Gepersonaliseerde spierskeletmodellen die recht doen aan de diversiteit van lichamen
In wetenschappelijk onderzoek wordt momenteel gewerkt met spierskeletmodellen die uitgaan van een gemiddelde man. Wetenschappers van TU Delft, faculteit Mechanical Engineering, onderzoeken hoe nauwkeurig deze modellen zijn voor een bredere populatie. Dit kan passende behandeling door artsen en fysiotherapeuten in de weg staan. Ook werken de Delftse onderzoekers aan gepersonaliseerde spierskeletmodellen op basis van een simpele 3D-scan.
Mensen bewegen lang niet altijd optimaal en dit kan tot klachten leiden. Dat kan allerlei oorzaken hebben, van een kruisbandblessure tot motorische problemen na een herseninfarct. Om mensen met een afwijkend beweegpatroon te kunnen helpen worden spierskeletmodellen gebruikt. Deze modellen simuleren de functie van spieren, en de belasting op botten en gewrichten om beweging beter te begrijpen. Dit kan helpen bij revalidatie, door bijvoorbeeld een ander gebruik van de spieren aan te leren.
Afwijkingen tot 20 procent
In een ideale wereld zou je van ieder individu een volledig gepersonaliseerd model hebben. In de medische praktijk is dat niet haalbaar. Het proces is tijdrovend, duur en vraagt om een MRI-scan. Er wordt daarom een gemiddeld model gebruikt en dat wordt vervolgens zo goed mogelijk geschaald naar de lichaamsbouw van een individu. Onderzoek van promovenda Judith Cueto Fernandez en Eline Van der Kruk, universitair docent Biomechanical Engineering, laten zien hoe onnauwkeurig dit kan zijn. “Als je de bestaande aanpak vergelijkt met een volledig gepersonaliseerd model, zie je afwijkingen van 15 tot 20 procent”, zegt Van der Kruk.
Daar hoef je geen uitzonderlijke of afwijkende bouw voor te hebben: ook voor vrouwen schieten bestaande spierskeletmodellen tekort. Hoe dat komt? Het standaard model gaat uit van een skelet van een gemiddelde man. Die afwijking kan problematisch worden als je daar behandelingen op gaat baseren. “Stel je bent herstellende van een kruisbandblessure en hebt een asymmetrische belasting op je knieën”, illustreert Cueto Fernandez. “Dan loop je het risico dat die asymmetrie niet wordt opmerkt, of dat die juist wordt overschat. Dan kun je het effect van de behandeling niet goed meten.”
Eline van der Kruk
Judith Cueto Fernandez
Diversiteit in de wetenschap is essentieel
Er bestaat nog geen generiek model voor vrouwen, maar voor de onderzoekers gaat het om veel meer. “Je wilt een model dat zo goed mogelijk overeenkomt met je lichaamsbouw, dat is nu voor mannen en vrouwen niet het geval”, zegt Van der Kruk. Hoe komt het dat de bestaande modellen nog steeds uitgaan van de gemiddelde man? “Wereldwijd is nog steeds maar 28 procent van de afgestudeerde engineers vrouw en omdat de onderzoeksonderwerpen zo persoonlijk worden gekozen, krijg je vaak van nature meer door mannen gedomineerde onderwerpen”, verklaart ze. “Ook zie je dat de onderzoeksdeelnemers vaker man zijn. Die komen vaak van technische universiteiten zelf en daar zijn nu eenmaal meer mannelijke studenten. Daarnaast zijn er ook meer mannelijke onderzoekers en die vinden het soms een ongemakkelijk idee om een vrouw in een sport-bh in hun lab te hebben, allemaal praktische oorzaken dus.”
De onderzoekers werken nu aan meer representatieve modellen. Deelnemers aan het onderzoek krijgen een full-body MRI-scan en in het lab worden hun bewegingen gevolgd. Met dit onderzoek willen de wetenschappers het makkelijker maken om een gepersonaliseerd spierskeletmodel te genereren. Daarnaast laat het onderzoek de beperkingen zien van het ‘standaard model’. De onderzoekers trainen algoritmes om op basis van lichaamsvorm te kunnen schatten hoe het skelet en de spieren eruitzien. Van der Kruk: “Het einddoel is dat je straks met een 3D-scan van een paar seconden een gepersonaliseerd model kunt maken.”
Geen MRI meer nodig
In de toekomst kan een arts of fysiotherapeut hiermee eenvoudig zelf een model maken om de patiënt beter te kunnen helpen. Daar hoeft dan dus geen MRI scan aan te pas te komen. Volgens Van der Kruk wordt dit ook steeds urgenter: “Door de snelle ontwikkeling van AI-gebaseerde bewegingsanalyses kan je nu bewegingen zelfs met een app op je telefoon registreren. Maar die software is gebaseerd op bestaande modellen en is dus niet betrouwbaar genoeg om te beoordelen wat zich binnenin het lichaam afspeelt en doen dus geen recht de diversiteit aan lichamen en afwijkende beweegpatronen tussen mensen.”
De koppeling met de medisch praktijk is precies waarom Cueto Fernandez haar PhD-onderzoek zo leuk vindt: “Het is heel makkelijk om de concrete toepassing te zien. We werken niet aan een abstract concept dat over twintig jaar misschien een verschil maakt. Als er een beetje vaart inkomt, kan deze technologie de medisch praktijk echt verbeteren.”