骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動を数値的にシミュレートする方法およびシステム
【課題】骨に沿ったおよび関節のまわりの筋肉運動を数値的にシミュレートするシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】複数のトラス要素を１つ以上のローラとともに有するコンピュータ化モデルを用いる。トラス要素は、筋肉繊維をモデル化するよう構成されており、一方、各ローラは関節に対して構成されている。各トラス要素は２つの端部ノードを有するとともに、筋肉の生体力学特性モデルによってまたは関連して構成される。各ローラは、対応する関節の位置に固定される。関節のまわりの筋肉繊維運動をシミュレートするために、ローラを跨ぐ各ペアのトラス要素が、時間進行シミュレーション（例えば自動車と一人以上の乗員の衝突イベントのコンピュータシミュレーション）において動的に調整される。調整は、時間進行シミュレーションの各ソリューションサイクルにおいて行われる。調整には、「滑り」および「交換」の２つのタイプの調整がある。
【解決手段】複数のトラス要素を１つ以上のローラとともに有するコンピュータ化モデルを用いる。トラス要素は、筋肉繊維をモデル化するよう構成されており、一方、各ローラは関節に対して構成されている。各トラス要素は２つの端部ノードを有するとともに、筋肉の生体力学特性モデルによってまたは関連して構成される。各ローラは、対応する関節の位置に固定される。関節のまわりの筋肉繊維運動をシミュレートするために、ローラを跨ぐ各ペアのトラス要素が、時間進行シミュレーション（例えば自動車と一人以上の乗員の衝突イベントのコンピュータシミュレーション）において動的に調整される。調整は、時間進行シミュレーションの各ソリューションサイクルにおいて行われる。調整には、「滑り」および「交換」の２つのタイプの調整がある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してコンピュータ支援エンジニアリング解析の分野において用いられる方法、システムおよびソフトウェア製品に関し、特に関節のまわりの筋肉繊維の運動の数値的シミュレーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
連続体力学は、固体および流体（つまり液体および気体）など連続的な物体のシミュレートに用いられている。微分方程式が、連続体力学の問題を解くときに用いられる。多くの数値的プロシージャが用いられている。最もポピュラーな方法のうちの１つは、有限要素解析法（ＦＥＡ）である。有限要素解析法（ＦＥＡ）は、三次元の非線形的構造設計および解析など複雑な系に関係する工学問題をモデル化して解くために産業において広く用いられる、コンピュータで処理される方法である。ＦＥＡの名前は、想定されている対象の幾何学的配置（ジオメトリ）を特定する方法に由来する。現代のデジタルコンピュータの登場により、ＦＥＡは、ＦＥＡのソフトウェアとして実装されている。基本的に、ＦＥＡのソフトウェアには、幾何学的な記述のモデルと、モデル内の各ポイントでの関連する材質特性と、が提供されている。このモデルにおいて、解析される系の幾何学的配置は、有限要素（エレメント）と呼ばれる種々のサイズのソリッド（中実物）と、シェル（外殻物）と、ビーム（梁状物）と、によって表現される。有限要素の頂点（バーテックス）は、ノードと呼ばれる。モデルは、材料特性と関連づけられた材料名が割り当てられている有限数の有限要素で構成される。モデルは、このように、解析される対象によって占められた物理的空間を、そのすぐ隣接した周囲の状況とともに表現する。そして、ＦＥＡのソフトウェアは、各材料タイプの特性（例えば応力−歪み構造方程式、ヤング率、ポアソン比、熱伝導率）が作表されたテーブルを参照する。さらに、対象の境界での条件（つまり荷重、物理的な制約など）が指定される。このように、対象のモデルとその環境が、生成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
最も興味深いＦＥＡのタスクの１つは、車の衝突などの衝突イベントをシミュレートすることである。現代のコンピュータの進歩によって、車の衝突において、車両の挙動だけでなく乗員の運動や反応もシミュレートされるようになっている。乗員（つまり人間）を適切にシミュレートするためには、人体（例えば筋肉）の生体力学特性に応じた運動を、ＣＡＥ（例えば有限要素解析）における適切なモデルとする必要がある。今日の時点では、満足のいく実用的な解決策はない。従来技術のアプローチでは、従来の有限要素法のために、例えばシミュレーションの全体にわたってその当初長さが変わらないトラス要素のため、スムーズさに欠けるぎくしゃくした運動となる。したがって、骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動数値的にシミュレートする方法およびシステムの提供が望まれよう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動を数値的にシミュレートするシステムおよび方法を提供する。本発明の一の例示的な態様では、複数のトラス要素を１つ以上のローラとともに有するコンピュータ化モデルを用いる。トラス要素は、筋肉繊維をモデル化するよう構成されており、一方、それぞれのローラは関節に対して構成されている。それぞれのトラス要素は２つの端部ノードを有するとともに、筋肉の生体力学特性モデル（例えば非線形ヒルタイプ（nonlinear Hill-type））によってまたは関連して構成される。それぞれのローラは、対応する関節の位置に固定される。
【０００５】
関節のまわりの筋肉繊維の運動のシミュレートするために、ローラをまたぐそれぞれのペアのトラス要素が、時間進行シミュレーション（例えば自動車と一人以上の乗員の衝突イベントのコンピュータシミュレーション）において動的に（ダイナミックに）調整される。調整は、時間進行シミュレーションのそれぞれのソリューションサイクルにおいて行われる。調整には、「滑り（スリップ）」および「交換（スワッピング）」の２つのタイプの調整がある。
【０００６】
用語「滑り」は、トラス要素ペアの局所的な再定義をいう。滑りは、生体力学特性（例えばトラス要素の伸張していない長さの態様の特性）を１ペアの一方の要素から他方の要素に移すことによって、達成される。言いかえれば、１ペアのトラス要素のそれぞれの伸張していない長さが、１ペアの伸張していない長さの合計が変わらないよう、再定義される。
【０００７】
用語「交換」は、複数のトラス要素の局所的な再メッシュ化をいう。交換は、１ペアの一方をローラの反対側に移動させることによって、達成される。言いかえれば、筋肉繊維をモデル化するトラス要素は、ローラの一方の側において１つの要素を削除し、他方の側において他の要素を追加することにより、再メッシュ化される。その結果、交換調整後には、異なる別の１組のトラス要素がそのローラにまたがることになる。
【０００８】
本発明の目的、特徴および利点は、添付した図面を参照し、以下の本発明の実施の形態の詳細な説明を考察することによって明らかとなろう。
【０００９】
添付図面を以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一の実施形態にかかる骨に沿った筋肉の動きおよび関節のまわりの筋肉の動き数値的にシミュレートする例示的なプロセスを示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態にかかる、筋肉繊維および関節の例示的なコンピュータ化モデルを示す図である。
【図３】本発明の一の実施形態にかかる、例示的な筋肉の生体力学特性モデルを示す図である。
【図４】本発明の一の実施形態にかかる、筋肉の生体力学特性モデルと関連する、応力とトラス要素の規格化された長さとの例示的な関係を示す図である。
【図５】本発明の一の実施形態にかかる、コンピュータ化モデルを調整するためのローラのまわりの２つの軸方向の力／応力の関係を示す図である。
【図６Ａ】本発明の一の実施形態にかかる、例示的な「滑り」および「交換」調整を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の一の実施形態にかかる、例示的な「滑り」および「交換」調整を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の一の実施形態にかかる、例示的な「滑り」および「交換」調整を示す図である。
【図７】本発明の実施形態を実現可能である例示的なコンピュータシステムの主要な部品を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
まず図１を参照して、本発明の実施形態にかかる骨に沿った筋肉の動きおよび関節のまわりの筋肉の動き数値的にシミュレートする例示的なプロセス１００を示す。プロセス１００は、好ましくはソフトウェアで実行される。プロセス１００は、他の図面により理解されよう。
【００１２】
