Un chercheur en biomécanique de l’USD s’attaque à tout, de la rééducation du LCA aux exosquelettes

29 novembre 2023

Cet article payant est parrainé par l’Université du Dakota du Sud.

N’importe quel jour, Lisa MacFadden, Ph.D., directrice de la recherche en biomécanique à l’Université du Dakota du Sud, peut se retrouver à imprimer en 3D une pièce pour une prothèse, à écrire un code informatique qui mesure différentes forces sur le corps humain ou à analyser les mouvements. capturer des images du swing d’un golfeur.

Ses recherches jouent un rôle essentiel dans la compréhension des complexités du mouvement humain. Explorer la manière dont le corps humain bouge, fonctionne et réagit aux forces peut aider à optimiser les performances, à réduire le risque de blessure et à faciliter la rééducation.

MacFadden, qui est également professeur de pratique au département de génie biomédical de l’USD College of Arts & Sciences, travaille sur des projets de recherche en biomécanique avec des étudiants et des professeurs dans son propre domaine ainsi que dans des disciplines telles que la médecine, la kinésiologie, les sciences physiques et professionnelles. thérapie, psychologie des facteurs humains et informatique.

Ce programme de recherche interdisciplinaire convient à l’approche de MacFadden en matière de découverte scientifique.

« Ce que j’aime dans la biomécanique, c’est qu’elle est multidisciplinaire et multiforme », a-t-elle déclaré. « Cela fonctionne vraiment mieux lorsque vous disposez de cet environnement d’équipe. Chacun apporte des points de vue différents et chacun vit des expériences différentes.

MacFadden a rejoint le département de génie biomédical de l’USD en tant que membre du corps professoral à temps plein au début de cette année après avoir été professeur adjoint en génie biomédical, en kinésiologie et en gestion du sport à la Sanford School of Medicine pendant six ans. Pendant cette période, MacFadden était directrice du Sanford Sports Science Institute à Sioux Falls, ajoutant le titre de directrice d’entreprise de l’ingénierie et des sciences appliquées au cours de ses deux dernières années au sein de l’organisation.

Alors que la plupart des étudiants avec lesquels elle travaille étudient à la faculté de médecine ou au département de génie biomédical, les étudiants de l’USD s’intéressant au mouvement humain, à la prévention des blessures et à la réadaptation, ainsi qu’aux prothèses, sont également les bienvenus dans le laboratoire de MacFadden, qui se trouve au centre d’enseignement supérieur et de recherche appliquée de l’USD. USD – Sioux Falls.

Ses étudiants représentent les divers aspects de la biomécanique.

“Les ingénieurs biomécaniques sont peut-être très axés sur l’ingénierie des données, mais les aspects de physiothérapie et de kinésiologie s’intéressent ensuite à la qualité du mouvement”, a-t-elle déclaré. « Les étudiants en médecine comprennent les conséquences cliniques et des blessures. »

Au cours de l’été, MacFadden a travaillé avec 12 étudiants sur des projets de recherche, dont beaucoup ont utilisé le laboratoire d’impression 3D du GEAR Center.

D’autres pourraient avoir intérêt à utiliser la réalité augmentée et la technologie de capture de mouvement pour faire des découvertes. Les développements récents en intelligence artificielle ont rendu ce type de recherche technologique plus facilement accessible à MacFadden et à ses étudiants.

Dans le domaine de la technologie de capture de mouvement, l’analyse qui nécessitait autrefois plusieurs caméras filmant un corps en mouvement avec de nombreux marqueurs stratégiquement fixés ne nécessite désormais plus qu’une application et une caméra pour smartphone.

« De nombreuses technologies émergentes qui exploitent l’apprentissage automatique et l’IA et utilisent votre smartphone ou un iPad. Cela nous permet de capturer des données similaires à une fraction du coût. Vous pouvez désormais avoir des séquences de capture de mouvements 3D dans la paume de votre main », a déclaré MacFadden. « La question est de savoir quelle est la qualité de ces données ? C’est un projet sur lequel je travaille avec l’un de nos étudiants en médecine.

MacFadden a récemment collaboré avec l’orthopédiste Dr Nathan Skelley, professeur agrégé à la Sanford School of Medicine et l’un des médecins de l’équipe du département des sports des USD Coyotes. Les deux collègues partagent un intérêt pour l’exploration d’approches innovantes et rentables pour résoudre les défis orthopédiques.

