Mobiililaitteiden biomonitorointi heikossa asemassa olevien nuorten liikalihavuuden ehkäisemiseksi ja hoitamiseksi (KNOWME)

Osa 1: Mobile Software Suiten kehittäminen biomonitorointiin Tässä tutkimuksessa ehdotettu ohjelmistopaketti toteutetaan kolmiportaisella arkkitehtuurilla. Tämän arkkitehtuurin eturintamassa ovat tiedonkeruuanturit yhdistettynä matkapuhelimiin, jotka toimivat tiedonsiirtolaitteena. Keskitaso on verkkopalvelin, joka vastaanottaa ja käsittelee tietoja ja lähettää ne taustatietokantapalvelimelle, joka tallentaa tiedot.

Anturikerros on kokoelma valmiita laitteita, jotka mittaavat metabolista aktiivisuutta. Erityisesti ehdotamme syke-, verenpaine- ja verensokerimittarien käyttöä, joita tällä hetkellä on saatavilla Alive Technologies25:stä. Aineenvaihduntaaktiivisuuden mittaamisen lisäksi kaikki nämä anturit pystyvät myös siirtämään näitä tietoja langattomasti Bluetooth-liitännän kautta. Suosittelemme käyttämään monipuolista Nokia N95:tä matkapuhelinalustana. N95 tukee Bluetooth 2.0 + EDR nopeaa pariliitosta ulkoisten Bluetooth-antureiden kanssa, ja siinä on 3G- ja WiFi-radiot suuren kaistanleveyden tiedonsiirtoon. Kaikki yllä luetellut ulkoiset anturit suoratoistavat tietoja Bluetooth-yhteensopivaan N95-matkapuhelimeen. Suuren kaistanleveyden radioominaisuuksien lisäksi N95-matkapuhelinalustassa on erittäin tarkka sisäänrakennettu avustettu GPS-yksikkö, joka käyttää GPS-satelliittien, matkapuhelintornin ja WiFi-skannauksen yhdistelmää saadakseen GPS-paikannuslukituksen alle 10 sekunnissa. GPS-laitteen ilmoitettu paikannustarkkuus on 30 metriä, kun käytännössä havaittu tarkkuus on noin 3 metriä.

Osa 1a: Testaus ja anturien käyttöönotto kohderyhmissä: Testaamme mobiiliohjelmistomme laajasti yksikkötestauksen avulla. Luomme uudelleen useita käyttöskenaarioita ja ympäristöolosuhteita, joita käyttöönottotestihuoneemme todennäköisesti kohtaa. Yhteensä 50 latinalaisamerikkalaista ja afroamerikkalaista nuorta rekrytoidaan auttamaan teknologian kehittämisessä: 1) 10 nuoren neuvoa-antava ryhmä, 2) 20 nuorta osallistumaan biomonitoreiden laboratoriotesteihin ja 3) 20 nuorta käyttämään biomonitoreja ja tarjoamaan tiedot ja palaute. Neuvoa-antava ryhmä, jossa on 5 afroamerikkalaista ja 5 latinalaisamerikkalaista nuorta, pidetään koko kehitysvaiheen ajan vierailemaan säännöllisesti laboratoriossamme ja testaamaan antureita (50 % naisia, 12–17-vuotiaita). Rekrytoimme erillisen ryhmän 10 afroamerikkalaista ja 10 latinalaisamerikkalaista nuorta (50 % naisia, 12-17-vuotiaita) osallistumaan ideoiden rakentamiseen varmistaaksemme, että anturit ovat houkuttelevia ja puettavia, sekä testaamaan anturien käytettävyyttä. mobiiliohjelmistomme. Käyttöönoton alkuvaiheessa lapsille opetetaan sensorien käyttöä ja irrottamista. Antureiden laboratoriotestausta varten 10 latinalaisamerikkalaista ja 10 afroamerikkalaista nuorta viettävät 3-6 tuntia antureiden päällä ja noudattaen kävely-, istuma-, seisoma- ja erilaisten päivittäisten toimintojen protokollia joko Dr. Spruijt-Metzin fyysisen aktiivisuuden havainnointilaboratoriossa USC HSA:ssa. tai Motion Capture -laboratorioon Viterbi School of Engineeringissä USC:n pääkampuksella. Kun ohjelmiston ja laitteiston on todettu olevan riittävän kestäviä käyttöönottoa varten, teemme alustavan seurantatutkimuksemme 10 afroamerikkalaisen ja 10 latinalaisamerikkalaisen nuoren kanssa (50 % naisia, 12–17-vuotiaita). Lapset käyttävät laitteita kolmen viikon (7 päivän) jakson ajan, minkä jälkeen he osallistuvat lyhyisiin yksilöllisiin haastatteluihin ja tutkimuksiin, joissa selvitetään kulumisen helppous ja löydetään tapoja motivoida ja kannustaa teini-ikäisiä käyttämään antureita. Näiltä kulumisviikoilta kerättyjä tietoja käytetään tutkimuksen jäljellä oleviin data-analyysi- ja verkkoesitysvaiheisiin.