プロセス１００は、ステップ１０２において、筋肉の運動を数値的にシミュレートするコンピュータ化モデル（例えば有限要素解析（ＦＥＡ）モデル）を定義することによって、スタートする。図２に、人間の腕の筋肉繊維および関節の例示的なコンピュータ化モデル２１０を示す。コンピュータ化モデル２１０は、他にもある中で、筋肉繊維を表す複数のトラス要素２１２と、関節を表す少なくとも１つのローラ２１４と、を有する。コンピュータ化モデル２１０は、コンピュータシステム（例えば図７に示すコンピュータシステム７００）において受信される。それぞれのトラス要素２１２は、その要素の長さを定義する２つの端部ノードを有する。三次元空間において、それぞれのノードは３つの並進自由度を有する。
【００１３】
それぞれのトラス要素は、筋肉の生体力学特性モデルに、例えば図３に示す非線形ヒル(Hill)タイプの筋肉の生体力学特性モデル３００に関連している。非線形のヒルタイプの筋肉モデル３００は、並列に配置された収縮性要素（ＣＥ）３０１、ダンパ（振動減衰）要素（ＤＥ）３０２、および受動要素（ＰＥ）３０３を有する生体力学特性をエミュレートする（模している）。
【００１４】
このような生体力学特性モデルで構成されたトラス要素は、数値的シミュレーションの際に条件に応じてその断面積に応じた軸方向の力（つまり張力すなわち引張力）を担う。トラス要素の引張応力σ３０４を２つの端部に示す。引張応力３０４は、周知の方法で、例えば引張力をトラス要素の断面積で除して演算される。
【００１５】
収縮性要素３０１は、筋肉による力の発生を表し、最大応力σmax、時間依存活動レベル関数α(t)、歪み依存スケーリング関数f(ε)および歪み速度依存スケーリング関数
を備える。筋肉による力の発生は、
で表される。
【００１６】
受動要素３０３は、筋弾性からのエネルギ蓄積を表し、最大応力σmaxおよび歪み依存非線形弾性関数
を備える。筋弾性からのエネルギ蓄積は、
で表される。
【００１７】
ダンパ要素３０２は、筋肉粘性を表し、歪み、歪速度および減衰定数に依存する。筋肉粘性は、
で表される。
【００１８】
結果として生じる軸方向応力（つまり引張応力）３０４はすべての成分の合計であり、
で表される。
【００１９】
図４に、例示的な非線形ヒルタイプ生体力学特性モデルを例示するグラフ４００を示す。グラフ４００は、縦軸が軸方向応力を示し、横軸がトラス要素の規格化された長さを示すＸ−Ｙプロットである。４つの曲線４０２および４０２ａ〜ｃが示されている。曲線４０２は、合計の軸方向応力σを表す。また、曲線４０２ａはσCEを表わしている。曲線４０２ｂはσPEを表す。また、曲線４０３ｃはσDEを表す。トラス要素の規格化された長さは、伸張していない長さ(lo)に対する現在の長さ(l)の比として演算される無次元の量である。伸張していない長さは、時間進行シミュレーションの初期(つまり時間=0)におけるトラス要素の長さである。また、現在の長さは、特定のソリューションサイクルにおける(つまり時間=t)の長さである。言いかえれば、規格化された長さは、シミュレーションの初期においては、１である。ちなみに、歪みεは、(l - lo)/loすなわち(l/lo) - 1として計算される。
【００２０】
それぞれのローラ２１４は、１つのノードによって関節の位置に固定される。ノード（図２に白丸として示す）は、ローラにまたがる１ペアのトラス要素によって共有される。ローラ５００（例えばローラ２１４）は、図５に示す接触角５０２を用いて構成される。接触角５０２は、ローラ５００にまたがる１ペアのトラス要素５０４ａおよび５０４ｂのそれぞれの方向（向き）によって決定される。言いかえれば、接触角５０２は、１ペアのトラス要素の軸方向によって形成される取り巻き角度である。
【００２１】
張力T1の５１４ａおよびT2の５１４ｂは、トラス要素５０４ａおよび５０４ｂの対応する軸方向力である。筋肉運動を数値的にシミュレートするために用いられるローラ５００は、キャプスタン(Capstan)方程式と呼ばれる方程式に従う。
T2 = T1eμθ
ここで、T2の５１４ｂは高い張力であり、T1の５１４ａは低い張力であり、θは接触角であり、μは摩擦係数である。
【００２２】
次にステップ１０４において、プロセス１００は、筋肉運動のシミュレートのために構成されたアプリケーションモジュール（例えば筋肉運動シミュレーションのために構成された要素を有する有限要素解析（ＦＥＡ））によりコンピュータ化モデルを用いて、時間進行シミュレーションを行う。時間進行シミュレーションは、時間の経過を表す一連の連続ソリューションサイクルすなわち時間ステップを有する。種々の周知の技術を、ＦＥＡに用いることができる（例えば明示的ソリューション、暗黙的ソリューション等）。通常、それぞれのソリューションサイクルにおいて、１セットのノードの加速、速度および変位が得られる。これらの量の時間的履歴が、数値的シミュレーション結果となる。
【００２３】
筋肉および関節がコンピュータ化モデルにおいて定義されると、まずステップ１０６において筋肉運動の結果がそれぞれのソリューションサイクルにおいて得られる。例えば、トラス要素の軸方向応力および歪み（つまり伸張）が、それぞれのソリューションサイクルにおいて計算される。
【００２４】
シミュレートされた骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動は、トラス要素の現実に即した調整をさらに含んでいる。調整は、ステップ１０８において、それぞれの関節において（つまりコンピュータ化モデルにおけるそれぞれのローラにおいて）「滑り」および「交換」の態様で行われる。
【００２５】
ローラにまたがるそれぞれのペアのトラス要素については、キャプスタン方程式を満たす必要がある。計算された１ペアのトラス要素の軸方向の力がキャプスタン方程式を満たさない場合、「滑り」の態様の調整が行われる。「滑り」調整では、１ペアのトラス要素の伸張していない長さを再定義する。特に、一方の要素の伸張していない長さが減算されるとともに、キャプスタン方程式が満たされるまで、その同じ量がその１ペアの他方に加算される。減算される長さが加算される長さと等しいので、１ペアの合計の伸張していない長さは一定に保たれる。さらに、「滑り」調整は、調整されたコンピュータ化モデルを用いるトラス要素の軸方向応力および歪みの再計算を必要とする非線形反復法（例えばブレント(Brent)の方法）によって、行われる。
【００２６】
１ペアのトラス要素の一方が１回以上の「滑り」調整の後にあまりにも短くなった場合、その「あまりにも短い」要素をその現在の位置から取り除き、そのローラの反対側にそれを追加する、「交換」調整が行われる。さらに、ローラに関連するノードが変更される（図６Ｃおよび以下の対応記載を参照）。「交換」調整は、コンピュータ化モデルの局所的再メッシュ化（つまり、トラス要素の接続の再メッシュ化）ともいう。要素があまりにも短いか否か判断するには、周知の方法、例えば所定の閾値（例えば最小長）を用いることができる。最後に、移動されたばかりの要素が激しく行ったり戻ったりするのを防止するために、「交換」調整において再メッシュ化されたそれぞれの要素には、最小の長さに加えて緩衝量（クッション）を与える。例えば、１０％のクッションは、新たに再メッシュ化された要素（つまり、ローラの一方の側から反対側へ移動されたばかりの要素）に、閾値として最小長の１．１倍の長さを与えることを意味する。
【００２７】
本発明の実施形態にかかる例示的な一連の「滑り」および「交換」調整を、図６Ａ乃至図６Ｃは示す。例示を簡単にするために、３つのトラス要素（「ｅ１」６１１、「ｅ２」６１２および「ｅ３」６１３）と、１つのローラ（ノード６０２において斜線領域に初期に固定された白丸で示す）と、だけを例示的なシーケンスにおいて用いる。トラス要素「ｅ１」６１１は、２つの端部ノード「ｎ１」６０１および「ｎ２」６０２を有する。要素「ｅ２」６１２は、ノード「ｎ２」６０２および「ｎ３」６０３によって定義される。また、要素「ｅ３」６１３は、ノード「ｎ３」６０３および「ｎ４」６０４によって定義される。
【００２８】
例示的なシーケンスの第１の配置構成を、図６Ａに示す。要素「ｅ１」６１１および「ｅ２」６１２は、共通の共有ノード「ｎ２」６０２においてローラにまたがっている。要素の軸方向応力および歪みが計算された後の次の時間における第２の構成を、図６Ｂに示す。キャプスタン方程式を、ノード６０２におけるローラにおいて確認する。「滑り」調整が行われ、要素「ｅ１」６１１および「ｅ２」６１２のそれぞれの伸張していない長さが再定義される。この例示的なシーケンスにおいて、要素「ｅ１」６１１の伸張していない長さは、要素「ｅ２」６１２において減算された量（短くなった量）と同じ量だけ加算される（長くなる）。
【００２９】
要素「ｅ２」６１２が閾値(つまり最小長lmin)と比して短すぎる場合、図６Ｃに第３構成として示すように、「交換」調整が行われて要素、「ｅ２」６１２がローラの一方の側から反対側に移動される。その結果、「交換」調整後、ローラは異なるノード６０３に関連する。
【００３０】
骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動の時間的履歴は、時間進行シミュレーションにおける時間の進行を表すそれぞれのソリューションサイクルにおける結果を互いにつなげることにより得られる。
