新软件设计针对运动障碍的优化个性化治疗

莱斯大学工程师团队推出了首款此类开源软件，该软件构建并使用个性化计算机模型来了解个体患者如何移动，以优化神经系统和骨科活动障碍的治疗。

在国立卫生研究院的资助下， BJ Fregly 和Rice 计算神经力学实验室的合作者 开发的神经肌肉骨骼建模 (NMSM) Pipeline软件 现已可供希望利用计算机辅助工程进行临床的临床医生/工程师团队使用治疗设计。

该软件可用于设计骨科手术计划、神经康复干预、物理治疗方案和假肢装置，最大限度地恢复因中风、骨关节炎、脑瘫、帕金森病、脊髓损伤、创伤性脑损伤引起的运动障碍患者的功能丧失、截肢甚至某些形式的癌症。

“计算机辅助工程 (CAE) 软件在 20 世纪 90 年代彻底改变了飞机、汽车和工业设备的设计，”机械工程和生物工程教授、CPRIT 癌症研究学者 Fregly说道。“那段时间，当我在工业界担任 CAE 软件开发人员时，我一直在想，需要有人这样做来设计运动障碍的治疗方法。”

经过多年的开发，NMSM Pipeline 以现有软件为基础 ，用于建模、模拟和分析肌肉骨骼系统，使其可用于临床治疗设计。

“我们的软件可以使用患者治疗前的运动数据轻松创建患者神经肌肉骨骼系统的个性化计算机模型，然后使用该模型来预测——甚至优化——临床医生设计的各种治疗设计的患者功能结果想要探索，”弗莱格利说。“对于临床实用性，您需要这两件事——模型个性化和治疗优化。

“与工程师合作的临床医生可以使用我们的软件做出明确、客观的预测，而不是依赖于对患者治疗后功能的隐式、主观预测，这不仅可以消除无效或有害的治疗，还可以产生高效的不可预见的治疗。 ”

基于物理的软件集成了几种不同的生理模型，包括中枢神经系统(CNS)控制、肌肉力量生成和代谢能量消耗模型。

“中枢神经系统如何协调肌肉活动的模型是基于对人体运动期间收集的肌电图(肌肉电活动)数据的分析，”弗莱格利说。“中枢神经系统似乎不是单独控制大量肌肉，而是控制少数称为‘协同作用’的协调肌肉群。

“真正有趣的是，如果你分析肌电图 数据，你会发现——与健康人相比——中风的人往往具有较少的可用于构建肌肉激活的协同作用。您可能会说，由于中风，他们失去了一两个神经控制构件，这意味着他们无法产生相同的信号来控制肌肉，因此他们也无法移动。

“中风康复的挑战之一是，你能否找到训练人们大脑的方法，以便帮助他们恢复失去的协同作用?我们认为我们可以预测如何做到这一点。我们还没有达到那个目标，但我们已经很接近了。”

利用个体中风后以每秒 0.5 米的速度行走的数据，Fregly 的团队对受试者如何以每秒 0.8 米的最快舒适速度行走做出了三种不同的预测。

“一个预测假设我们有扭矩 执行器，就像机器人一样，控制下半身关节，所以没有肌肉，”弗莱格利说。“第二个预测假设我们有肌肉执行器，但所有肌肉都是独立控制的。第三个预测还假设我们有肌肉执行器，但现在所有肌肉都是通过少量协同作用来控制的。

“随着我们的模型从扭矩控制转向个体肌肉控制，再到协同控制，它在生理上变得更加现实和个性化。有趣的是，最符合生理学的方法——使用协同控制——也能最准确地预测受试者如何以最快的舒适速度行走。这就像魔法一样。”

盆腔癌手术是 NMSM Pipeline 可以帮助指导治疗决策的另一个临床例子。

“对于盆腔癌患者来说，你不能采用千篇一律的手术治疗方法，”弗莱格利说。“通常，患者会失去髋关节。对于某些患者来说，最好的手术选择可能是植入定制假体来替代失去的骨骼和髋关节功能，而其他患者可能会从不替代移除的骨骼和髋关节的手术选择中受益更多。

“对于这两种选择，我们已经从各个患者那里收集了术前步行数据，为每个患者创建了个性化的计算机模型，并根据所实施的手术决策来预测每个患者的术后步行功能。一旦我们能够紧密匹配每位患者的术后步行数据，我们就可以为实际的手术计划提供信息，以最大限度地提高每位患者的术后步行功能。”