Les troubles de la fonction neuromusculosquelettique,causés par des affections telles que les accidents vasculaires cérébraux (AVC),l’arthrose,la paralysie cérébrale,la maladie de Parkinson,l’amputation d’un membre,les lésions de la moelle épinière,les traumatismes crâniens et le cancer,sont une cause majeure d’invalidité. Ils touchent environ 1,7 milliard de personnes dans le monde, dont 19 % de la population adulte américaine.

La solution : le pipeline de modélisation neuromusculosquelettique (NMSM)

Des chercheurs ont mis au point un logiciel de conception de traitements qui met en œuvre une nouvelle approche de médecine personnalisée pour résoudre ce problème sociétal crucial. Ce logiciel, appelé Pipeline de modélisation neuromusculosquelettique (NMSM), permet aux chercheurs de travailler en collaboration avec les cliniciens pour construire des modèles informatiques neuromusculosquelettiques personnalisés de patients individuels (c’est-à-dire des jumeaux numériques). Ils peuvent ensuite utiliser ces modèles pour concevoir des interventions chirurgicales orthopédiques,des séances de physiothérapie ou des traitements de neuroréadaptation qui maximisent les résultats fonctionnels de chaque patient. ces travaux ont été récemment publiés dans le Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation.

Le problème des traitements non personnalisés

Des études montrent que les patients sont souvent insatisfaits des interventions chirurgicales orthopédiques, des programmes de physiothérapie ou des interventions de neuroréadaptation conçus à l’aide des approches existantes lorsqu’ils n’atteignent pas le niveau d’amélioration fonctionnelle souhaité, en particulier pour l’exécution d’activités quotidiennes simples.

L’avis d’un expert

Une raison importante de la récupération fonctionnelle sous-optimale est que les méthodes de conception de traitement existantes ne tiennent pas suffisamment compte de la situation clinique unique et des besoins spécifiques de chaque patient.
Benjamin J. Fregly, professeur à l’université Rice

Selon M. fregly, l’objectif était de créer un outil informatique de pointe basé sur la physique et la physiologie qui modéliserait l’anatomie et la physiologie uniques de chaque patient avec une précision suffisante pour prédire la fonction de mouvement post-traitement du patient avec une grande fiabilité. L’outil pourrait alors permettre aux cliniciens de planifier,de développer et de tester un large éventail de traitements potentiels,en identifiant finalement celui qui est le plus susceptible de produire le meilleur résultat fonctionnel pour le patient.

Une approche combinant physique, physiologie et neurosciences

Le système neuromusculosquelettique humain ressemble à un système mécanique bien conçu, ce qui suggère qu’il peut être modélisé à l’aide des lois de la physique associées aux principes de la physiologie et des neurosciences. les technologies informatiques qui ont révolutionné la conception des avions, des automobiles et des équipements lourds au cours des 25 dernières années peuvent également révolutionner la conception des traitements chirurgicaux et de réadaptation pour les troubles du mouvement.

Le pipeline NMSM en détail

L’équipe a mis à profit cette approche d’optimisation de la conception technique éprouvée pour s’appuyer sur la fonctionnalité et la fiabilité d’un progiciel de modélisation musculosquelettique open-source existant appelé OpenSim,développé par des chercheurs de l’université de Stanford. Leur nouveau progiciel open-source basé sur MATLAB, appelé NMSM Pipeline, comprend deux nouveaux ensembles d’outils de pointe : un ensemble d’outils de personnalisation de modèles pour créer des “jumeaux numériques” de patients et un ensemble d’outils d’optimisation de traitements pour effectuer des traitements virtuels sur le jumeau numérique du patient.

Le logiciel est le premier du genre à permettre aux équipes de chercheurs et de cliniciens de personnaliser un large éventail de propriétés anatomiques, physiologiques et neurologiques en fonction des données de mouvement du patient, puis d’utiliser le modèle personnalisé pour concevoir des interventions cliniques réelles.

Les outils de personnalisation et d’optimisation

L’ensemble d’outils de personnalisation de modèles prend en compte l’anatomie, la physiologie et les propriétés de contrôle neuronal uniques de chaque patient pour modéliser ses données de mouvement avant le traitement et l’optimisation numérique afin de personnaliser un modèle informatique musculosquelettique OpenSim.Il représente ainsi la structure articulaire, les propriétés musculotendineuses, le contrôle neuronal et les propriétés de contact pied-sol du patient. En modélisant ces différences de manière fiable, cet ensemble d’outils tient compte de la manière dont les caractéristiques uniques d’un patient devraient affecter la conception de l’intervention clinique du patient.

L’ensemble d’outils d’optimisation du traitement combine le modèle informatique neuromusculosquelettique personnalisé d’un patient avec un autre type d’optimisation numérique pour prédire comment le contrôle neuronal et l’anatomie d’un patient doivent être modifiés, ou comment un dispositif ou un implant externe doit être conçu ou contrôlé pour maximiser la fonction de mouvement du patient après le traitement. Cet ensemble d’outils prometteur permet d’affiner la mise en œuvre des traitements existants ou d’identifier des traitements entièrement nouveaux qui n’ont pas été identifiés auparavant.