Osa 2: Tiedon talteenotto ja siirto taustapalvelimelle: Ehdotamme t kattavaa mobiiliohjelmistopakettia, jonka avulla matkapuhelin voi yhdistää Bluetoothin langattomien valvontalaitteiden kanssa elintärkeän terveys- ja käyttäytymisdatan keräämiseen sekä sisäänrakennetun ohjelmiston lukemiseen. GPS-tiedot. BodyMedia- ja MemSensse-yksiköt tarjoavat kiihtyvyysmittaustietoja fyysisestä aktiivisuudesta ja unesta. Nämä mittaukset validoidaan fyysisen aktiivisuuden laboratoriossamme Actigraph-kiihtyvyysmittaria (joka on laajalti validoitu nuorten keskuudessa) ja jatkuvaa tarkkailua SOFIT-järjestelmän avulla, joka on 32- ja 33-vuotiaiden nuorten fyysisen aktiivisuuden mittaamisen kultainen standardi. Aikaleimoja käyttämällä Accelerometerin anturidataa voidaan korreloida puetettavista antureista kerättyihin elintoimintotietoihin. Käytämme kaikista näistä antureista kerättyjä tietoja käyttäjän toiminnan luokitteluun automaattisesti. Ohjelmisto luo erityisesti käyttäjäkohtaisia ​​liiketunnisteita ottamaan huomioon erot käyttäjän kävelyssä, kävelyssä/juoksussa/pyöräilynopeudessa, tavallisessa työ- ja kotireitissä jne. Ohjelmisto pystyy käyttämään GPS:n ja kiihtyvyysantureiden yhdistelmää tunnistamaan tiellä ajamisen ja kävelyn väliset erot. Nämä anturitiedot tallennetaan jatkuvasti matkapuhelimen paikalliseen tallennustilaan. Mobiililaitealustassamme on viitteenä 8 Gt:n sisäänrakennettu flash-muisti, jota voidaan käyttää anturitietojen tallentamiseen. Taulukossa 1 on esitetty antureiden likimääräinen tiedonsiirtonopeus. Näiden tiedonsiirtonopeuksien perusteella arvioimme, että 8 Gt:n paikallinen tallennustilamme voi tallentaa noin 1000 päivää dataa.

Vaikka dataa voidaan tallentaa paikallisesti matkapuhelimeen, lähestymistapamme todellinen arvo on se, että nämä mobiililaitteet voivat lähettää anturitiedot mille tahansa etäpalvelimelle matkapuhelimen dataverkon tai jopa WiFin avulla. Matkapuhelimen antureista kerätyt tiedot lähetetään web-palvelimelle käsittelyä varten. Web-palvelin toimii tietojen eheyden hallinnana, joka estää laittoman tiedon lukemisen/kirjoituksen käyttämällä yksinkertaisia ​​todennusmekanismeja, kuten henkilökohtaista todennusta. Web-palvelin käyttää HTTP/SMTP-protokollaa tiedon vastaanottamiseen matkapuhelimista. Web-palvelin tarjoaa myös web-pohjaisen pääsyn tietoihin lääkäreille ympäri maailmaa.

