Personalized neuromusculoskeletal modeling to improve treatment of mobility impairments: a perspective from European research sites

Mobility impairments due to injury or disease have a significant impact on quality of life. Consequently, development of effective treatments to restore or replace lost function is an important societal challenge. In current clinical practice, a treatment plan is often selected from a standard menu of options rather than customized to the unique characteristics of the patient. Furthermore, the treatment selection process is normally based on subjective clinical experience rather than objective prediction of post-treatment function. The net result is treatment methods that are less effective than desired at restoring lost function. This paper discusses the possible use of personalized neuromusculoskeletal computer models to improve customization, objectivity, and ultimately effectiveness of treatments for mobility impairments. The discussion is based on information gathered from academic and industrial research sites throughout Europe, and both clinical and technical aspects of personalized neuromusculoskeletal modeling are explored. On the clinical front, we discuss the purpose and process of personalized neuromusculoskeletal modeling, the application of personalized models to clinical problems, and gaps in clinical application. On the technical front, we discuss current capabilities of personalized neuromusculoskeletal models along with technical gaps that limit future clinical application. We conclude by summarizing recommendations for future research efforts that would allow personalized neuromusculoskeletal models to make the greatest impact possible on treatment design for mobility impairments

Comparative validation of two patient-specific modelling pipelines for predicting knee joint forces during level walking

Over the past few years, the use of computer models and simulations tailored to the patient's physiology to assist clinical decision-making has increased enormously. While several pipelines to develop personalized models exist, their adoption on a large scale is still limited due to the required niche computational skillset and the lengthy operations required. Novel toolboxes, such as STAPLE, promise to streamline and expedite the development of image-based skeletal lower limb models. STAPLE-generated models can be rapidly generated, with minimal user input, and present similar joint kinematics and kinetics compared to models developed employing the established INSIGNEO pipeline. Yet, it is unclear how much the observed discrepancies scale up and affect joint contact force predictions. In this study, we compared image-based musculoskeletal models developed (i) with the INSIGNEO pipeline and (ii) with a semi-automated pipeline that combines STAPLE and nmsBuilder, and assessed their accuracy against experimental implant data. Our results showed that both pipelines predicted similar total knee joint contact forces between one another in terms of profiles and average values, characterized by a moderately high level of agreement with the experimental data. Nonetheless, the Student t-test revealed statistically significant differences between both pipelines. Of note, the STAPLE-based pipeline required considerably less time than the INSIGNEO pipeline to generate a musculoskeletal model (i.e., 60 vs 160 min). This is likely to open up opportunities for the use of personalized musculoskeletal models in clinical practice, where time is of the essence

Spondylolisthésis, morphologie et orientation sacro-pelviennes chez une population de jeunes gymnastes

