Tim inženjera Univerziteta Rajs pokrenuo je prvi u svojoj vrsti softver otvorenog koda koji konstruiše i koristi personalizovane kompjuterske modele kako se pojedini pacijenti kreću da bi optimizovao tretmane za neurološka i ortopedska oštećenja mobilnosti.
Softver za Neuromusculoskeletal Modeling (NMSM) Pipeline koji je razvio BJ Fregli i saradnici u Rice Computational Neuromechanics Lab sada je dostupan timovima kliničara/inženjera koji bi želeli da koriste kompjuterski podržan inženjering za dizajn kliničkog lečenja.
Softver bi se mogao koristiti za dizajniranje ortopedskih hirurških planova, intervencija neurorehabilitacije, režima fizikalne terapije i protetskih uređaja koji maksimiziraju oporavak izgubljene funkcije za pacijente sa smetnjama u kretanju uzrokovanim moždanim udarom, osteoartritisom, cerebralnom paralizom, Parkinsonovom bolešću, povredom kičmene moždine, traumatskom povredom mozga , amputacija udova, pa čak i neki oblici raka.
„Softver kompjuterski potpomognutog inženjeringa (CAE) je napravio revoluciju u dizajnu aviona, automobila i industrijske opreme 1990-ih,“ rekao je Fregli, profesor mašinstva i bioinženjeringa i stipendista CPRIT-a u istraživanju raka. „Kada sam radio kao programer CAE softvera u industriji tokom tog vremenskog perioda, stalno sam razmišljao da neko to treba da uradi za dizajn tretmana za poremećaje kretanja.“
Mnogo godina u izradi, NMSM Pipeline se nadograđuje na postojeći softver koji se koristi za modeliranje, simulaciju i analizu mišićno-skeletnog sistema čineći ga korisnim za dizajn kliničkog lečenja.
„Naš softver olakšava kreiranje personalizovanog kompjuterskog modela neuromuskuloskeletnog sistema pacijenta koristeći podatke o kretanju pacijenta pre tretmana, a zatim koristi taj model da predvidi — pa čak i optimizuje — funkcionalni ishod pacijenta za različite dizajne lečenja koje kliničar želi da istražuje“, rekao je Fregli. „Za kliničku korisnost, potrebne su vam ove dve stvari — personalizacija modela i optimizacija lečenja.
„Umesto da se oslanjaju na implicitna, subjektivna predviđanja funkcije pacijenta nakon tretmana, kliničari koji rade sa inženjerima mogli bi da koriste naš softver da naprave eksplicitna, objektivna predviđanja, koja ne samo da mogu da uklone neefikasne ili štetne tretmane, već i da generišu veoma efikasne nepredviđene. “
Softver zasnovan na fizici integriše nekoliko različitih fizioloških modela, uključujući modele kontrole centralnog nervnog sistema (CNS), generisanja mišićne sile i metaboličke potrošnje energije.
„Model kako CNS koordinira mišićnu aktivnost zasniva se na analizi elektromiografskih (električna aktivnost mišića) podataka prikupljenih tokom kretanja ljudi“, rekao je Fregli. „Umesto da kontroliše veliki broj mišića pojedinačno, izgleda da CNS kontroliše mali broj koordinisanih mišićnih grupa koje se nazivaju ‘sinergije’.“
„Ono što je zaista interesantno je da ako analizirate elektromiografske podatke, otkrićete da – u poređenju sa zdravim osobama – ljudi koji su imali moždani udar obično imaju manje sinergije na raspolaganju za konstruisanje svojih mišićnih aktivacija. Mogli biste reći da su izgubili jednu ili dva gradivna bloka neuronske kontrole kao rezultat moždanog udara, što znači da ne mogu da generišu isti repertoar signala da kontrolišu svoje mišiće, pa tako ne mogu ni da se kreću.
„Jedan od izazova za rehabilitaciju od moždanog udara je, možete li pronaći načine da trenirate mozak ljudi kako biste im pomogli da oporave izgubljene sinergije? Mislimo da možemo da predvidimo kako da to uradimo. Još nismo tamo, ali smo blizu .“
Koristeći podatke o individualnom hodanju nakon moždanog udara brzinom od 0,5 metara u sekundi koju su sami izabrali, Freglijeva grupa je napravila tri različita predviđanja o tome kako će subjekt hodati svojom najbržom brzinom od 0,8 metara u sekundi.