【００３１】
一の実施形態では、本発明は、以下のアルゴリズムを有するソフトウェアにおいて実行される。
１） それぞれのトラス要素に対する標準的な力を計算する
・伸張されていない長さloを取得する
・現在の長さlおよび歪速度
を計算する
・lo、lおよび
の関数として軸方向応力を計算する
・軸方向の力T = Aσを計算する
2) ローラにまたがるそれぞれのペアのトラス要素の力および長さの補正する(つまり「滑り」調整する)
・計算した軸方向の力を試行値として使用する
・キャプスタン方程式を確認する
・キャプスタン方程式に適う場合は、試行値を張力として使用する
・そうでなければ、反復法を用いて非線形の関数の根（ルート）
を求める
・１ペアのトラス要素のそれぞれの伸張していない長さを更新する
・根から計算された張力を使用する
3) 「あまりにも短い」要素をローラの一方の側から反対側へ移動させる「交換」調整を行う
・１ペアの一方が閾値(つまり最小長lmin)に対して「あまりにも短く」なった場合、トラス要素を再メッシュ化する
・トラス要素の接続を変更する
・ローラに関連するノードを変更する
・移動されたばかりの要素がlminより確実に長くなるよう、移動されたばかりの要素に対して新しいノードを生成する
・移動されたばかりの要素の要素特性を変更する
本発明の実施形態は、ここに説明した機能を実行可能な１つ以上のコンピュータシステムに対してなされたものである。コンピュータシステム７００の一例を、図７に示す。コンピュータシステム７００は、プロセッサ７０４など１つ以上のプロセッサを有する。プロセッサ７０４は、コンピュータシステム内部通信バス７０２に接続されている。種々のソフトウェアの実施形態を、この例示的なコンピュータシステムの点から説明する。この説明を読むと、いかにして、他のコンピュータシステムおよび／またはコンピュータアーキテクチャーを用いて、本発明を実行するかが、関連する技術分野に習熟している者には明らかになるであろう。
【００３２】
コンピュータシステム７００は、また、メインメモリ７０８好ましくはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））を有しており、そして二次メモリ７１０を有することもできる。二次メモリ７１０は、例えば、１つ以上のハードディスクドライブ７１２、および／またはフレキシブルディスクドライブ、磁気テープドライブ、光ディスクドライブなどを表わす１つ以上のリムーバブルストレージドライブ７１４を有することができる。リムーバブルストレージドライブ７１４は、よく知られている方法で、リムーバブルストレージユニット７１８を読み取りおよび／またはリムーバブルストレージユニット７１８に書き込む。リムーバブルストレージユニット７１８は、リムーバブルストレージドライブ７１４によって読み取り・書き込みされるフレキシブルディスク、磁気テープ、光ディスクなどを表わす。以下にわかるように、リムーバブルストレージユニット７１８は、コンピュータソフトウェアおよび／またはデータを内部に記憶しているコンピュータで使用可能な記憶媒体を有している。
【００３３】
代替的な実施形態において、二次メモリ７１０は、コンピュータプログラムあるいは他の命令をコンピュータシステム７００にロードすることを可能にする他の同様な手段を有することもできる。そのような手段は、例えば、リムーバブルストレージユニット７２２とインタフェース７２０とを有することができる。そのようなものの例には、プログラムカートリッジおよびカートリッジのインタフェース（ビデオゲーム機に見られるようなものなど）と、リムーバブルメモリチップ（消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）フラッシュメモリ、あるいはＰＲＯＭなど）および関連するソケットと、ソフトウェアおよびデータをリムーバブルストレージユニット７２２からコンピュータシステム７００に転送することを可能にする他のリムーバブルストレージユニット７２０およびインタフェース７２２と、が含まれうる。一般に、コンピュータシステム７００は、プロセススケジューリング、メモリ管理、ネットワーキングおよびＩ／Ｏサービスなどのタスクを行なうオペレーティングシステム（ＯＳ）ソフトウェアによって、制御され連係される。
【００３４】
通信用インタフェース７２４も、また、バス７０２に接続することができる。通信用インタフェース７２４は、ソフトウェアおよびデータをコンピュータシステム７００と外部装置との間で転送することを可能にする。通信用インタフェース７２４の例には、モデム、ネットワークインタフェイス（イーサネット（登録商標）・カードなど）、コミュニケーションポート、ＰＣＭＣＩＡ(Personal Computer Memory Card International Association)スロットおよびカードなど、が含まれうる。通信用インタフェース７２４を介して転送されたソフトウェアおよびデータは、通信用インタフェース７２４によって受信可能な電子信号、電磁気信号、光学信号、あるいは他の信号とできる信号の態様である。コンピュータ７００は、専用のセットの規則（つまりプロトコル）に基づいて、データネットワーク上の他の演算装置と通信する。一般的なプロトコルのうちの１つは、インターネットにおいて一般に用いられているＴＣＰ／ＩＰ（伝送コントロール・プロトコル／インターネット・プロトコル）である。一般に、通信インタフェース７２４は、データファイルをデータネットワーク上で伝達される小さいパケットへのアセンブリングを管理し、あるいは受信したパケット元のデータファイルへと再アセンブルする。さらに、通信インタフェース７２４は、正しい宛先に届くようそれぞれのパケットのアドレス部分に対処し、あるいはコンピュータ７００が宛先となっているパケットを他に向かわせることなく受信する。この書類において、「コンピュータプログラム媒体」、「コンピュータで使用可能な媒体」および「コンピュータで読み取り可能な媒体（コンピュータ可読媒体）」という語は、リムーバブルストレージドライブ７１４および／またはハードディスクドライブ７１２に組み込まれたハードディスクなどの媒体を概ね意味して用いられている。これらのコンピュータプログラム製品は、コンピュータシステム７００にソフトウェアを提供する手段である。本発明は、このようなコンピュータプログラム製品に対してなされたものである。
【００３５】
コンピュータシステム７００は、また、コンピュータシステム７００をアクセスモニタ、キーボード、マウス、プリンタ、スキャナ、プロッタなどに提供する入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース７３０を有することができる。
【００３６】
コンピュータプログラム（コンピュータ制御ロジックともいう）は、メインメモリ７０８および／または二次メモリ７１０にアプリケーションモジュール７０６として記憶される。コンピュータプログラムを、通信用インタフェース７２４を介して受け取ることもできる。このようなコンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、コンピュータシステム７００がここに説明した本発明の特徴を実行することが可能になる。詳細には、コンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、プロセッサ７０４が本発明の特徴を実行することが可能になる。したがって、このようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステム７００のコントローラを表わしている。
【００３７】
ソフトウェアを用いて発明が実行される実施形態において、ソフトウェアをコンピュータプログラム製品に記憶でき、リムーバブルストレージドライブ７１４、ハードドライブ７１２あるいは通信用インタフェース７２４を用いてコンピュータシステム７００へとロードすることができる。アプリケーションモジュール７０６は、プロセッサ７０４によって実行された時、アプリケーションモジュールによって、プロセッサ７０４がここに説明した本発明の機能を実行する。
【００３８】
所望のタスクを達成するために、Ｉ／Ｏインタフェース７３０を介したユーザ入力によってあるいはよることなしに、１つ以上のプロセッサ７０８によって実行することができる１つ以上のアプリケーションモジュール７０６を、メインメモリ７０４に、ロードすることもできる。動作においては、少なくとも１つのプロセッサ７０４がアプリケーションモジュール７０６のうちの１つが実行されると、結果が演算されて二次メモリ７１０（つまりハードディスクドライブ７１２）に記憶される。筋肉の運動のコンピュータシミュレーションの状況（例えば有限要素解析結果）は、テキストあるいはグラフィック表現で、Ｉ／Ｏインタフェース７３０を介してユーザに報告される。
【００３９】
