OMEGA : Optimization-based forward musculoskeletal simulation of pathological gait

Date : 01/04/2017 - 30/04/2021


Project introduction


English:
Knowledge of the motion and loading of the human body and its parts is essential in many fields of human medicine and in particular in orthopedic and trauma surgery. Modern numerical methods have advanced to the point that they are useful for estimating forces in the relevant structures based on a priori knowledge motion and external loading. However, their general usefulness is limited by their inability to predict motion and loading in response to changes in the body caused by disease or as a result of applying a given therapy to treat a disease. The aim of this project is to develop a new generation of forward simulator, based on the computation of most optimal motions, with the promise of predicting and thus improving therapeutic strategies for individual patients. Such simulator will help moving medicine away from a purely empirical approach which relies on the evolution of therapies based on evidence alone, to a point where guiding and predicting therapies is possible. Powerful recently developed methods of forward i.e. predictive simulation, which have to date been developed primarily for the representation of autonomous human-like motion in the entertainment and gaming industry, will be applied in a medical context. An innovative forward musculoskeletal simulator will be developed and implemented for this purpose. Although the simulator could in the future be applied to a wide range of musculoskeletal disorders it will first be tested and further evolved in three specially selected clinical situations: knee and ankle bracing, drop-foot pathology, and above knee amputees fitted with a microprocessor-controlled knee-prosthesis. These three clinical situations were chosen because they are well characterized, treatments modalities can be altered non-invasively without undue risk to the patients, and sufficient numbers of patients are available. Although relatively simple, each of these pathologies represents a serious reduction in quality of life for the affected patients, and general improvements in treatment approaches and in particular the adaptation of treatment modalities to the needs of individual patients will have a serious impact on quality of life but also on the economic costs associated with treatments. In all three cases a framework will be developed in the context of a clinical gait analysis laboratory, validated and further developed by using a combination of direct kinematic and kinetic measurements and inverse dynamic simulations as ground-truth data obtained from respective patient collectives. One of the most obvious area of future application of the predictive capabilities of FMS is the treatment of advanced OA of the hip and knee, i.e. total hip (THA) and total knee arthroplasty (TKA). The cost of these procedures represents a significant and increasing economic challenge. Thus, the OECD reports that the growing volume of hip and knee replacement will continue to contribute to health expenditure growth as these are expensive interventions. This is a further indication of the significance of the basic-research to be performed in this project and demonstrates a major medical and economic impact: improving the treatment of, and providing powerful new methods for predicting the outcome of treatments in many contexts related to musculoskeletal diseases.