De multiples études ont rapporté une prévalence augmentée de spondylolyse et de spondylolisthésis chez certains groupes d’athlètes, en particulier les gymnastes, pouvant atteindre jusqu’à 40 à 50%. À cela s’ajoute le fait que plusieurs études récentes ont démontré une association entre le spondylolisthésis et une morphologie et orientation sacro-pelviennes déviante de la normale. La morphologie et l’orientation sacro-pelviennes chez les gymnastes ainsi que leur relation avec le spondylolisthésis n’ont jamais été analysées. L’objectif de cette étude était donc d’évaluer la prévalence du spondylolithésis au sein d’une cohorte de gymnastes ainsi que les caractéristiques démographiques et paramètres de morphologie et orientation sacro-pelviennes associés. Afin d’atteindre cet objectif, une évaluation des caractéristiques démographiques et des paramètres radiologiques d’une cohorte de 92 jeunes gymnastes a été menée. Les deux études présentées ont démontré une prévalence de spondylolisthésis chez les jeunes gymnastes de 6.5%, similaire à celle retrouvée dans la population générale. Le nombre d’heures d’entraînement hebdomadaire a été le seul facteur statistiquement différents entre les gymnastes avec et ceux sans spondylolisthésis. Nos résultats ont aussi démontré que les gymnastes atteints d’un spondylolisthésis présentent une morphologie et une orientation sacro-pelviennes sagittales différentes, en terme d’incidence pelvienne (p = 0.02) et d’angle de table sacrée (p = 0.036), de celles des gymnastes sans spondylolisthésis. Nos observations supportent donc l’importance du rôle de la morphologie et de l’orientation sacro-pelviennes dans le développement du spondylolisthésis.Multiple studies have reported an increased prevalence of spondylolysis and spondylolisthesis in certain groups of athletes, including gymnasts, where it can reach as high as 40 to 50%. Numerous studies have shown that sagittal sacro-pelvic morphology and orientation is different in spondylolisthesis. Sacro-pelvic morphology and orientation in gymnasts and their relationship with spondylolisthesis have never been analyzed. The purpose of this study was to evaluate the prevalence of spondylolisthesis in a cohort of gymnasts, as well as the associated demographic characteristics and sacro-pelvic morphology and orientation. In order to achieve our goal, an evaluation of different demographic characteristics and radiological parameters was performed on a cohort of 92 young gymnasts. A 6.5 % prevalence of spondylolisthesis was found. The weekly training schedule was the only statistically significant different demographic characteristic between the two groups, with and without spondylolisthesis. Our results have also shown that sagittal sacro-pelvic morphology and orientation, in terms of pelvic incidence (p = 0.02) and sacral table angle (p = 0.036), is different between gymnasts with and without spondylolisthesis. In conclusion, our observations support the importance of sacro-pelvic morphology and orientation in spondylolisthesis

Tibiofemoral contact areas and contact forces in healthy and osteoarthritic subjects

Knee osteoarthritis (OA) is a common type of musculoskeletal disability, particularly among the elderly population. Excessive contact forces on the joint, or on specific parts of it (e.g. medial compartment), or shifting the contact forces to the regions that are not adapted to loading are the mechanical factors which can trigger OA. Therefore, it is crucial to understand the differences of these mechanical parameters in OA subjects with respect to the healthy ones. The aim of this study was to the compare the tibiofemoral contact point locations and the contact forces in OA and healthy subjects and examine if the contact point locations influence the contact force sharing in both groups. The tibiofemoral contact point locations in 10 healthy and 9 osteoarthritic (OA) subjects during a weight-bearing squat was measured using stand-alone biplane X-ray images. A manual multiple view 3D reconstruction/registration method was used to reconstruct the bones in different squat postures from the biplane radiographs and a weighted center of bone-to-bone proximity was applied to estimate the contact point locations. Results showed that the contact point locations of the OA subjects on the medial and lateral compartments were shifted medially compared to the healthy group. In both groups, contact points showed a posterior excursion on the medial compartment and posterior and lateral excursions on the lateral compartment, where the excursion on the lateral compartment was smaller in OA subjects. To estimate the tibiofemoral contact forces, a custom musculoskeletal model of the lower limb with the integration of personalized contact points was provided to estimate contact forces at subject-specific contact points during gait. The tibiofemoral joint model was reformulated so that the constraints of the joint were formed by the superimposition of the personalized tibial and femoral contact points. The suggested constraints are adaptable to the contact points derived from the classical joint models or those experimentally measured from the 3D imaging techniques. The estimated contact forces estimated using the personalized contact points were compared to those estimated from the classical knee joint models in 10 healthy subjects. Results showed that the impact of personalization of contact points on the contact forces is very variable among the subjects and the shifts of the contact points alone cannot predict the distribution of contact forces in the medial and lateral compartments. To evaluate the contribution of contact point locations to the contact force distribution the musculoskeletal model of the lower limb with the personalized contact point trajectories were used to estimate the medial and lateral contact forces of 10 healthy and 12 OA subjects. The contact forces in healthy subjects were slightly higher compared to the OA subjects. However, no statistically significant difference was noted in the peaks of medial, lateral or total contact forces. The regression analysis results showed that the knee adduction moment and knee flexion moment were the main contributors to the medial-to-total contact force ratio (MR) in both groups. From the components of the contact point location, the medial contact point location in medial/lateral direction had a significant contribution to the MR in OA subjects. This study showed that the mechanism of load distribution was different in OA joints where contrary to the healthy ones the contact point location was a significant contributor to MR. In addition, the knee flexion moment had a higher contribution to MR than the knee adduction moment whereas in healthy subjects the knee adduction moment was the most significant contributor to the MR