Osa 3: Samanaikainen tietojen analysointi ja tulkinta: Web-palvelin lähettää tiedot taustatietokantapalvelimelle tietojen tallentamista ja jatkoanalyysiä varten. Anturin tiedot ovat todennäköisesti kohinaisia. Siksi tähän tiimiin kokoontuneet vähemmistöpopulaatioiden suunnittelun ja lasten liikalihavuuden asiantuntijat työskentelevät yhdessä luodakseen mukautuvia algoritmeja tärkeiden terveys- ja käyttäytymistietojen tislaamiseksi meluisista antureista. Tällaisten algoritmien kehittäminen mahdollistaa tarkat mittaukset, vaikka yksi anturi ei toimi kunnolla. Lisäksi tutkimme mahdollisuutta seurata, onko lapsella kaikki sensorit oikein.

3a) Verkkokäyttöliittymän ominaisuudet: Mitä, milloin ja missä:

Hankittujen tietojen avulla terveydenhuollon ammattilaiset voivat visualisoida:

• Lapsen keskimääräinen keskimääräinen tai voimakas fyysinen aktiivisuus (päivittäin tai viikoittain) sekä päivittäiset liikuntatavat
• Lapsen omien askelten keskimääräinen määrä (päivittäin tai viikoittain) sekä päivittäiset askeltavat
• Lapsen keskimääräinen istuvan käytöksen määrä päivässä tai viikossa sekä päivittäiset istumiskäyttäytymismallit
• Keskimääräinen stressin tai kiihottumisen taso (päivittäin tai viikoittain) sekä päivittäiset stressimallit
• Kaikki käyttäytymis- ja aineenvaihduntatiedot ovat aikaleimattuja. Siksi harjoittajat voivat nähdä, milloin lapsi on aktiivinen, istuva, stressaantunut tai kokee korkea verensokeri.

Ilmoitusten antaminen: Kokoamamme lääketieteen ammattilaisten neuvoa-antava ryhmä vaikuttaa lopputuotteeseen. Siksi tarjoamme alla lyhyen luettelon esimerkeistä (ei siis tyhjentävä luettelo) ilmoituksista, joita kuvittelemme verkkokäyttöliittymän tarjoavan osallistuville terveydenhuollon ammattilaisille:

• Liikuntasuositukset vaihtelevat 30–90 minuutin keskivaikeasta tai voimakkaasta liikunnasta päivässä ja ovat jossain määrin ikäkohtaisia34. Automaattiset järjestelmäilmoitukset voidaan luoda, kun keskimääräinen päivittäinen fyysinen aktiivisuus kohtalaista voimakkaaseen laskee alle 60 minuutin ja jälleen alle 30 minuutin.
• Päiväsuositukset ovat tällä hetkellä 11 000 - 12 000 askelta päivässä tytöille ja 13 000 - 15 000 askelta päivässä pojille. Automaattiset järjestelmäilmoitukset luodaan, kun lapset eivät ylitä näitä suosituksia. Uusia sekä fyysistä aktiivisuutta että askeleita koskevia suosituksia odotetaan julkistettavan pian35. Alan edistymistä seurataan tarkasti ja otetaan huomioon.
• Tällä hetkellä nuorten tai aikuisten stressille tai kiihottumiselle ei ole olemassa kultastandardeja tai kynnysmittauksia. Firstbeat-teknologiat (http://www.firstbeattechnologies.com/) on kuitenkin työskennellyt stressi- ja palautumisanalyysin kehittämiseksi yhteistyössä useiden stressinmittauksen ja autonomisen hermoston (ANS) toiminnan tutkimusprojektien kanssa soveltaen myös tutkimusta mm. liikuntafysiologian, käyttäytymistieteiden ja soveltavan matematiikan aloilla. Työskentelemme Firstbeatin kanssa selvittääksemme ohjeiden kehittämistä nuorten stressin mittaamiseen ja raja-arvojen määrittämiseen. Aloitamme multimodaalisten signaalinkäsittelyalgoritmien suunnittelun yksilöllisten leikkauspisteiden määrittämiseksi yksittäisille nuorille.

