Modelling complex and partially identified engineering problems- Application to the individualised multiscale simulation of the musculoskeletal system

对复杂和部分确定的工程问题进行建模 - 在肌肉骨骼系统的个性化多尺度模拟中的应用

基本信息

  • 批准号:
    EP/K03877X/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 619.2万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2013 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Traditionally, engineering design relies on scale separation. Virtually every physical process involves complex interactions across several space-time scales. For most engineering problems it is assumed that processes at different scales can be represented at the larger scale through some averaged property. However, when such assumptions of scale separation cannot be made, as in the modelling of biological systems where scales overlap, the inherent complexity of multi-scale interaction cannot be avoided. This proposal focuses on the establishment of a currently non-existent but essential computational platform for the treatment of musculoskeletal disorders. A multi-scale process in human physiology can be modelled as a collection of single scale models acting on a specific level of biological organisation coupled together across scales using appropriate scale bridging methods. Several unresolved challenges in the biomedical field have inhibited the development of predictive models needed in personalised medicine including (i) How to link mixed multiphysics models across several space-time scales. (ii) How to replace unobservable (possibly invasive and hence expensive) variables and states using proxy measurements (non invasive) reconstructed from the observable variables. (iii) How to use population data across patient classes or animal proxies to accommodate missing data. (iv) How to model uncertainty and the propagation of this across the simulations. (v) How to achieve these objectives within a framework that can be mapped to other engineering problems.This proposal will tackle each of these challenges with:- the development of a multi-scale model of the musculoskeletal system that describes the mechanobiological processes from the whole body (neuromuscular control and body dynamics) down to the cellular level (bone remodelling and mechanosensing);- the creation of a multi-scale model from a partially identified input obtained by fusing a generic atlas of the anatomy, physiology, biology, and biomechanics for each individual. This framework will be integrated in an efficient hypermodelling approach, numerically optimised at each scale level. Once fully realised, such a multi-scale framework will enable (i) deployment of specialised implementations as decision-support systems for diagnosis, prognosis, and treatment planning and monitoring for specific skeletal diseases such as lower back pain, osteoporosis, bone tumours and secondary metastases and osteoarthritis; (ii) implementation of in silico clinical trials for new orthopaedic and tissue engineering implants, modelling the variability of populations, providing a more accurate pre-clinical assessment for musculoskeletal devices and predicting the clinical outcome of these new devices; (iii) optimised interventions with respect to high socioeconomic impact conditions such as obesity, ageing population, disabilities, and chronic diseases in relation to physical activity, and assistive and rehabilitative technologies for neuromuscular deficits.
传统上,工程设计依赖于尺度分离。事实上,每一个物理过程都涉及跨越多个时空尺度的复杂相互作用。对于大多数工程问题,它是假设在不同的尺度上的过程可以表示在较大的规模通过一些平均属性。然而,当无法做出这种尺度分离的假设时,例如在尺度重叠的生物系统建模中,就无法避免多尺度相互作用的固有复杂性。该提案的重点是建立一个目前不存在但必不可少的计算平台,用于治疗肌肉骨骼疾病。人类生理学中的多尺度过程可以建模为使用适当的尺度桥接方法跨尺度耦合在一起的作用于特定生物组织水平的单尺度模型的集合。生物医学领域的几个未解决的挑战阻碍了个性化医疗所需的预测模型的发展,包括(i)如何将多个时空尺度的混合多物理场模型联系起来。(ii)如何使用从可观察变量重建的代理测量(非侵入性)来替换不可观察(可能是侵入性的,因此是昂贵的)变量和状态。(iii)如何使用跨患者类别或动物代理的群体数据来容纳缺失数据。(iv)如何模拟不确定性及其在模拟中的传播。(v)如何在一个可以映射到其他工程问题的框架内实现这些目标。该提案将通过以下方式应对这些挑战:-开发肌肉骨骼系统的多尺度模型,该模型描述整个身体的机械生物学过程(神经肌肉控制和身体动力学)下降到细胞水平(骨重建和机械传感);- 从通过融合解剖学、生理学、生物学的通用图谱获得的部分识别的输入创建多尺度模型,和生物力学。该框架将被集成到一个高效的超模型方法中,在每个尺度级别上进行数值优化。一旦完全实现,这种多尺度框架将能够(i)部署专门的实施方案,作为诊断、预后和治疗计划的决策支持系统,并监测特定骨骼疾病,例如下背痛、骨质疏松症、骨肿瘤和继发性转移以及骨关节炎; ㈡对新的矫形和组织工程植入物进行计算机临床试验,模拟人口的可变性,为肌肉骨骼器械提供更准确的临床前评估,并预测这些新器械的临床结局;(iii)针对肥胖、人口老龄化、残疾和与体育活动有关的慢性病等社会经济影响大的情况,优化干预措施,以及神经肌肉缺陷的辅助和康复技术。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Effect of Muscle Forces on Femur During Level Walking Using a Virtual Population of Older Women.
使用老年女性的虚拟群体进行水平行走时肌肉力量对股骨的影响。
Evaluating the performance of microstructure generation algorithms for 2-d foam-like representative volume elements
  • DOI:
    10.1016/j.mechmat.2016.04.001
  • 发表时间:
    2016-07-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Alsayednoor, J.;Harrison, P.
  • 通讯作者:
    Harrison, P.
Femoral neck strain prediction during level walking using a combined musculoskeletal and finite element model approach.
  • DOI:
    10.1371/journal.pone.0245121
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Altai Z;Montefiori E;van Veen B;A Paggiosi M;McCloskey EV;Viceconti M;Mazzà C;Li X
  • 通讯作者:
    Li X
Prediction of the strength of human long bone using CT based finite element method
基于CT的有限元法预测人体长骨强度
  • DOI:
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Altai Zainab
  • 通讯作者:
    Altai Zainab
Investigating rolling as mechanism for humeral fractures in non-ambulant infants: a preliminary finite element study.
研究滚动作为非行走婴儿肱骨骨折的机制:初步有限元研究。
  • DOI:
    10.1016/j.crad.2019.08.026
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Altai Z
  • 通讯作者:
    Altai Z
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知道了