Sous la direction de Skelley et MacFadden, un chercheur en médecine et un étudiant en médecine ont effectué des tests de charge sur l’une des inventions de Skelley : un fixateur externe imprimé en 3D qui stabilise un os cassé. Produit de cette manière, un fixateur personnalisé coûtera une fraction d’un dispositif fabriqué de manière conventionnelle.

En plus de diriger la recherche en biomécanique, MacFadden enseigne aux étudiants du premier cycle et des cycles supérieurs du département de génie biomédical.

“Ce que j’aime vraiment, c’est de pouvoir avoir un impact sur le monde de tant de manières diverses”, a déclaré MacFadden. « Je fais de la recherche tout en enseignant et en encadrant la prochaine génération. Ces personnes pourront utiliser leurs talents, leurs points de vue et leurs idées uniques et les transformer en technologies qui feront la différence.

La prochaine génération

L’un des étudiants de MacFadden qui cherche à faire la différence est Tommy Drazick, un étudiant en médecine de quatrième année qui a également obtenu un diplôme en biologie médicale et en espagnol en 2019 à l’USD.

Membre de l’équipe de natation Coyote lorsqu’il était étudiant de premier cycle, Drazick a déclaré qu’il avait toujours eu un intérêt pour l’anatomie et l’orthopédie et qu’il avait rapidement recherché des activités de recherche au cours de sa première année d’école de médecine pour en apprendre davantage sur le domaine et acquérir une expérience qui l’aiderait à obtenir un résidence dans un domaine notoirement compétitif. Drazick a pu accéder à de nouvelles possibilités de recherche lorsqu’il a rencontré MacFadden, Skelley et un chercheur travaillant dans le domaine de l’impression 3D.

“J’ai été vraiment intéressé et j’ai vu à quel point l’impression 3D était incroyable”, a déclaré Drazick. “Maintenant, je pilote un groupe d’intérêt sur l’impression 3D.”

Le groupe, appelé 3D Printing for Medical Education and Innovative Care, ou 3D MEDIC, est ouvert à tous les étudiants en médecine et se concentre actuellement sur la manière dont l’impression 3D peut bénéficier aux chirurgiens orthopédistes.

Drazick et d’autres étudiants du groupe travaillent avec des chirurgiens de tout l’État, leur offrant leur expertise en matière d’impression 3D. Il a présenté le projet éducatif lors de trois conférences cet été, notamment lors d’une conférence internationale sur l’éducation médicale au Pays de Galles.

« C’est une occasion idéale pour les étudiants d’entrer en contact avec des chirurgiens », a déclaré l’étudiant en médecine.

Ce projet n’aurait pas été possible sans les conseils de MacFadden, a ajouté Drazick.

« Lisa a joué un rôle essentiel dans ma réussite à la faculté de médecine. Elle m’a mis en contact avec au moins cinq chirurgiens. Et même si elle est extrêmement occupée, elle prend toujours le temps de répondre à un appel ou à un SMS Zoom.

Une autre étudiante travaillant sur la recherche avec MacFadden est Shania Rehmudin, qui suit le programme de maîtrise accéléré du département de génie biomédical.

“Franchement, la biomécanique n’a jamais été sur mon radar”, a déclaré Rehmudin. Son intérêt a été éveillé alors qu’elle travaillait avec MacFadden et qu’elle découvrait les capacités de l’utilisation de la technologie de capture de mouvement pour créer des environnements virtuels à des fins telles que la rééducation et la formation.

«J’étais comme une enfant le matin de Noël lorsque j’ai découvert le monde de la réalité virtuelle», a-t-elle déclaré.

Rehmudin en est aux premiers stades du développement d’un projet de recherche qui pourrait, par exemple, aider les physiothérapeutes à travailler avec un patient sur des techniques de flexion et de levage lorsqu’ils pratiquent le mouvement dans le monde virtuel. Elle est cependant ouverte aux nouvelles directions que ses recherches pourraient lui mener.

“Nous allons trouver quelque chose de vraiment cool”, a-t-elle déclaré. « Dr. Lisa est toujours aussi innovante. Elle a toujours de nouvelles idées et j’ai vraiment hâte d’apprendre d’elle.