本発明を具体的な実施形態を参照しながら説明したが、これらの実施形態は単なる例示であって、本発明を限定するものではない。開示した例示的な実施形態に対する種々の変更あるいは変形を、当業者は思いつくであろう。例えば、人間の腕の筋肉および関節をトラス要素およびローラとしてモデル化することを示し説明したが、他の筋肉および関節、例えば脚の筋肉および膝または足首の関節をモデル化することもできる。また、非線形ヒルタイプの筋肉の生体力学特性モデルを示し説明したが、筋肉の生体力学特性をエミュレートする他の適当な数値モデルを使用してもよい。「滑り」および「交換」調整に関して３つのトラス要素および１つのローラを示し説明したが、本発明は、筋肉および関節を表すトラス要素およびローラの数を限定しない。つまり、発明の範囲は、ここで開示した具体的で例示的な実施形態に限定されず、当業者が容易に想到するあらゆる変更が、本願の精神および認識範囲そして添付の特許請求の範囲の権利範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
２１０ コンピュータ化モデル
２１２ トラス要素
２１４ ローラ
３００ 筋肉モデル
３０１ 収縮性要素（ＣＥ）
３０２ ダンパ要素（ＤＥ）
３０３ 受動要素（ＰＥ）
５００ ローラ
５０２ 接触角
５１４ａ 張力
５１４ｂ 張力
５０４ａ トラス要素
５０４ｂ トラス要素
６０１〜６０４ ノード
６１１〜６１３ トラス要素
７１８ リムーバブルストレージユニット
７２２ リムーバブルストレージユニット
７１０ ２次メモリ
７１２ ハードディスクドライブ
７１４ リムーバブルストレージドライブ
７２０ インタフェース
７０８ メインメモリ（ＲＡＭ）
７０６ モジュール
７０４ プロセッサ
７０２ バス
７２４ 通信インタフェース
７３０ Ｉ／Ｏインタフェース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してコンピュータ支援エンジニアリング解析の分野において用いられる方法、システムおよびソフトウェア製品に関し、特に関節のまわりの筋肉繊維の運動の数値的シミュレーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
連続体力学は、固体および流体（つまり液体および気体）など連続的な物体のシミュレートに用いられている。微分方程式が、連続体力学の問題を解くときに用いられる。多くの数値的プロシージャが用いられている。最もポピュラーな方法のうちの１つは、有限要素解析法（ＦＥＡ）である。有限要素解析法（ＦＥＡ）は、三次元の非線形的構造設計および解析など複雑な系に関係する工学問題をモデル化して解くために産業において広く用いられる、コンピュータで処理される方法である。ＦＥＡの名前は、想定されている対象の幾何学的配置（ジオメトリ）を特定する方法に由来する。現代のデジタルコンピュータの登場により、ＦＥＡは、ＦＥＡのソフトウェアとして実装されている。基本的に、ＦＥＡのソフトウェアには、幾何学的な記述のモデルと、モデル内の各ポイントでの関連する材質特性と、が提供されている。このモデルにおいて、解析される系の幾何学的配置は、有限要素（エレメント）と呼ばれる種々のサイズのソリッド（中実物）と、シェル（外殻物）と、ビーム（梁状物）と、によって表現される。有限要素の頂点（バーテックス）は、ノードと呼ばれる。モデルは、材料特性と関連づけられた材料名が割り当てられている有限数の有限要素で構成される。モデルは、このように、解析される対象によって占められた物理的空間を、そのすぐ隣接した周囲の状況とともに表現する。そして、ＦＥＡのソフトウェアは、各材料タイプの特性（例えば応力−歪み構造方程式、ヤング率、ポアソン比、熱伝導率）が作表されたテーブルを参照する。さらに、対象の境界での条件（つまり荷重、物理的な制約など）が指定される。このように、対象のモデルとその環境が、生成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
最も興味深いＦＥＡのタスクの１つは、車の衝突などの衝突イベントをシミュレートすることである。現代のコンピュータの進歩によって、車の衝突において、車両の挙動だけでなく乗員の運動や反応もシミュレートされるようになっている。乗員（つまり人間）を適切にシミュレートするためには、人体（例えば筋肉）の生体力学特性に応じた運動を、ＣＡＥ（例えば有限要素解析）における適切なモデルとする必要がある。今日の時点では、満足のいく実用的な解決策はない。従来技術のアプローチでは、従来の有限要素法のために、例えばシミュレーションの全体にわたってその当初長さが変わらないトラス要素のため、スムーズさに欠けるぎくしゃくした運動となる。したがって、骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動数値的にシミュレートする方法およびシステムの提供が望まれよう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動を数値的にシミュレートするシステムおよび方法を提供する。本発明の一の例示的な態様では、複数のトラス要素を１つ以上のローラとともに有するコンピュータ化モデルを用いる。トラス要素は、筋肉繊維をモデル化するよう構成されており、一方、それぞれのローラは関節に対して構成されている。それぞれのトラス要素は２つの端部ノードを有するとともに、筋肉の生体力学特性モデル（例えば非線形ヒルタイプ（nonlinear Hill-type））によってまたは関連して構成される。それぞれのローラは、対応する関節の位置に固定される。
【０００５】
関節のまわりの筋肉繊維の運動のシミュレートするために、ローラをまたぐそれぞれのペアのトラス要素が、時間進行シミュレーション（例えば自動車と一人以上の乗員の衝突イベントのコンピュータシミュレーション）において動的に（ダイナミックに）調整される。調整は、時間進行シミュレーションのそれぞれのソリューションサイクルにおいて行われる。調整には、「滑り（スリップ）」および「交換（スワッピング）」の２つのタイプの調整がある。
【０００６】
用語「滑り」は、トラス要素ペアの局所的な再定義をいう。滑りは、生体力学特性（例えばトラス要素の伸張していない長さの態様の特性）を１ペアの一方の要素から他方の要素に移すことによって、達成される。言いかえれば、１ペアのトラス要素のそれぞれの伸張していない長さが、１ペアの伸張していない長さの合計が変わらないよう、再定義される。
【０００７】
用語「交換」は、複数のトラス要素の局所的な再メッシュ化をいう。交換は、１ペアの一方をローラの反対側に移動させることによって、達成される。言いかえれば、筋肉繊維をモデル化するトラス要素は、ローラの一方の側において１つの要素を削除し、他方の側において他の要素を追加することにより、再メッシュ化される。その結果、交換調整後には、異なる別の１組のトラス要素がそのローラにまたがることになる。
【０００８】
本発明の目的、特徴および利点は、添付した図面を参照し、以下の本発明の実施の形態の詳細な説明を考察することによって明らかとなろう。
【０００９】
添付図面を以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一の実施形態にかかる骨に沿った筋肉の動きおよび関節のまわりの筋肉の動き数値的にシミュレートする例示的なプロセスを示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態にかかる、筋肉繊維および関節の例示的なコンピュータ化モデルを示す図である。
【図３】本発明の一の実施形態にかかる、例示的な筋肉の生体力学特性モデルを示す図である。
【図４】本発明の一の実施形態にかかる、筋肉の生体力学特性モデルと関連する、応力とトラス要素の規格化された長さとの例示的な関係を示す図である。
【図５】本発明の一の実施形態にかかる、コンピュータ化モデルを調整するためのローラのまわりの２つの軸方向の力／応力の関係を示す図である。
【図６Ａ】本発明の一の実施形態にかかる、例示的な「滑り」および「交換」調整を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の一の実施形態にかかる、例示的な「滑り」および「交換」調整を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の一の実施形態にかかる、例示的な「滑り」および「交換」調整を示す図である。
【図７】本発明の実施形態を実現可能である例示的なコンピュータシステムの主要な部品を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
まず図１を参照して、本発明の実施形態にかかる骨に沿った筋肉の動きおよび関節のまわりの筋肉の動き数値的にシミュレートする例示的なプロセス１００を示す。プロセス１００は、好ましくはソフトウェアで実行される。プロセス１００は、他の図面により理解されよう。
【００１２】
プロセス１００は、ステップ１０２において、筋肉の運動を数値的にシミュレートするコンピュータ化モデル（例えば有限要素解析（ＦＥＡ）モデル）を定義することによって、スタートする。図２に、人間の腕の筋肉繊維および関節の例示的なコンピュータ化モデル２１０を示す。コンピュータ化モデル２１０は、他にもある中で、筋肉繊維を表す複数のトラス要素２１２と、関節を表す少なくとも１つのローラ２１４と、を有する。コンピュータ化モデル２１０は、コンピュータシステム（例えば図７に示すコンピュータシステム７００）において受信される。それぞれのトラス要素２１２は、その要素の長さを定義する２つの端部ノードを有する。三次元空間において、それぞれのノードは３つの並進自由度を有する。