Conception d'une méthode standardisée pour évaluer la flexibilité de la colonne vertébrale

La planification de l'instmmentation de la scoliose idiopathique est basée principalement sur la flexibilité rachidienne. Cependant, aucun test conventionnel n'évalue réellement la flexibilité du rachis, puisque les forces impliquées dans la réduction des courbes scoliotiques ne sont pas considérées. L'objectif principal est donc de développer une méthode standardisée afin de mesurer la flexibilité de la colonne vertébrale in vivo. Les objectifs secondaires sont de développer une méthode permettant de connaître les forces externes appliquées sur le patient lors du test, développer un protocole de test standardisé et comparer la mobilité intervertébrale obtenue à l'aide de la nouvelle méthode avec celle acquise lors du test d'inflexion latérale maximale volontaire. La méthodologie a été basée sur les principes d'ingénierie de conception pour la qualité. Deux concepts prometteurs ont été retenus suite au remue-méninge, la suspension et l'hyper-extension en décubitus dorsal. Chaque concept a été comparé, suite à une étude clinique, au test conventionnel d'inflexion latérale maximal volontaire en ce qui conceme la réduction des angles de Cobb et la dérotation de la vertèbre apicale. De plus, les forces en jeu ont été évaluées pour ces deux concepts, ce qui a permis de calculer des indices de flexibilité dans les deux cas. Ensuite, le concept de suspension et d'hyper-extension ont été comparées entre eux, par l'intermédiaire d'un barème d'évaluation, afin de retenir la solution la plus prometteuse. Le concept retenu est la suspension. La réduction moyenne des courbes [26'^ (39%)] est similaire à celle obtenue avec le test d'inflexion latérale [21° (37%)]. Toutefois, la dérotation de la vertèbre apicale [7° (28%)] est nettement supérieure [3° (12%)]. Les indices de flexibilité (1,64°/Nm pour le plan frontal et 0,51°/Nm pour le plan axial) sont en accord avec les résultats obtenus lors d'études in vitro. Le test de suspension fournit davantage d'information que les tests conventionnels, puisqu'il prend en considération les forces en jeu. Ce test devrait donc être préféré au test d'inflexion latérale. La notion de flexibilité peut aider à améliorer la planification du traitement orthopédique de la scoliose idiopathique par une meilleure connaissance des forces requises dans chaque plan pour corriger les déformations

Estimation des forces de contact fémoro-tibiales lors de la marche : comparaison de trois modèles réductionnistes

La détermination des forces de contact fémoro-tibiales (FCFT) nécessite l'utilisation d'une modélisation biomécanique du membre inférieur. En se focalisant sur la méthode de réduction, trois modèles estimant les FCFT ont été recensés dans la littérature. La présente étude propose de comparer ces trois modèles et de calculer leurs incertitudes pour déterminer le modèle le plus adapté à l'analyse des FCFT lors de la marche. L'estimation des FCFT est basée sur les essais de marche de sept participants asymptomatiques (27.6 (4.3) ans, 1.71 (0.10) m, 73.5 (15.0) kg), marchant à vitesse confortable (4.0 (0.4) km/h) sur un tapis roulant. Les éléments de la modélisation influençant significativement les résultats sont les bras de levier musculaires, l'ajout des gastrocnémiens et le contrôle musculaire. L'incertitude demeure pour chaque modèle inférieure à 10%. Cette étude identifie le modèle de Devita et Hortobayi (2001) comme le plus adapté à l'analyse des FCFT lors de la marche

Développement et validation d’un outil clinique pour l’analyse quantitative de la posture auprès de personnes atteintes d’une scoliose idiopathique

