私のモデルは十分ですか？筋骨格モデルの検証と検証のためのベストプラクティス、および運動のシミュレーション

神経筋骨格（NMS）システムの計算モデリングとシミュレーションにより、研究者と臨床医は、人間と動物の動きの根底にある複雑なダイナミクスを研究することができます。NMSモデルは、物理的な法則と生物学に由来する方程式を使用して、走行速度を最大化する補綴物の設計から、脳卒中後の歩行を可能にする外骨格装置の開発まで、挑戦的な現実世界の問題を解決するのに役立ちます。NMSモデリングとシミュレーションは、過去25年間にわたってバイオメカニクス研究コミュニティで増殖していますが、検証と検証基準の欠如は、より広範な採用と影響に対する大きな障壁のままです。このペーパーの目標は、研究者、臨床医、レビュアー、その他がモデリング研究の正確性と信頼性を評価するために採用できるNMSモデルとシミュレーションの検証と検証のための実用的なガイドラインを確立することです。特に、研究の質問と方法の慎重な定式化、従来の検証と検証の手順、および他の研究者による使用およびテストのための結果の共有など、NMSモデルとシミュレーションに適用される検証と検証の一般的なプロセスをレビューします。NMSシステムのモデリングとその動きをシミュレートするには、神経制御、筋骨格幾何学、筋肉テンドンのダイナミクス、接触力、およびマルチボディダイナミクスを表す方法が含まれます。これらのコンポーネントのそれぞれについて、モデリングの選択肢とソフトウェア検証ガイドラインを確認します。変動性、エラー、不確実性、および感度の関係について話し合う。実験データを比較し、堅牢性をテストすることにより、検証と検証の推奨事項を提供します。重要な原則を説明する一連のケーススタディを提示します。最後に、モデリングとシミュレーションが人間のモビリティを制限する幅広い問題を解決するために成功裏に使用されることを確認するために、コミュニティが克服しなければならない課題について議論します。

Computational modeling and simulation of neuromusculoskeletal (NMS) systems enables researchers and clinicians to study the complex dynamics underlying human and animal movement. NMS models use equations derived from physical laws and biology to help solve challenging real-world problems, from designing prosthetics that maximize running speed to developing exoskeletal devices that enable walking after a stroke. NMS modeling and simulation has proliferated in the biomechanics research community over the past 25 years, but the lack of verification and validation standards remains a major barrier to wider adoption and impact. The goal of this paper is to establish practical guidelines for verification and validation of NMS models and simulations that researchers, clinicians, reviewers, and others can adopt to evaluate the accuracy and credibility of modeling studies. In particular, we review a general process for verification and validation applied to NMS models and simulations, including careful formulation of a research question and methods, traditional verification and validation steps, and documentation and sharing of results for use and testing by other researchers. Modeling the NMS system and simulating its motion involves methods to represent neural control, musculoskeletal geometry, muscle-tendon dynamics, contact forces, and multibody dynamics. For each of these components, we review modeling choices and software verification guidelines; discuss variability, errors, uncertainty, and sensitivity relationships; and provide recommendations for verification and validation by comparing experimental data and testing robustness. We present a series of case studies to illustrate key principles. In closing, we discuss challenges the community must overcome to ensure that modeling and simulation are successfully used to solve the broad spectrum of problems that limit human mobility.