【００１３】
それぞれのトラス要素は、筋肉の生体力学特性モデルに、例えば図３に示す非線形ヒル(Hill)タイプの筋肉の生体力学特性モデル３００に関連している。非線形のヒルタイプの筋肉モデル３００は、並列に配置された収縮性要素（ＣＥ）３０１、ダンパ（振動減衰）要素（ＤＥ）３０２、および受動要素（ＰＥ）３０３を有する生体力学特性をエミュレートする（模している）。
【００１４】
このような生体力学特性モデルで構成されたトラス要素は、数値的シミュレーションの際に条件に応じてその断面積に応じた軸方向の力（つまり張力すなわち引張力）を担う。トラス要素の引張応力σ３０４を２つの端部に示す。引張応力３０４は、周知の方法で、例えば引張力をトラス要素の断面積で除して演算される。
【００１５】
収縮性要素３０１は、筋肉による力の発生を表し、最大応力σmax、時間依存活動レベル関数α(t)、歪み依存スケーリング関数f(ε)および歪み速度依存スケーリング関数
を備える。筋肉による力の発生は、
で表される。
【００１６】
受動要素３０３は、筋弾性からのエネルギ蓄積を表し、最大応力σmaxおよび歪み依存非線形弾性関数
を備える。筋弾性からのエネルギ蓄積は、
で表される。
【００１７】
ダンパ要素３０２は、筋肉粘性を表し、歪み、歪速度および減衰定数に依存する。筋肉粘性は、
で表される。
【００１８】
結果として生じる軸方向応力（つまり引張応力）３０４はすべての成分の合計であり、
で表される。
【００１９】
図４に、例示的な非線形ヒルタイプ生体力学特性モデルを例示するグラフ４００を示す。グラフ４００は、縦軸が軸方向応力を示し、横軸がトラス要素の規格化された長さを示すＸ−Ｙプロットである。４つの曲線４０２および４０２ａ〜ｃが示されている。曲線４０２は、合計の軸方向応力σを表す。また、曲線４０２ａはσCEを表わしている。曲線４０２ｂはσPEを表す。また、曲線４０３ｃはσDEを表す。トラス要素の規格化された長さは、伸張していない長さ(lo)に対する現在の長さ(l)の比として演算される無次元の量である。伸張していない長さは、時間進行シミュレーションの初期(つまり時間=0)におけるトラス要素の長さである。また、現在の長さは、特定のソリューションサイクルにおける(つまり時間=t)の長さである。言いかえれば、規格化された長さは、シミュレーションの初期においては、１である。ちなみに、歪みεは、(l - lo)/loすなわち(l/lo) - 1として計算される。
【００２０】
それぞれのローラ２１４は、１つのノードによって関節の位置に固定される。ノード（図２に白丸として示す）は、ローラにまたがる１ペアのトラス要素によって共有される。ローラ５００（例えばローラ２１４）は、図５に示す接触角５０２を用いて構成される。接触角５０２は、ローラ５００にまたがる１ペアのトラス要素５０４ａおよび５０４ｂのそれぞれの方向（向き）によって決定される。言いかえれば、接触角５０２は、１ペアのトラス要素の軸方向によって形成される取り巻き角度である。
【００２１】
張力T1の５１４ａおよびT2の５１４ｂは、トラス要素５０４ａおよび５０４ｂの対応する軸方向力である。筋肉運動を数値的にシミュレートするために用いられるローラ５００は、キャプスタン(Capstan)方程式と呼ばれる方程式に従う。
T2 = T1eμθ
ここで、T2の５１４ｂは高い張力であり、T1の５１４ａは低い張力であり、θは接触角であり、μは摩擦係数である。
【００２２】
次にステップ１０４において、プロセス１００は、筋肉運動のシミュレートのために構成されたアプリケーションモジュール（例えば筋肉運動シミュレーションのために構成された要素を有する有限要素解析（ＦＥＡ））によりコンピュータ化モデルを用いて、時間進行シミュレーションを行う。時間進行シミュレーションは、時間の経過を表す一連の連続ソリューションサイクルすなわち時間ステップを有する。種々の周知の技術を、ＦＥＡに用いることができる（例えば明示的ソリューション、暗黙的ソリューション等）。通常、それぞれのソリューションサイクルにおいて、１セットのノードの加速、速度および変位が得られる。これらの量の時間的履歴が、数値的シミュレーション結果となる。
【００２３】
筋肉および関節がコンピュータ化モデルにおいて定義されると、まずステップ１０６において筋肉運動の結果がそれぞれのソリューションサイクルにおいて得られる。例えば、トラス要素の軸方向応力および歪み（つまり伸張）が、それぞれのソリューションサイクルにおいて計算される。
【００２４】
シミュレートされた骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動は、トラス要素の現実に即した調整をさらに含んでいる。調整は、ステップ１０８において、それぞれの関節において（つまりコンピュータ化モデルにおけるそれぞれのローラにおいて）「滑り」および「交換」の態様で行われる。
【００２５】
ローラにまたがるそれぞれのペアのトラス要素については、キャプスタン方程式を満たす必要がある。計算された１ペアのトラス要素の軸方向の力がキャプスタン方程式を満たさない場合、「滑り」の態様の調整が行われる。「滑り」調整では、１ペアのトラス要素の伸張していない長さを再定義する。特に、一方の要素の伸張していない長さが減算されるとともに、キャプスタン方程式が満たされるまで、その同じ量がその１ペアの他方に加算される。減算される長さが加算される長さと等しいので、１ペアの合計の伸張していない長さは一定に保たれる。さらに、「滑り」調整は、調整されたコンピュータ化モデルを用いるトラス要素の軸方向応力および歪みの再計算を必要とする非線形反復法（例えばブレント(Brent)の方法）によって、行われる。
【００２６】
１ペアのトラス要素の一方が１回以上の「滑り」調整の後にあまりにも短くなった場合、その「あまりにも短い」要素をその現在の位置から取り除き、そのローラの反対側にそれを追加する、「交換」調整が行われる。さらに、ローラに関連するノードが変更される（図６Ｃおよび以下の対応記載を参照）。「交換」調整は、コンピュータ化モデルの局所的再メッシュ化（つまり、トラス要素の接続の再メッシュ化）ともいう。要素があまりにも短いか否か判断するには、周知の方法、例えば所定の閾値（例えば最小長）を用いることができる。最後に、移動されたばかりの要素が激しく行ったり戻ったりするのを防止するために、「交換」調整において再メッシュ化されたそれぞれの要素には、最小の長さに加えて緩衝量（クッション）を与える。例えば、１０％のクッションは、新たに再メッシュ化された要素（つまり、ローラの一方の側から反対側へ移動されたばかりの要素）に、閾値として最小長の１．１倍の長さを与えることを意味する。
【００２７】
本発明の実施形態にかかる例示的な一連の「滑り」および「交換」調整を、図６Ａ乃至図６Ｃは示す。例示を簡単にするために、３つのトラス要素（「ｅ１」６１１、「ｅ２」６１２および「ｅ３」６１３）と、１つのローラ（ノード６０２において斜線領域に初期に固定された白丸で示す）と、だけを例示的なシーケンスにおいて用いる。トラス要素「ｅ１」６１１は、２つの端部ノード「ｎ１」６０１および「ｎ２」６０２を有する。要素「ｅ２」６１２は、ノード「ｎ２」６０２および「ｎ３」６０３によって定義される。また、要素「ｅ３」６１３は、ノード「ｎ３」６０３および「ｎ４」６０４によって定義される。
【００２８】
例示的なシーケンスの第１の配置構成を、図６Ａに示す。要素「ｅ１」６１１および「ｅ２」６１２は、共通の共有ノード「ｎ２」６０２においてローラにまたがっている。要素の軸方向応力および歪みが計算された後の次の時間における第２の構成を、図６Ｂに示す。キャプスタン方程式を、ノード６０２におけるローラにおいて確認する。「滑り」調整が行われ、要素「ｅ１」６１１および「ｅ２」６１２のそれぞれの伸張していない長さが再定義される。この例示的なシーケンスにおいて、要素「ｅ１」６１１の伸張していない長さは、要素「ｅ２」６１２において減算された量（短くなった量）と同じ量だけ加算される（長くなる）。
【００２９】
要素「ｅ２」６１２が閾値(つまり最小長lmin)と比して短すぎる場合、図６Ｃに第３構成として示すように、「交換」調整が行われて要素、「ｅ２」６１２がローラの一方の側から反対側に移動される。その結果、「交換」調整後、ローラは異なるノード６０３に関連する。
【００３０】
骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動の時間的履歴は、時間進行シミュレーションにおける時間の進行を表すそれぞれのソリューションサイクルにおける結果を互いにつなげることにより得られる。
【００３１】
一の実施形態では、本発明は、以下のアルゴリズムを有するソフトウェアにおいて実行される。
１） それぞれのトラス要素に対する標準的な力を計算する
・伸張されていない長さloを取得する
