OpenSim Enhancements to Enable Computational Design of Personalized Treatments for Movement Impairments

OpenSim 增强功能可实现针对运动障碍的个性化治疗的计算设计

基本信息

  • 批准号:
    10297893
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 62.51万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-09-06 至 2025-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Abstract Osteoarthritis, stroke, spinal cord injury, traumatic brain injury, and amputation affect roughly 19% of the U.S. adult population, with osteoarthritis and stroke being leading causes of serious long-term disability in adults worldwide. Along with other conditions such as cerebral palsy, Parkinson's disease, and orthopedic cancer, these conditions often significantly impair movement, resulting in substantial societal costs, an increased risk of other serious health conditions (e.g., heart disease and diabetes), a reduction or even loss of independence, and a decreased quality of life. Despite the significance of the problem and the uniqueness of each patient, treatment design for movement impairments has not progressed substantially beyond off-the-shelf interventions selected based on subjective clinical judgment. If affected individuals are to recover the most function possible, a paradigm shift is needed toward personalized interventions designed using objective evidence-based methods. This project seeks to develop innovative software technology that will allow engineers working in collaboration with clinicians to design effective personalized interventions for movement impairments using objective physics-based computer models. The software technology will employ the same computer modeling and simulation methods that have revolutionized the design of airplanes and automobiles over the past 25 years. The proposed software will create a virtual representation of the patient and then apply virtual treatments to the virtual patient to identify the treatment design that is most likely to maximize recovery of lost function. Virtual patient models will obey laws of physics and principles of physiology to reflect how the patient moves before treatment and predict how the patient will move after treatment. To enable fast and easy construction of patient models and optimization of patient functional outcomes, the software technology will be incorporated into the NIH-funded OpenSim software for modeling and simulation of human movement. To support development and adoption of the proposed software, the project will also use the software to design personalized interventions for three individuals post-stroke with impaired, asymmetric walking function. The research team will organize a three-year “Stroke Grand Challenge Competition,” held each year at the same professional conference, to engage the research community in model-based personalized treatment design. An extensive human movement data set will be collected from each subject to be used for constructing a virtual model of the subject. Competing research teams will use the software and the subject's virtual model to design personalized treatments that improve the subject's walking symmetry. In addition, the research team will use the new software to develop its own personalized intervention designs for the same subjects. Any clinically promising interventions identified by either competition participants or the research team will be implemented on the same subjects in a follow-on project to evaluate their efficacy.
抽象的 骨关节炎,中风,脊髓损伤,创伤性脑损伤和截肢影响美国大约19% 成人人口,骨关节炎和中风是成年人严重长期残疾的主要原因 全世界。除其他疾病,例如脑瘫,帕金森氏病和骨科癌, 这些条件通常会大大损害运动,从而导致大量社会成本,增加 其他严重的健康状况(例如心脏病和糖尿病),降低甚至失去独立性, 以及改善的生活质量。尽管问题的重要性和每个患者的独特性,但 运动障碍的治疗设计尚未超过现成的基本进展 根据主观临床法官选择的干预措施。如果受影响的人最恢复 可能的功能,需要进行范式转移,以实现目标设计的个性化干预措施 基于证据的方法。 该项目旨在开发创新的软件技术,以使工程师从事 与临床医生合作,使用使用有效的个性化干预措施,用于使用 基于物理物理的计算机模型。软件技术将采用相同的计算机建模 和模拟方法在过去的25中彻底改变了飞机和汽车的设计 年。提出的软件将创建患者的虚拟表示,然后应用虚拟 对虚拟患者的治疗方法,以识别最有可能最大化丢失恢复的治疗设计 功能。虚拟患者模型将遵守物理和生理学原理,以反映患者的方式 在治疗前移动,并预测患者治疗后如何移动。快速轻松 构建患者模型和患者功能结果的优化,软件技术将是 纳入了NIH资助的OpenSIM软件,用于建模和模拟人类运动。 为了支持提议的软件的开发和采用,该项目还将使用该软件来 为三个人设计个性化干预措施,并具有受损的,不对称的步行功能。 研究小组将每年在 同一个专业会议,使研究社区参与基于模型的个性化治疗 设计。将从每个主题中收集广泛的人类运动数据集以构建 主题的虚拟模型。竞争研究团队将使用该软件和主题的虚拟模型 设计个性化治疗方法以改善受试者的对称性。此外,研究团队 将使用新软件为同一主题开发自己的个性化干预设计。任何 竞争参与者或研究小组确定的临床承诺的干预措施将 在后续项目中对同一主题进行实施,以评估其有效性。

项目成果

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