Français:
La connaissance du mouvement et des forces internes au corps humain est essentielle dans de nombreux domaines de la médecine de l’Homme et en particulier en chirurgie orthopédique et traumatologique. Les méthodes numériques modernes ont progressées à un point où elles peuvent être utilisées pour estimer les forces à l’intérieur des structures du corps et ce à partir d’un mouvement et de charges externes enregistrés. Toutefois, leurs utilités générales sont limitées par leur incapacité à prédire un mouvement et des charges internes en réponse à des changements provoquées par une maladie ou par suite de l'application d'un traitement administré pour traiter une maladie. Le but de ce projet est de développer une nouvelle génération de simulateur prédictif, basé sur le calcul de mouvements optimaux, avec la promesse de pouvoir prévoir et donc améliorer les stratégies thérapeutiques spécifiques à un patient. Notre simulateur proposera des moyens numériques permettant de guider et de prédire des thérapies, et pourra servir d’aide aux approches empiriques actuelles qui s’appuient sur l'évolution des thérapies en fonction de données mesurées. Des méthodes de simulation directe efficaces récemment développées, qui ont à ce jour été développées principalement pour la représentation du mouvement autonome humain dans l'industrie du divertissement et des jeux, seront appliquées dans un contexte médical. Un simulateur musculo-squelettique prédictif innovant sera élaboré et mis en oeuvre à cet effet. Bien que le simulateur pourrait à l'avenir être appliqué à un large éventail de troubles musculo-squelettiques, il sera d'abord testé dans trois situations cliniques spécialement sélectionnées: genou et cheville contraints, pathologie du pied tombant, et amputation trans-fémorale équipée d'une prothèse contrôlée par microprocesseur. Ces trois situations cliniques ont été choisies car elles sont bien caractérisées, les modalités de traitement peuvent être modifiées de manière non invasive et sans risque pour les patients, et un nombre suffisant de patients est disponible. Bien que relativement simple, chacune de ces pathologies représente une réduction sérieuse de la qualité de vie chez les patients touchés. Des améliorations dans le traitement et en particulier dans l’adaptabilité des modalités de traitement aux besoins individuels des patients auront un impact important sur leur qualité de vie mais aussi sur les coûts associés aux traitements. Dans les trois scénarios, une plateforme spécifique sera élaborée en environnement clinique, et validée en utilisant une combinaison de mesures cinématiques et cinétiques ainsi que des simulations dynamiques inverses servant de références et collectées sur des patients. L’une des applications futures des capacités prédictives du simulateur la plus évidente est le traitement de l'arthrose avancée de la hanche et du genou, c’est-à-dire arthroplastie totale de la hanche (THA) et du genou (TKA). Le coût de ces procédures représente un enjeu économique important et en pleine croissance. L'OECD signale que le nombre croissant de remplacements de la hanche et du genou continuera à contribuer à la croissance des dépenses de santé mondiale étant donné que ce sont des interventions coûteuses. C’est une autre indication de l'importance de la recherche qui sera effectuée dans ce projet et cela met en évidence son impact médical et économique: améliorer le traitement et fournir des méthodes nouvelles et efficaces pour prédire le résultat de traitements dans de nombreux cas liés aux troubles musculo-squelettiques.


Consortium


Université Claude Bernard Lyon 1 - LIRIS (France)
  • Nicolas Pronost, Associate Professor
  • Saida Bouakaz, Professor
  • Thomas Bonis, PhD candidate
  • Samuel Carensac, Research Engineer
  • Nicolas Desilets, MSc student
  • Anna-Katharina Bergmann, MSc student
  • Cong-Lap Huynh, MSc student
Medizinische Hochschule Hannover - Labor für Biomechanik und Biomaterialien (Germany)

Publications and communications

  • Santos, G.F., Jakubowitz, E., Pronost, N., Bonis, T., Hurschler, C., 2021. Predicting the effects of knee extensor muscle weakening and strengthening on a post-stroke gait. [Conference presentation]. ISB 2021, Stockholm, Sweden.
  • Bonis, T., Pronost, N., Bouakaz, S., 2020. Analysis of a predictive forward simulator of human gaits [Conference presentation]. 5th International Conference on Neurorehabilitation (ICNR).
  • Bonis, T., Pronost, N., Bouakaz, S., 2020. Simulation musculo-squelettique, temps-réel et prédictive de marches pathologiques. [Conference presentation]. Journées du Groupe de Travail Animation et Simulation (GTAS).
  • Bonis, T., Pronost, N., Bouakaz, S., 2018. Analyse de sensibilité d’un simulateur de locomotion basé physique. [Conference presentation]. Journées du Groupe de Travail Animation et Simulation (GTAS).
  • Etude de stratégies d’optimisation pour la prédiction de mouvement de personnages virtuels. Nicolas Desilets. Master thesis in Computer Science, University Claude Bernard Lyon 1. September 2020.
  • Etude de stratégies de contact pour l'animation physique de personnages virtuels. Cong-Lap Huynh. Master thesis in Computer Science, University Claude Bernard Lyon 1. September 2019.
  • Predictive simulation of virtual characters’ motion using a muscle model. Anna-Katharina Bergmann. Master thesis in Computer Science, University Claude Bernard Lyon 1. September 2017.

Contact


If you have any questions regarding the OMEGA project, please contact Nicolas Pronost.