Biomonitorointi interventioiden ja interventiostrategioiden kehittämiseen: Koska lääkärit voivat liittää vuorokaudenajan aineenvaihdunta- ja käyttäytymisindekseihin ja -malleihin, terveydenhuollon ammattilaiset pystyvät paikantamaan syyt ja seuraukset sekä kehittämään kohdennettuja interventiostrategioita. Lisäksi tutkijoille runsaasti aika- ja sijaintileimattua dataa mahdollistaa paljon laajemman ymmärryksen ympäristön ja vuorokaudenajan aineenvaihdunta- ja käyttäytymistapahtumien vaikutuksista.

Osa 4: Käyttäjäystävällisen, verkkokäyttöisen ja suojatun käyttöliittymän kehittäminen terveydenhuollon ammattilaisille: Tämä osa tutkimuksesta on käynnissä ja alkaa projektin alussa. Neuvoa-antava ryhmä, johon kuuluu lastenlääkäreitä, perhelääkäreitä, lasten endokrinologeja, lasten diabeteksen asiantuntijoita, afroamerikkalaisia ​​terveydenhuollon ammattilaisia ​​ja promoottoreita (latinalaisamerikkalaisen yhteisön tukihenkilöitä), kootaan opastamaan meitä verkkokäyttöliittymän kehittämisessä, joka varmistaa, että oikeat tiedot näytetään helposti tulkittavalla tavalla. Neuvoa-antava ryhmä osallistuu säännöllisiin kokouksiin web-käyttöliittymän kehittämiseksi ja testaamiseksi. Projektin alkaessa heidät kutsutaan osallistumaan ideanrakennusistuntoon, jossa kehitetään erityisiä ohjeita verkkokäyttöliittymän kehittämiseen. Idearakennusistunnot ovat yksi nimellisistä ryhmätekniikoista, joita käytetään pienryhmätapaamisten jäsentämiseen siten, että yksittäiset arviot voidaan yhdistää tehokkaasti. Tyypillisesti mukana on neljä vaihetta: 1) hiljainen ideoiden luominen; 2) ideoiden ryhmätallentaminen; 3) ajatusten sarjakeskustelu; ja 4) äänestämällä ideoiden tärkeydestä. Idean kirjoittaminen on erityisen hyödyllistä kehitettäessä yleisiä ideoita tarkemmiksi ideoiksi ryhmävuorovaikutuksen avulla. Tämä on myös nelivaiheinen prosessi: 1) organisoidaan pieniin ryhmiin; 2) ensimmäinen kirjallinen vastaus; 3) kirjallinen vuorovaikutus; ja 4) analyysit ja raportit. Idean kirjoittaminen on houkutteleva tekniikka, koska ryhmä tuottaa kirjallisen tuotteen. Ideanrakennusdatan analyysit sisältävät tallennuksen, transkription ja tiedon tutkimisen esiin nousevien teemojen osalta. Näistä istunnoista saatuja tietoja käytetään useisiin tarkoituksiin: 1) verkkokäyttöliittymän tarjoamien lopullisten tietojen muodon ja sisällön määrittämiseen, 2) ilmoitus- tai hälytysjärjestelmän kehittämiseen tietyille aineenvaihdunta- ja käyttäytymisarvoille, kuten verelle. liian korkea paine tai liian alhainen fyysinen aktiivisuus, kuten edellisessä kappaleessa on käsitelty, 3) määritä tiedoissa tärkeitä polkuja, joita terveydenhuollon ammattilaisten on navigoitava helposti ja 4) varmistaaksesi verkkokäyttöliittymän käyttäjäystävällisyyden, tarkkuuden ja houkuttelevuuden. Ideoita syntyy myös verkkokäyttöliittymän avulla interventioiden kehittämiseksi kohderyhmille välittömästi ja tulevaisuudessa.