计算机成像途径防止运动员受伤和提高成绩

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2023 Feb. 08

澳大利亚篮球运动员麦迪森·罗奇(Maddison Rocci)一动不动地站在一个电影制片厂里，100多台摄像机对准了她身体的每个部位。她站在那里，张开双臂，看着百叶窗咔哒一声关上。镜头背后是一组通常与好莱坞导演合作的电影制作人。然而，今天他们正在与科学家合作。

一旦摄像机安静下来，格里菲斯大学生物医学和康复工程中心(GCORE)的生物力学工程师和软件程序员团队以及Myriad Studios和Naughty Monkey的电影动画师使用数据创建了罗奇的数字双胞胎，从内到外复制了她的解剖结构。

这就是“数字运动员”。它使用3D身体扫描、核磁共振成像和运动捕捉数据，在Rocci的日常表演环境中，给出身体形状、骨骼、关节、肌肉和其他软组织的详细表示。科学家们现在可以看到她跑步、跳跃、扭转、转弯和射击时的身体内部情况。她的肌肉和关节受到的压力被捕捉下来，这些数据有助于教练设计更好的训练程序，或调整技术。

例如，教练可以实时检查罗奇(或任何运动员)在做侧步时的动作，这是一种常见的动作，也是导致膝盖前交叉韧带损伤的原因。这些信息是即时和个性化的，这是至关重要的，因为每个运动员都会因为他们独特的生理机能而经历不同的压力。

维持健康和/或修复关节组织需要“理想的”负荷和组织应变。最近的研究表明，这种“生物反馈”可以通过将患者的个性化数字双胞胎和动作捕捉与无线可穿戴设备相结合来实现。这种个性化的数字双胞胎将动作分解成更小的、可预测的动作，并与神经肌肉骨骼刚体模型、实时代码优化和人工智能(AI)或机器学习方法一起工作。

最近的工作还表明，实验室质量的生物力学测量和建模甚至可以在实验室之外实现，只需少量的可穿戴传感器或计算机视觉方法。预计在不久的将来，这种技术就会出现商业化的、价格合理的版本。

在现实世界中，非侵入性和准确地实时预测内部组织负荷的能力一直被认为是生物力学家的圣杯。随着这项技术的发展，可以想象，训练和康复可能很快就会由基于任何人肌肉骨骼系统数字双胞胎的生物反馈系统指导。

实时视觉生物反馈使人们能够根据自己的先天解决方案或教练的指导，根据需要调整膝盖和臀部的运动。重要的是，当患者有效地改变他们的运动时，他们的髋关节疼痛和功能就会得到临床意义上的改善。

优化运动员的表现是一回事。以这种方式创建数字双胞胎还有其他潜在的应用，包括军队和残疾人。这可以用于预防军队中常见的肌肉骨骼损伤，以及脊髓损伤患者的神经康复。

一个名为BioSpine的完整集成系统目前正在进行基于增强现实的训练试验，使脊髓受伤的人能够在一个元宇宙中行走，或者在沉浸式增强现实环境中通过肌肉电刺激和运动辅助进行实际的物理骑行。随着技术的发展，这项技术有可能帮助四肢瘫痪和截瘫患者再次“行走”。

作者希望感谢Duncan Jones和Myriad Studios对这项研究的重要贡献。