・現在の長さlおよび歪速度
を計算する
・lo、lおよび
の関数として軸方向応力を計算する
・軸方向の力T = Aσを計算する
2) ローラにまたがるそれぞれのペアのトラス要素の力および長さの補正する(つまり「滑り」調整する)
・計算した軸方向の力を試行値として使用する
・キャプスタン方程式を確認する
・キャプスタン方程式に適う場合は、試行値を張力として使用する
・そうでなければ、反復法を用いて非線形の関数の根（ルート）
を求める
・１ペアのトラス要素のそれぞれの伸張していない長さを更新する
・根から計算された張力を使用する
3) 「あまりにも短い」要素をローラの一方の側から反対側へ移動させる「交換」調整を行う
・１ペアの一方が閾値(つまり最小長lmin)に対して「あまりにも短く」なった場合、トラス要素を再メッシュ化する
・トラス要素の接続を変更する
・ローラに関連するノードを変更する
・移動されたばかりの要素がlminより確実に長くなるよう、移動されたばかりの要素に対して新しいノードを生成する
・移動されたばかりの要素の要素特性を変更する
本発明の実施形態は、ここに説明した機能を実行可能な１つ以上のコンピュータシステムに対してなされたものである。コンピュータシステム７００の一例を、図７に示す。コンピュータシステム７００は、プロセッサ７０４など１つ以上のプロセッサを有する。プロセッサ７０４は、コンピュータシステム内部通信バス７０２に接続されている。種々のソフトウェアの実施形態を、この例示的なコンピュータシステムの点から説明する。この説明を読むと、いかにして、他のコンピュータシステムおよび／またはコンピュータアーキテクチャーを用いて、本発明を実行するかが、関連する技術分野に習熟している者には明らかになるであろう。
【００３２】
コンピュータシステム７００は、また、メインメモリ７０８好ましくはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））を有しており、そして二次メモリ７１０を有することもできる。二次メモリ７１０は、例えば、１つ以上のハードディスクドライブ７１２、および／またはフレキシブルディスクドライブ、磁気テープドライブ、光ディスクドライブなどを表わす１つ以上のリムーバブルストレージドライブ７１４を有することができる。リムーバブルストレージドライブ７１４は、よく知られている方法で、リムーバブルストレージユニット７１８を読み取りおよび／またはリムーバブルストレージユニット７１８に書き込む。リムーバブルストレージユニット７１８は、リムーバブルストレージドライブ７１４によって読み取り・書き込みされるフレキシブルディスク、磁気テープ、光ディスクなどを表わす。以下にわかるように、リムーバブルストレージユニット７１８は、コンピュータソフトウェアおよび／またはデータを内部に記憶しているコンピュータで使用可能な記憶媒体を有している。
【００３３】
代替的な実施形態において、二次メモリ７１０は、コンピュータプログラムあるいは他の命令をコンピュータシステム７００にロードすることを可能にする他の同様な手段を有することもできる。そのような手段は、例えば、リムーバブルストレージユニット７２２とインタフェース７２０とを有することができる。そのようなものの例には、プログラムカートリッジおよびカートリッジのインタフェース（ビデオゲーム機に見られるようなものなど）と、リムーバブルメモリチップ（消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）フラッシュメモリ、あるいはＰＲＯＭなど）および関連するソケットと、ソフトウェアおよびデータをリムーバブルストレージユニット７２２からコンピュータシステム７００に転送することを可能にする他のリムーバブルストレージユニット７２０およびインタフェース７２２と、が含まれうる。一般に、コンピュータシステム７００は、プロセススケジューリング、メモリ管理、ネットワーキングおよびＩ／Ｏサービスなどのタスクを行なうオペレーティングシステム（ＯＳ）ソフトウェアによって、制御され連係される。
【００３４】
通信用インタフェース７２４も、また、バス７０２に接続することができる。通信用インタフェース７２４は、ソフトウェアおよびデータをコンピュータシステム７００と外部装置との間で転送することを可能にする。通信用インタフェース７２４の例には、モデム、ネットワークインタフェイス（イーサネット（登録商標）・カードなど）、コミュニケーションポート、ＰＣＭＣＩＡ(Personal Computer Memory Card International Association)スロットおよびカードなど、が含まれうる。通信用インタフェース７２４を介して転送されたソフトウェアおよびデータは、通信用インタフェース７２４によって受信可能な電子信号、電磁気信号、光学信号、あるいは他の信号とできる信号の態様である。コンピュータ７００は、専用のセットの規則（つまりプロトコル）に基づいて、データネットワーク上の他の演算装置と通信する。一般的なプロトコルのうちの１つは、インターネットにおいて一般に用いられているＴＣＰ／ＩＰ（伝送コントロール・プロトコル／インターネット・プロトコル）である。一般に、通信インタフェース７２４は、データファイルをデータネットワーク上で伝達される小さいパケットへのアセンブリングを管理し、あるいは受信したパケット元のデータファイルへと再アセンブルする。さらに、通信インタフェース７２４は、正しい宛先に届くようそれぞれのパケットのアドレス部分に対処し、あるいはコンピュータ７００が宛先となっているパケットを他に向かわせることなく受信する。この書類において、「コンピュータプログラム媒体」、「コンピュータで使用可能な媒体」および「コンピュータで読み取り可能な媒体（コンピュータ可読媒体）」という語は、リムーバブルストレージドライブ７１４および／またはハードディスクドライブ７１２に組み込まれたハードディスクなどの媒体を概ね意味して用いられている。これらのコンピュータプログラム製品は、コンピュータシステム７００にソフトウェアを提供する手段である。本発明は、このようなコンピュータプログラム製品に対してなされたものである。
【００３５】
コンピュータシステム７００は、また、コンピュータシステム７００をアクセスモニタ、キーボード、マウス、プリンタ、スキャナ、プロッタなどに提供する入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース７３０を有することができる。
【００３６】
コンピュータプログラム（コンピュータ制御ロジックともいう）は、メインメモリ７０８および／または二次メモリ７１０にアプリケーションモジュール７０６として記憶される。コンピュータプログラムを、通信用インタフェース７２４を介して受け取ることもできる。このようなコンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、コンピュータシステム７００がここに説明した本発明の特徴を実行することが可能になる。詳細には、コンピュータプログラムが実行された時、コンピュータプログラムによって、プロセッサ７０４が本発明の特徴を実行することが可能になる。したがって、このようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステム７００のコントローラを表わしている。
【００３７】
ソフトウェアを用いて発明が実行される実施形態において、ソフトウェアをコンピュータプログラム製品に記憶でき、リムーバブルストレージドライブ７１４、ハードドライブ７１２あるいは通信用インタフェース７２４を用いてコンピュータシステム７００へとロードすることができる。アプリケーションモジュール７０６は、プロセッサ７０４によって実行された時、アプリケーションモジュールによって、プロセッサ７０４がここに説明した本発明の機能を実行する。
【００３８】
所望のタスクを達成するために、Ｉ／Ｏインタフェース７３０を介したユーザ入力によってあるいはよることなしに、１つ以上のプロセッサ７０８によって実行することができる１つ以上のアプリケーションモジュール７０６を、メインメモリ７０４に、ロードすることもできる。動作においては、少なくとも１つのプロセッサ７０４がアプリケーションモジュール７０６のうちの１つが実行されると、結果が演算されて二次メモリ７１０（つまりハードディスクドライブ７１２）に記憶される。筋肉の運動のコンピュータシミュレーションの状況（例えば有限要素解析結果）は、テキストあるいはグラフィック表現で、Ｉ／Ｏインタフェース７３０を介してユーザに報告される。
【００３９】
本発明を具体的な実施形態を参照しながら説明したが、これらの実施形態は単なる例示であって、本発明を限定するものではない。開示した例示的な実施形態に対する種々の変更あるいは変形を、当業者は思いつくであろう。例えば、人間の腕の筋肉および関節をトラス要素およびローラとしてモデル化することを示し説明したが、他の筋肉および関節、例えば脚の筋肉および膝または足首の関節をモデル化することもできる。また、非線形ヒルタイプの筋肉の生体力学特性モデルを示し説明したが、筋肉の生体力学特性をエミュレートする他の適当な数値モデルを使用してもよい。「滑り」および「交換」調整に関して３つのトラス要素および１つのローラを示し説明したが、本発明は、筋肉および関節を表すトラス要素およびローラの数を限定しない。つまり、発明の範囲は、ここで開示した具体的で例示的な実施形態に限定されず、当業者が容易に想到するあらゆる変更が、本願の精神および認識範囲そして添付の特許請求の範囲の権利範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