La scoliose idiopathique (SI) est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale et de la cage thoracique à potentiel évolutif pendant la croissance. Cette déformation 3D entraîne des asymétries de la posture. La correction de la posture est un des objectifs du traitement en physiothérapie chez les jeunes atteints d’une SI afin d’éviter la progression de la scoliose, de réduire les déformations morphologiques et leurs impacts sur la qualité de vie. Les outils cliniques actuels ne permettent pas de quantifier globalement les changements de la posture attribuables à la progression de la scoliose ou à l’efficacité des interventions thérapeutiques. L’objectif de cette thèse consiste donc au développement et à la validation d’un nouvel outil clinique permettant l’analyse quantitative de la posture auprès de personnes atteintes d’une SI. Ce projet vise plus spécifiquement à déterminer la fidélité et la validité des indices de posture (IP) de ce nouvel outil clinique et à vérifier leur capacité à détecter des changements entre les positions debout et assise. Suite à une recension de la littérature, 34 IP représentant l’alignement frontal et sagittal des différents segments corporels ont été sélectionnés. L’outil quantitatif clinique d’évaluation de la posture (outil 2D) construit dans ce projet consiste en un logiciel qui permet de calculer les différents IP (mesures angulaires et linéaires). L’interface graphique de cet outil est conviviale et permet de sélectionner interactivement des marqueurs sur les photographies digitales. Afin de vérifier la fidélité et la validité des IP de cet outil, la posture debout de 70 participants âgés entre 10 et 20 ans atteints d'une SI (angle de Cobb: 15º à 60º) a été évaluée à deux occasions par deux physiothérapeutes. Des marqueurs placés sur plusieurs repères anatomiques, ainsi que des points de référence anatomique (yeux, lobes des oreilles, etc.), ont permis de mesurer les IP 2D en utilisant des photographies. Ces mêmes marqueurs et points de référence ont également servi au calcul d’IP 3D obtenus par des reconstructions du tronc avec un système de topographie de surface. Les angles de Cobb frontaux et sagittaux et le déjettement C7-S1 ont été mesurés sur des radiographies. La théorie de la généralisabilité a été utilisée pour déterminer la fidélité et l’erreur standard de la mesure (ESM) des IP de l’outil 2D. Des coefficients de Pearson ont servi à déterminer la validité concomitante des IP du tronc de l’outil 2D avec les IP 3D et les mesures radiographiques correspondantes. Cinquante participants ont été également évalués en position assise « membres inférieurs allongés » pour l’étude comparative de la posture debout et assise. Des tests de t pour échantillons appariés ont été utilisés pour détecter les différences entre les positions debout et assise. Nos résultats indiquent un bon niveau de fidélité pour la majorité des IP de l’outil 2D. La corrélation entre les IP 2D et 3D est bonne pour les épaules, les omoplates, le déjettement C7-S1, les angles de taille, la scoliose thoracique et le bassin. Elle est faible à modérée pour la cyphose thoracique, la lordose lombaire et la scoliose thoraco-lombaire ou lombaire. La corrélation entre les IP 2D et les mesures radiographiques est bonne pour le déjettement C7-S1, la scoliose et la cyphose thoracique. L’outil est suffisamment discriminant pour détecter des différences entre la posture debout et assise pour dix des treize IP. Certaines recommandations spécifiques résultents de ce projet : la hauteur de la caméra devrait être ajustée en fonction de la taille des personnes; la formation des juges est importante pour maximiser la précision de la pose des marqueurs; et des marqueurs montés sur des tiges devraient faciliter l’évaluation des courbures vertébrales sagittales. En conclusion, l’outil développé dans le cadre de cette thèse possède de bonnes propriétés psychométriques et permet une évaluation globale de la posture. Cet outil devrait contribuer à l’amélioration de la pratique clinique en facilitant l’analyse de la posture debout et assise. Cet outil s’avère une alternative clinique pour suivre l’évolution de la scoliose thoracique et diminuer la fréquence des radiographies au cours du suivi de jeunes atteints d’une SI thoracique. Cet outil pourrait aussi être utile pour vérifier l’efficacité des interventions thérapeutiques sur la posture.Idiopathic scoliosis (IS) is characterized by three-dimensional (3D) deformity of the spine and rib cage which can increase during growth. The morphologic changes of the trunk result in posture asymmetries. Correction of posture is an important goal