Nielun kurkunpään tehokkuuden mallinnus (Eph-L)

Nielemisprosessi on monimutkainen ja vaikea arvioida sen dynaamisen luonteen, asiantuntijoiden ja sen tutkimiseen tarvittavien teknisten keinojen puutteen vuoksi. Näin ollen suurin osa potilaista, joilla on nielemishäiriöitä, ei hyödy mistään erityisestä instrumentaalisesta arvioinnista, joka on silti välttämätöntä erityyppisten häiriöiden diagnosoinnissa. Puutteen ja sen syiden tarkka analyysi mahdollistaa sopeutumis- tai kuntoutusstrategioiden valinnan ohjaamisen, jotta voidaan ehkäistä komplikaatioiden, lähinnä ravitsemusperäisten (aliravitsemus) ja hengitysteiden (keuhkokuume) riskiä. Uusien, helposti saatavilla olevien diagnostisten tekniikoiden kehittäminen parantaisi tämän väestön hoidon saantia. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on kerätä signaaleja nielun kurkunpään toiminnasta viiden non-invasiivisen anturin (mikrofoni, kiihtyvyysanturi, pinta-EMG, nenäkanyyli ja oksimetri) kautta nielemisen toiminnallisen tehokkuuden, alempien hengitysteiden suojauksen ja soittaminen. Nielun ja kurkunpään tehokkuuden mekanismien mallintaminen tekoälyn avulla tarjoaisi automaattisen arvioinnin häiriöistä ja komplikaatioiden ennusteriskistä.

Ensisijainen tavoite: Mallinna 5 ei-invasiivisen anturin signaaleista moniulotteinen nielun ja kurkunpään tehokkuuden asteikko, joka mittaa nielun ja kurkunpään kolmea päätoimintoa: nielemistoiminto (arvioitu nielun kuljetuksen ja kurkunpään sulkemisen perusteella); hengitysteiden suojaustoiminto (arvioitu yskärefleksin ja yskän voiman perusteella); soittotoiminto (arvioituna äänen ja velaarien tehokkuudesta)

Toissijaiset tavoitteet:

• Kehitä diagnostinen malli erilaisista nielemisen fysiopatologisista mekanismeista
• Määritä algoritmi, joka voi ennustaa näiden häiriöiden vakavuuden nielun tehokkuuden indikaattoreiden perusteella
• Määritä algoritmi, joka pystyy ennustamaan nielemishäiriöiden aiheuttamien komplikaatioiden riskin nielun tehokkuuden mallinnuksen (ensisijainen tavoite) ja kliinisten tietojen perusteella

Tutkimuksen suunnittelu: Interventiotutkimus, johon osallistuu potentiaalinen, monikeskinen ja pitkittäinen ihminen, jotta voidaan kehittää nielun ja kurkunpään tehokkuusasteikko, joka mitataan viiden ei-invasiivisen anturin signaaleista. Signaalit kerätään jokaiselta osallistujalta antureiden (mikrofoni, kiihtyvyysanturi, nenäkanyyli, pinta-EMG ja oksimetri) avulla. Näistä signaaleista kehitetään algoritmeja nielun ja kurkunpään tehokkuuden eri indikaattoreiden ennustamiseksi lähtötasotesteillä mitattuna. Tutkimuspopulaatio sisältää potilaita, joilla on nielemishäiriöitä (patologisten signaalimallien tunnistamiseksi) ja terveitä vapaaehtoisia (nielemismekanismien ei-patologisten fysiologisten mallien tunnistamiseksi).

Tutkimukseen otetaan mukaan 440 potilasta (nielemishäiriöistä kärsiviä), jotka jakautuvat 4 keskukseen ja 80 tervettä henkilöä kahdelle keskukselle.

Tutkimusmenettelyt

Potilaille, joilla on nielemishäiriöitä:

Sairaalakäynnin aikana osana hoitopolkuaan kriteerit täyttäville potilaille tarjotaan osallistumista tutkimusprotokollaan. Tämän jälkeen kirjallisen suostumuksensa antaneet koehenkilöt arvioivat nielemisen käytettävissä olevan vertailututkimuksen (videofluoroskopia tai nasofibroskopia) mukaan. Samanaikaisesti niissä on seuraavat sensorit: mikrofoni, kiihtyvyysanturi, pintaelektromografia, nenäkanyyli ja pulssioksimetri. Tutkimustarkoituksessa koehenkilöt tekevät myös yskä- ja fonaatiotestin sekä kyselylomakkeet. Muut käytetyt tiedot kerätään osana rutiinihoitoa.

Arvioinnin päätteeksi potilas saa hoitoneuvoja referenssikokeiden ja sairauskertomusten perusteella.

Jokaiseen tutkittavaan (tai hänen hoitajaansa) ollaan yhteydessä puhelimitse kerran kuukaudessa 6 kuukauden ajan komplikaatioiden esiintymisen seurantaan. Opintokäynnin loppu 6 kuukauden kohdalla tehdään joko sairaalassa uudella nielemistutkimuksella, puhelimitse , kuten lääketieteellisesti indikoitu.

Terveille vapaaehtoisille:

Nielemisen arvioimiseksi suunnitellaan vain yksi käynti nasofibroskooppisen tutkimuksen ja antureiden asennuksen yhteydessä. Toimenpiteet (testit, tutkimukset ja kyselylomakkeet) ovat identtisiä nielemishäiriöistä kärsivien potilaiden ensimmäisen käynnin tiedonkeruun kanssa.

Tutkimuksen kesto: Ensimmäinen potilas otetaan mukaan vuodesta 2023 alkaen. Osallistumisaika on 18 kuukautta. Potilaita seurataan 6 kuukautta (+/- 2 kuukautta) sisällyttämisen jälkeen. Terveillä vapaaehtoisilla on yksi käynti (arvioitu aika: 2 tuntia) Kliinisen tutkimuksen kokonaiskeston odotetaan olevan 26 kuukautta

Tietojen analysointi: Koehenkilöiden ominaisuudet sekä erilaiset kliiniset nielemisen indikaattorit ja niiden kehitys seurannan aikana kuvataan. Kehitys- ja validointialgoritmeja nielun ja kurkunpään eri tehokkuusindikaattoreiden mallintamiseksi sekä nielemishäiriöiden ennustavia algoritmeja tuotetaan käyttämällä tilastollisia lähestymistapoja ja myös koneoppimista. Viideltä anturilta saadut signaalit merkitään. Signaalit standardisoidaan ja synkronoidaan mahdollistamaan seuraavien tapahtumien sekvenssien mallintaminen: ruoan nieleminen, sylki, yskä, kurkun puhdistuminen, puhe, märkä ääni. Aluksi käytetään Markovin piilomalleihin perustuvaa stokastista mallintamista ja sen jälkeen syvien hermoverkkojen toteutus indikaattoreiden mallintamiseen. Komplikaatioiden ennustusalgoritmissa käytetään myös syviä hermoverkkoja signaalipohjaisten menetelmien arvioimiseen.