２１０ コンピュータ化モデル
２１２ トラス要素
２１４ ローラ
３００ 筋肉モデル
３０１ 収縮性要素（ＣＥ）
３０２ ダンパ要素（ＤＥ）
３０３ 受動要素（ＰＥ）
５００ ローラ
５０２ 接触角
５１４ａ 張力
５１４ｂ 張力
５０４ａ トラス要素
５０４ｂ トラス要素
６０１〜６０４ ノード
６１１〜６１３ トラス要素
７１８ リムーバブルストレージユニット
７２２ リムーバブルストレージユニット
７１０ ２次メモリ
７１２ ハードディスクドライブ
７１４ リムーバブルストレージドライブ
７２０ インタフェース
７０８ メインメモリ（ＲＡＭ）
７０６ モジュール
７０４ プロセッサ
７０２ バス
７２４ 通信インタフェース
７３０ Ｉ／Ｏインタフェース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動を数値的にシミュレートする方法であって、
時間進行筋肉運動シミュレーションを行うアプリケーションモジュールがインストールされたコンピュータシステムにおいて、複数のトラス要素および少なくとも１つのローラを有するコンピュータ化モデルを受け取るステップであって、前記複数のトラス要素が筋肉繊維を表すように構成されるとともにそれぞれのローラが関節を表すように構成されており、前記複数のトラス要素が筋肉の生体力学特性モデルと関連しているステップと、
コンピュータシステムにおけるアプリケーションモジュールを用いてコンピュータ化モデルによって前記時間進行シミュレーションを行うステップであって、前記時間進行シミュレーションが時間の経過を表す一連の連続ソリューションサイクルを有するステップと、
それぞれのソリューションサイクルにおいて前記複数のトラス要素の軸方向応力および歪みを演算するステップと、
それぞれのローラにまたがっているそれぞれのトラス要素ペアに滑り調整および交換調整を適用し、骨に沿った筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動および関節のまわりの筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動を得るステップと、
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記滑り調整では、前記それぞれのトラス要素ペアの伸張していない長さを再定義する方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記それぞれのトラス要素ペアの一方が前記滑り調整により閾値より短くなったとき、前記交換調整が行われる方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記交換調整では、前記それぞれローラの第１側から第２側に前記それぞれのトラス要素ペアの前記一方を移動させる方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、前記交換調整後、前記それぞれのトラス要素ペアの前記一方は、前記閾値より大きい長さで構成される方法。
【請求項６】
請求項２に記載の方法であって、前記伸張していない長さを、前記それぞれローラにおいてキャプスタン方程式を用いて反復的に決定する方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記キャプスタン方程式は、前記それぞれのトラス要素ペアの軸方向応力および歪み、ならびに前記それぞれのローラの接触角の関数である方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記それぞれローラの接触角は、前記それぞれのトラス要素ペアのそれぞれの方向によって決定される方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、前記コンピュータ化モデルは有限要素解析モデルである方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、前記筋肉生体力学特性モデルは、非線形ヒルタイプ筋肉生体力学特性モデルを備える方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、前記それぞれローラは、前記それぞれのトラス要素ペアによって共有されるノードを有する方法。
【請求項１２】
骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動を数値的にシミュレートするシステムであって、
入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェースと、
筋肉の運動をシミュレートするための１つ以上のアプリケーションモジュールに関するコンピュータ可読コードを記憶しているメモリと、
前記メモリに連結される少なくとも１つのプロセッサと、
を備えており、前記少なくとも１つのプロセッサがメモリ内のコンピュータ可読コードを実行して、これにより、前記１つ以上のアプリケーションモジュールに、
複数のトラス要素および少なくとも１つのローラを有するコンピュータ化モデルを受け取るオペレーションであって、前記複数のトラス要素が筋肉繊維を表すように構成されるとともにそれぞれのローラが関節を表すように構成されており、前記複数のトラス要素が筋肉の生体力学特性モデルと関連しているオペレーションと、
コンピュータシステムにおけるアプリケーションモジュールを用いてコンピュータ化モデルによって前記時間進行シミュレーションを行うオペレーションであって、前記時間進行シミュレーションが時間の経過を表す一連の連続ソリューションサイクルを有するオペレーションと、
それぞれのソリューションサイクルにおいて前記複数のトラス要素の軸方向応力および歪みを演算するオペレーションと、
それぞれのローラにまたがっているそれぞれのトラス要素ペアに滑り調整および交換調整を適用し、骨に沿った筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動および関節のまわりの筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動を得るオペレーションと、
を行わせるシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、前記滑り調整では、前記それぞれのトラス要素ペアの伸張していない長さを再定義し、そして、前記伸張していない長さは、前記それぞれローラにおいてキャプスタン方程式を用いて反復的に決定されるシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、前記それぞれのトラス要素ペアの一方が前記滑り調整により閾値より短くなったとき、前記交換調整が行われ、そして、前記交換調整では、前記それぞれローラの第１側から第２側に前記それぞれのトラス要素ペアの前記一方を移動させるシステム。
【請求項１５】
方法を用いて骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動を数値的にシミュレートするコンピュータが実行可能な命令を有するコンピュータ可読媒体であって、該方法が、
時間進行筋肉運動シミュレーションを行うアプリケーションモジュールがインストールされたコンピュータシステムにおいて、複数のトラス要素および少なくとも１つのローラを有するコンピュータ化モデルを受け取るステップであって、前記複数のトラス要素が筋肉繊維を表すように構成されるとともにそれぞれのローラが関節を表すように構成されており、前記複数のトラス要素が筋肉の生体力学特性モデルと関連しているステップと、
コンピュータシステムにおけるアプリケーションモジュールを用いてコンピュータ化モデルによって前記時間進行シミュレーションを行うステップであって、前記時間進行シミュレーションが時間の経過を表す一連の連続ソリューションサイクルを有するステップと、
それぞれのソリューションサイクルにおいて前記複数のトラス要素の軸方向応力および歪みを演算するステップと、
それぞれのローラにまたがっているそれぞれのトラス要素ペアに滑り調整および交換調整を適用し、骨に沿った筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動および関節のまわりの筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動を得るステップと、
を備えているコンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
