<0.01），非对称条件下差异扩大至20-25%。
3. 剪切力相关性：两模型对F_AP
   的预测呈弱相关（r<0.4），非对称任务中甚至出现负相关。
4. BSEs效果评估：两种BSEs均显著降低脊柱负荷，但OpenSim预测的降幅（F_C
   降低15-22%）大于AMS（8-12%）。

讨论与意义
该研究首次揭示肌肉骨骼建模工具的选择会显著影响脊柱负荷评估结果，这种差异源于：1）被动软组织力学表达的差异（OpenSim采用非线性弹簧而AMS使用粘弹性模型）；2）关节约束条件的设置（OpenSim允许更大范围椎间旋转）。尽管存在定量差异，两模型均支持BSEs能降低脊柱负荷的定性结论，这为外骨骼的工程优化提供了跨平台验证依据。未来研究需结合在体EMG数据验证模型准确性，并开发更精细的人-外骨骼交互力学模型。

这项工作的创新性在于明确了建模工具选择对生物力学评估的系统性影响，为职业健康领域的数字化仿真研究建立了方法学参照标准。研究结果可直接指导外骨骼产品的力学性能测试规范制定，对预防职业性腰椎疾病具有重要实践价值。