of physiotherapy interventions among persons with IS to prevent scoliosis progression, to reduce morphologic deformities and their impact on quality of life. Currently, there are no tools that globally quantify changes in posture that may be attributable to scoliosis progression or to treatment effectiveness, that are usable in a clinical setting. The objective of this thesis was thus to develop and validate a new clinical quantitative posture assessment tool among persons with IS. More specifically, this project aims to determine reliability and concurrent validity of posture indices (PI) of this new tool and to verify their capacity to detect changes between standing and sitting positions. We conducted a literature review and selected 34 PI representing frontal and sagittal alignment of the different body segments. We constructed a software-based quantitative posture assessment tool to calculate different PI (angular and linear measurements). The software has a user-friendly graphical interface and allows calculation of PI from a set of markers selected interactively on digital photographs. For the reliability and validity studies, standing posture of 70 participants aged 10 to 20 years old with IS (Cobb angle: 15º to 60º) was assessed on two occasions by two physiotherapists. Markers placed on several bony landmarks as well as natural reference points (eyes, ear lobe, etc.) were used to measure the PI from photographs with the 2D tool and to calculate 3D PI obtained from trunk reconstructions with a surface topography system. Frontal and sagittal Cobb angles and trunk list were also calculated on radiographs. The generalizability theory was used to estimate the reliability and standard error of measurement (SEM) of PI of the 2D tool. Pearson correlation coefficients served to estimate concurrent validity of the 2D trunk PI with corresponding 3D PI and with those obtained from radiographs. Fifty participants were assessed for the comparative study between standing and sitting positions. We compared the average values of each PI in standing and long sitting positions using paired t-tests. Our results show a good level of reliability for the majority of PI of the 2D tool. Correlation between 2D and 3D PI was good for shoulder, scapula, trunk list, waist angles, thoracic scoliosis and pelvis but fair to moderate for thoracic kyphosis, lumbar lordosis and thoracolumbar or lumbar scoliosis. The correlation between 2D and radiograph measurements was good for trunk list, thoracic scoliosis and thoracic kyphosis. Our tool can detect differences between standing and sitting posture for ten out of thirteen PI. A few recommendations specific to this work are: camera height should be adjusted according to the subject’s height; training of judges is important to maximize accuracy in placement of markers; and measurement of sagittal vertebral curves may be facilitated by using markers mounted on pins. In conclusion, the tool developed in this thesis has good psychometric properties to evaluate posture. This tool should contribute to clinical practice by facilitating the analysis of standing and sitting posture. This tool may also be a good alternative to monitor thoracic scoliosis progression in a clinical setting and may contribute to a reduction in the use of x-rays in the follow-up of youths with thoracic IS. It may also be useful to verify the effectiveness of therapeutic interventions on posture

Reconstruction 3D personnalisée de la colonne vertébrale à partir d'images radiographiques non-calibrées

Les systèmes de reconstruction stéréo-radiographique 3D -- La colonne vertébrale -- La scoliose idiopathique adolescente -- Évolution des systèmes de reconstruction 3D -- Filtres de rehaussement d'images -- Techniques de segmentation -- Les méthodes de calibrage -- Les méthodes de reconstruction 3D -- Problématique, hypothèses, objectifs et méthode générale -- Three-dimensional reconstruction of the scoliotic spine and pelvis from uncalibrated biplanar X-ray images -- A versatile 3D reconstruction system of the spine and pelvis for clinical assessment of spinal deformities -- Simulation experiments -- Clinical validation -- A three-dimensional retrospective analysis of the evolution of spinal instrumentation for the correction of adolescent idiopathic scoliosis -- Auto-calibrage d'un système à rayons-X à partir de primitives de haut niveau -- Segmentation de la colonne vertébrale -- Approche hiérarchique d'auto-calibrage d'un système d'acquisition à rayons-X -- Personalized 3D reconstruction of the scoliotic spine from hybrid statistical and X-ray image-based models -- Validation protocol