„Jedno predviđanje pretpostavljalo je da imamo aktuatore obrtnog momenta, kao u robotu, koji kontrolišu zglobove donjeg dela tela, tako da nema mišića“, rekao je Fregli. „Drugo predviđanje je pretpostavilo da imamo pokretače mišića, ali su svi mišići kontrolisani nezavisno. Treće predviđanje je takođe pretpostavilo da imamo mišićne aktuatore, ali sada su svi mišići kontrolisani uz pomoć malog broja sinergije.“
„Kako je naš model prelazio sa kontrola obrtnog momenta na individualne kontrole mišića do kontrole sinergije, postao je realističniji i personalizovaniji fiziološki. Zanimljivo je da je pristup koji je bio najfiziološkiji – koristeći kontrole sinergije – takođe dao najtačnije predviđanje kako subjekt hodali najvećom udobnom brzinom. Bilo je kao magija.“
Operacija raka karlice je još jedan klinički primer gde bi NMSM Pipeline mogao pomoći u donošenju odluka o lečenju.
„Ne možete rezati kolačiće hirurške tretmane za ljude koji dobiju rak karlice“, rekao je Fregli. „Pacijent će često izgubiti zglob kuka. Za neke pacijente, najbolja hirurška opcija bi mogla biti implantacija prilagođene proteze koja zamenjuje izgubljenu funkciju kosti i zgloba kuka, dok bi drugi pacijenti mogli imati više koristi od hirurške opcije koja ne zamenjuje uklonjena kost i zglob kuka.
„Za obe opcije, mi već prikupljamo podatke o hodanju pre operacije od pojedinačnih pacijenata, kreiramo personalizovani kompjuterski model svakog pacijenta i predviđamo funkciju hodanja svakog pacijenta nakon operacije imajući u vidu znanje o primenjenim hirurškim odlukama. Kada budemo mogli da uporedimo svaki podataka o postoperativnom hodanju pacijenta, bićemo spremni da informišemo o stvarnom hirurškom planiranju sa ciljem maksimiziranja funkcije hodanja nakon operacije svakog pacijenta.“
Alat za računarsku simulaciju pod nazivom HeartFlov se već koristi klinički za određivanje optimalnog postavljanja stenta za pacijente koji su podvrgnuti srčanim procedurama.
„HeartFlov kombinuje skeniranje relevantne anatomije pacijenta sa računarskim modelom dinamike fluida koji simulira protok krvi kroz arterije u srcu“, rekao je Fregli. „Lekari ga mogu koristiti za testiranje različitih veličina i položaja stenta kako bi utvrdili šta bi najbolje funkcionisalo za pacijenta. Nadamo se da će NMSM Pipeline na kraju biti korišćen na sličan način da informiše dizajn tretmana za poremećaje kretanja.“
Da bi podstakli istraživačku zajednicu da koristi softver, Fregli i njegov tim vode četvorogodišnje takmičenje na godišnjoj konferenciji Američkog društva za biomehaniku. Takmičenje će izazvati istraživače da razviju personalizovane tretmane koji poboljšavaju funkciju hodanja za četiri osobe koje su imale moždani udar.
„Svake godine ćemo istraživačima pružiti opsežne eksperimentalne podatke o hodanju iz različitih pojedinačnih nakon moždanog udara kako bi mogli da konstruišu personalizovani model svakog pojedinca i da ga koriste za dizajniranje personalizovanog tretmana kompjuterski“, rekao je Fregli.
„Mogli bi da pokušaju da ojačaju određene mišiće, ili da nokautiraju određene mišiće botoksom, ili da modifikuju strategiju neuronske kontrole, ili da treniraju sa trakom za trčanje sa podeljenim pojasom ili robotom za rehabilitaciju, ili da dizajniraju egzoskelet – koji god tretman žele da istraže, mogu ga simulirati . Cilj je omogućiti pojedincu koji se modelira da hoda normalnom brzinom uz normalan pokret.“