Grâce à des casques d’écoute et des caméras spéciales récemment acquis, Rehmudin utilisera des méthodes de capture de mouvement sans marqueur pour intégrer les mouvements du corps d’une personne dans une expérience de réalité virtuelle ou augmentée. Les possibilités de cette technologie sont vastes et de grande portée, a-t-elle déclaré.

“Je veux utiliser cette technologie pour aider les masses, pour trouver une solution à un problème que les gens tentent de résoudre.”

Un ancien prend le terrain

Aaron Trunt, diplômé d’une maîtrise ès sciences en 2019 et d’un doctorat. en 2022, est l’un des anciens étudiants de MacFadden qui a appliqué ses recherches et ses expériences en classe à l’USD à son travail de biomécanicien pour les White Sox de Chicago. Il décrit son poste, qu’il a débuté en février, comme une combinaison d’analyse de données et de communication.

“Nous avons un laboratoire de biomécanique où nous enregistrons les mouvements de nos lanceurs et de nos frappeurs et cherchons des moyens de les rendre plus efficaces et, s’ils sont blessés, de revenir plus rapidement sur le terrain et d’éviter de se blesser à nouveau”, a déclaré Trunt. . “Il y a beaucoup d’analyses de données et d’essais pour déterminer quelles informations nous pouvons utiliser du côté de l’entraînement avec les athlètes eux-mêmes, le personnel d’entraînement et le personnel d’entraîneurs.”

Travailler dans une équipe de MLB était depuis longtemps un objectif de Trunt, qui a obtenu son baccalauréat en mathématiques et en kinésiologie de l’Université d’État de Bemidji, dans son État d’origine, le Minnesota, en 2017. Lorsqu’il a fait des recherches sur les programmes d’études supérieures, le programme de génie biomédical de l’USD semblait un bon choix pour sa combinaison de compétences analytiques et d’intérêt pour le mouvement du corps humain.

Sa première année dans le programme a coïncidé avec l’année inaugurale de MacFadden au Sanford Sports Science Institute, et les deux ont immédiatement commencé à travailler ensemble.

“Ils avaient collecté des données biomécaniques sur les golfeurs, et je me suis lancé directement dans le monde de la recherche sans jamais regarder en arrière”, a déclaré Trunt.

Tout en obtenant sa maîtrise et son doctorat. à l’USD, Trunt a également travaillé avec MacFadden au Sanford Sports Science Institute en tant que spécialiste des sciences du sport et ingénieur biomécanique.

L’ancien athlète de trois sports du secondaire a décidé de se concentrer sur la biomécanique des blessures causées par les lanceurs de baseball pour sa thèse de doctorat.

“Les articulations des coudes et des épaules subissent beaucoup de stress sur le terrain”, a déclaré Trunt. En utilisant des modèles de capture de mouvement de lanceurs amateurs et professionnels, son étude visait à obtenir des estimations plus précises des charges exercées sur les articulations.

L’étude de Trunt a comblé une lacune dans les recherches existantes sur les lanceurs de baseball.

« La façon dont nous estimions ces contraintes n’était pas très précise. Une petite erreur dans les estimations de ces charges pourrait conduire à de très grosses erreurs de calcul.

Dans le cadre de son travail actuel avec les White Sox, une nouvelle technologie récemment installée dans tous les stades de la MLB donne aux biomécaniciens comme Trunt encore plus de données sur lesquelles fonder leur prise de décision. Chaque stade comprend désormais 12 caméras vidéo haute résolution à fréquence d’images élevée qui suivent les mouvements du ballon et des joueurs.

« Il y a désormais plus d’informations provenant de la biomécanique du jeu que du laboratoire. Une grande partie de mon travail cette saison consiste à utiliser ces informations », a déclaré Trunt. “Vous ne reproduirez jamais exactement ce que font les joueurs dans un jeu, donc disposer de ces données dans le jeu est bien plus précieux.”

Trunt a déclaré que ses recherches menées en tant qu’étudiant dans le programme de génie biomédical à l’USD lui ont apporté non seulement l’expérience dont il avait besoin pour travailler au plus haut niveau du sport professionnel, mais également une vision personnelle.

« Je ne saurais trop insister sur l’importance d’avoir un projet de recherche qui vous soit propre », a-t-il déclaré. “La quantité de travail nécessaire depuis la formulation de l’idée jusqu’à la publication d’un article est bénéfique pour déterminer qui vous êtes en tant qu’étudiant et comment vous apprenez.”