Akustické emisní biomarkery pro detekci a monitorování časné kolenní osteoartrózy

Pozadí onemocnění Osteoartritida (OA) je vysoce rozšířený a invalidizující stav, který postihuje více než 7 % lidí na celém světě (528 milionů lidí). Výrazně to omezuje jejich pohyblivost a samostatný životní styl. OA je popisována především ztrátou chrupavky, strukturálními změnami v kosti a zánětem synovie a kloubního pouzdra. Mezi běžné rizikové faktory patří stárnutí, obezita, předchozí poranění kloubů a nadměrné používání. OA trvá několik let, než se vyvine, než pacient navštíví lékaře, když bolest zesílí. V časných stádiích jsou pacienti asymptomatičtí nebo pociťují pouze bolest související s aktivitou. Bolest se v průběhu času stává konstantní s přerušovanými epizodami intenzivní bolesti. V regionech po celém světě se průměrné roční náklady na OA pro jednotlivce odhadují mezi 700 až 15 600 USD (2019). V důsledku toho má OA velký socioekonomický dopad kvůli vysokým lékařským nákladům, předčasným odchodům do důchodu a vysoké absenci v práci.

OA typicky postihuje kyčle, kolena, ruce, nohy a páteř s vysokou prevalencí polyartikulárního postižení. Tato studie se zaměřuje na OA kolena.

Současný standard hodnocení Současný zlatý standard hodnocení závažnosti OA kolena je založen na prosté rentgenografii s použitím klasifikačního systému Kellgren-Lawrence (KL), který byl přijat jako standard Světovou zdravotnickou organizací v roce 1961. Tento systém nehodnotí primárně postiženou tkáň – chrupavku – ale pouze celkový aspekt kloubu. Není proto schopen odhalit časná stadia OA a diagnóza je často stanovena v pozdním stadiu, přičemž kromě endoprotézy kolenního kloubu je jen málo možností léčby.

Alternativní metody hodnocení K nasazení preventivní léčby OA je nutná dřívější diagnostika a zlepšená stratifikace pacientů. Mezi možné možnosti časné diagnostiky patří zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) a biochemické markery. MRI lze použít k posouzení změn v objemu, tloušťce nebo dokonce kvalitě chrupavky, avšak rozšířené použití MRI je omezeno její vysokou cenou, dostupností a absencí ověřeného mezinárodního skóre. V současné době je zkoumáno mnoho biochemických markerů, ale dosud jim chybí specificita pro kloubní tkáně a pro konkrétní klouby a senzitivita a specificita stále nejsou dostatečně vysoké pro široké klinické použití.

V poslední době vzrůstá zájem o akustickou analýzu jako alternativu ke konvenčním biomarkerům, zejména pro kolenní kloub, kde špatně lubrikované pohyblivé kloubní povrchy generují abnormální zvuky, které by akustická analýza mohla odhalit.

Relevantnost projektu Kolenní ortéza inmodi, vyvinutá na ETH Lausanne, je zařízení navržené pro hodnocení zdravotního stavu kolena za pohybu. Jeho základní technologie kombinuje akustické, tepelné a kinematické senzory a analýzu dat založenou na umělé inteligenci (AI) k extrakci relevantních biomarkerů kloubní funkce.

Předběžná data naznačují, že tento kombinovaný přístup může umožnit neinvazivní časnou diagnostiku OA. U koní byla zjištěna silná souvislost mezi stavem kloubu a analyzovanou silou signálů akustické emise (AE). Kombinace dat (akustická data/údaje o pohybu) pravděpodobně obsahuje více informací o funkčním zdraví kolena, ale taková data jsou velmi těžká (výpočetně) a algoritmický přístup jako AI se zdá být nejlepší možností, jak extrahovat smysluplné parametry a zkombinovat je do klinicky užitečných biomarkerů. . Nedávno vyšetřovatelé testovali prototyp kolenní ortézy inmodi u sedmnácti pacientů z kliniky krátce před totální endoprotézou kolene (TKA). Tito pacienti trpěli těžkou OA na operační noze a mírnou až středně těžkou na kontralaterální. Algoritmus strojového učení byl schopen rozlišit stavy nohou se specificitou 0,96 (dokonalé = 1).

Cílem tohoto nového projektu je dále prozkoumat potenciál systému inmodi pro diagnostiku OA v dřívějších fázích. Za tímto účelem vypracují výzkumníci předběžnou referenční databázi v subpopulaci ohrožené rozvojem OA. Identifikace a validace nových biomarkerů pomocí algoritmu AI vyžaduje tréninkovou datovou sadu a testovací datovou sadu, a to jak s potenciálními biomarkery, tak s klinickými výsledky zlatého standardu pro validaci. Tato databáze bude vyžadovat dostatečně velkou velikost vzorku, aby byla statisticky správná, aby se zabránilo statistickému přeplnění.

Neinvazivní diagnostika zdraví kolenního kloubu by měla pomoci identifikovat rizikové pacienty za relativně nízkou cenu a bez radiační zátěže a umožnit provedení preventivních opatření dříve než u standardních radiografických opatření.

Kategorie rizika A (minimální): Zobrazovací postupy obsahují (1) MRI obou kolen, která je neionizující a (2) EOS sken celé nohy s mnohem nižší radiační dávkou konvenčního rentgenu. Dalším postupem je funkční test s inmodi kolenní ortézou obou nohou. Pravděpodobnost, že dojde k biologickému účinku rentgenového záření na buňky, je velmi nízká. Další rizika jsou psychologická, související s „nadměrnou diagnózou screeningu“ nebo klaustrofobním stresem a hlukovým diskomfortem v MRI skeneru. Dále existuje riziko pro soukromí dat, které se vyšetřovatelé snaží minimalizovat dodržováním právních a interních pravidel ochrany dat.