請求項１５に記載のコンピュータ可読媒体であって、前記滑り調整では、前記それぞれのトラス要素ペアの伸張していない長さを再定義し、そして、前記伸張していない長さは、前記それぞれローラにおいてキャプスタン方程式を用いて反復的に決定されるコンピュータ可読媒体。
【請求項１】
骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動を数値的にシミュレートする方法であって、
時間進行筋肉運動シミュレーションを行うアプリケーションモジュールがインストールされたコンピュータシステムにおいて、複数のトラス要素および少なくとも１つのローラを有するコンピュータ化モデルを受け取るステップであって、前記複数のトラス要素が筋肉繊維を表すように構成されるとともにそれぞれのローラが関節を表すように構成されており、前記複数のトラス要素が筋肉の生体力学特性モデルと関連しているステップと、
コンピュータシステムにおけるアプリケーションモジュールを用いてコンピュータ化モデルによって前記時間進行シミュレーションを行うステップであって、前記時間進行シミュレーションが時間の経過を表す一連の連続ソリューションサイクルを有するステップと、
それぞれのソリューションサイクルにおいて前記複数のトラス要素の軸方向応力および歪みを演算するステップと、
それぞれのローラにまたがっているそれぞれのトラス要素ペアに滑り調整および交換調整を適用し、骨に沿った筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動および関節のまわりの筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動を得るステップと、
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記滑り調整では、前記それぞれのトラス要素ペアの伸張していない長さを再定義する方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記それぞれのトラス要素ペアの一方が前記滑り調整により閾値より短くなったとき、前記交換調整が行われる方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記交換調整では、前記それぞれローラの第１側から第２側に前記それぞれのトラス要素ペアの前記一方を移動させる方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、前記交換調整後、前記それぞれのトラス要素ペアの前記一方は、前記閾値より大きい長さで構成される方法。
【請求項６】
請求項２に記載の方法であって、前記伸張していない長さを、前記それぞれローラにおいてキャプスタン方程式を用いて反復的に決定する方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記キャプスタン方程式は、前記それぞれのトラス要素ペアの軸方向応力および歪み、ならびに前記それぞれのローラの接触角の関数である方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記それぞれローラの接触角は、前記それぞれのトラス要素ペアのそれぞれの方向によって決定される方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、前記コンピュータ化モデルは有限要素解析モデルである方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、前記筋肉生体力学特性モデルは、非線形ヒルタイプ筋肉生体力学特性モデルを備える方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、前記それぞれローラは、前記それぞれのトラス要素ペアによって共有されるノードを有する方法。
【請求項１２】
骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動を数値的にシミュレートするシステムであって、
入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェースと、
筋肉の運動をシミュレートするための１つ以上のアプリケーションモジュールに関するコンピュータ可読コードを記憶しているメモリと、
前記メモリに連結される少なくとも１つのプロセッサと、
を備えており、前記少なくとも１つのプロセッサがメモリ内のコンピュータ可読コードを実行して、これにより、前記１つ以上のアプリケーションモジュールに、
複数のトラス要素および少なくとも１つのローラを有するコンピュータ化モデルを受け取るオペレーションであって、前記複数のトラス要素が筋肉繊維を表すように構成されるとともにそれぞれのローラが関節を表すように構成されており、前記複数のトラス要素が筋肉の生体力学特性モデルと関連しているオペレーションと、
コンピュータシステムにおけるアプリケーションモジュールを用いてコンピュータ化モデルによって前記時間進行シミュレーションを行うオペレーションであって、前記時間進行シミュレーションが時間の経過を表す一連の連続ソリューションサイクルを有するオペレーションと、
それぞれのソリューションサイクルにおいて前記複数のトラス要素の軸方向応力および歪みを演算するオペレーションと、
それぞれのローラにまたがっているそれぞれのトラス要素ペアに滑り調整および交換調整を適用し、骨に沿った筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動および関節のまわりの筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動を得るオペレーションと、
を行わせるシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、前記滑り調整では、前記それぞれのトラス要素ペアの伸張していない長さを再定義し、そして、前記伸張していない長さは、前記それぞれローラにおいてキャプスタン方程式を用いて反復的に決定されるシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、前記それぞれのトラス要素ペアの一方が前記滑り調整により閾値より短くなったとき、前記交換調整が行われ、そして、前記交換調整では、前記それぞれローラの第１側から第２側に前記それぞれのトラス要素ペアの前記一方を移動させるシステム。
【請求項１５】
方法を用いて骨に沿った筋肉の運動および関節のまわりの筋肉の運動を数値的にシミュレートするコンピュータが実行可能な命令を有するコンピュータ可読媒体であって、該方法が、
時間進行筋肉運動シミュレーションを行うアプリケーションモジュールがインストールされたコンピュータシステムにおいて、複数のトラス要素および少なくとも１つのローラを有するコンピュータ化モデルを受け取るステップであって、前記複数のトラス要素が筋肉繊維を表すように構成されるとともにそれぞれのローラが関節を表すように構成されており、前記複数のトラス要素が筋肉の生体力学特性モデルと関連しているステップと、
コンピュータシステムにおけるアプリケーションモジュールを用いてコンピュータ化モデルによって前記時間進行シミュレーションを行うステップであって、前記時間進行シミュレーションが時間の経過を表す一連の連続ソリューションサイクルを有するステップと、
それぞれのソリューションサイクルにおいて前記複数のトラス要素の軸方向応力および歪みを演算するステップと、
それぞれのローラにまたがっているそれぞれのトラス要素ペアに滑り調整および交換調整を適用し、骨に沿った筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動および関節のまわりの筋肉繊維の数値的にシミュレートされた運動を得るステップと、
を備えているコンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
請求項１５に記載のコンピュータ可読媒体であって、前記滑り調整では、前記それぞれのトラス要素ペアの伸張していない長さを再定義し、そして、前記伸張していない長さは、前記それぞれローラにおいてキャプスタン方程式を用いて反復的に決定されるコンピュータ可読媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９３０３０（Ｐ２０１３−９３０３０Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２３４３７６（Ｐ２０１２−２３４３７６）
【出願日】平成２４年１０月２４日（２０１２．１０．２４）
【出願人】（５０９０５９８９３）リバーモア ソフトウェア テクノロジー コーポレーション (29)
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２３４３７６（Ｐ２０１２−２３４３７６）
【出願日】平成２４年１０月２４日（２０１２．１０．２４）
【出願人】（５０９０５９８９３）リバーモア ソフトウェア テクノロジー コーポレーション (29)
[ Back to top ]