Akustisen emission biomarkkerit varhaisen polven nivelrikon havaitsemiseen ja seurantaan

Tausta nivelrikko (OA) on erittäin yleinen ja vammauttava sairaus, joka vaikuttaa yli 7 %:iin ihmisistä maailmanlaajuisesti (528 miljoonaa ihmistä). Se rajoittaa merkittävästi heidän liikkuvuuttaan ja itsenäistä elämäntapaansa. OA:ta kuvaavat pääasiassa ruston menetys, luun rakennemuutokset sekä nivelkalvon ja nivelkapselin tulehdus. Yleisiä riskitekijöitä ovat ikääntyminen, liikalihavuus, aiemmat nivelvammat ja liikakäyttö. OA:n kehittyminen kestää useita vuosia, ennen kuin potilas hakeutuu lääkäriin, kun kipu voimistuu. Varhaisvaiheessa potilaat ovat oireettomia tai kokevat vain toimintaan liittyvää kipua. Kipu muuttuu jatkuvaksi ajan myötä ajoittaisilla voimakkailla kipujaksoilla. Alueilla ympäri maailmaa OA:n keskimääräiset vuosikustannukset yksilölle ovat arviolta 700–15 600 USD (2019). Näin ollen OA:lla on suuri sosioekonominen vaikutus korkeiden sairaanhoitokustannustensa, varhaiseläkkeelle jäämisen ja korkean työpoissaolonsa vuoksi.

OA vaikuttaa tyypillisesti lonkkiin, polviin, käsiin, jalkoihin ja selkärangaan, ja moniniveltulehdus on suuri. Tämä tutkimus keskittyy polven OA:hen.

Nykyinen arviointistandardi Polven OA:n vakavuuden nykyinen kultastandardin arviointi perustuu tavalliseen röntgenkuvaukseen, jossa käytetään Kellgren-Lawrencen (KL) luokitusjärjestelmää, jonka Maailman terveysjärjestö hyväksyi standardiksi vuonna 1961. Tämä järjestelmä ei arvioi ensisijaisesti vahingoittunutta kudosta - rustoa - vaan vain nivelen yleistä puolta. Siksi se ei pysty havaitsemaan OA:n varhaisia ​​vaiheita, ja diagnoosi tehdään usein myöhäisessä vaiheessa, ja hoitovaihtoehtoja on vain vähän polven nivelleikkauksen lisäksi.

Vaihtoehtoiset arviointimenetelmät Ennaltaehkäisevien OA-hoitojen käyttöönotto edellyttää varhaisempaa diagnostiikkaa ja parannettua potilaan kerrostumista. Mahdollisia varhaisia ​​diagnostisia vaihtoehtoja ovat magneettikuvaus (MRI) ja biokemialliset markkerit. MRI:llä voidaan arvioida muutoksia ruston tilavuudessa, paksuudessa tai jopa laadussa, mutta MRI:n laajaa käyttöä rajoittaa sen korkea hinta, saatavuus ja validoidun kansainvälisen pistemäärän puuttuminen. Monia biokemiallisia markkereita tutkitaan parhaillaan, mutta toistaiseksi niiltä puuttuu spesifisyys nivelkudoksille ja tietyille nivelille, eivätkä herkkyys ja spesifisyys ole vielä riittävän korkeat laajaan kliiniseen käyttöön.

Viime aikoina on kasvanut kiinnostus akustiseen analyysiin vaihtoehtona tavanomaisille biomarkkereille, erityisesti polvinivelissä, jossa huonosti voideltu liikkuvat nivelpinnat synnyttävät epänormaaleja ääniä, jotka akustinen analyysi voisi paljastaa.

Projektin relevanssi ETH Lausannessa kehitetty inmodi-polvituki on liikkeessä tapahtuvaan polven terveyden arviointiin suunniteltu laite. Sen ydinteknologia yhdistää akustiset, lämpö- ja kinemaattiset anturit ja tekoälyyn (AI) perustuvan data-analyysin niveltoiminnan merkityksellisten biomarkkerien poimimiseksi.

Alustavat tiedot viittaavat siihen, että tämä yhdistetty lähestymistapa voi mahdollistaa OA:n ei-invasiivisen varhaisen diagnoosin. Hevosilla havaittiin vahva yhteys nivelten kunnon ja analysoitujen akustisten emissiosignaalien (AE) voimakkuuden välillä. Tietojen yhdistelmä (akustinen data/liikedata) sisältää todennäköisesti enemmän tietoa polven toiminnallisesta terveydestä, mutta tällaiset tiedot ovat erittäin raskaita (laskennallisesti) ja algoritminen lähestymistapa, kuten tekoäly, vaikuttaa parhaalta vaihtoehdolta merkityksellisten parametrien poimimiseen ja yhdistämiseen kliinisesti hyödyllisiksi biomarkkereiksi. . Äskettäin tutkijat testasivat inmodi-polvituen prototyyppiä seitsemällätoista potilaalla klinikalta juuri ennen polven kokonaisartroplastiaa (TKA). Nämä potilaat kärsivät vaikeasta OA:sta leikkauksen kohteena olevassa jalassa ja lievästä keskivaikeasta vastakkaiseen jalkaan. Koneoppimisalgoritmi pystyi erottamaan jalkojen tilat spesifisyydellä 0,96 (täydellinen = 1).

Tämän uuden projektin tavoitteena on edelleen tutkia inmodi-järjestelmän mahdollisuuksia diagnosoida OA aikaisemmissa vaiheissa. Tätä varten tutkijat kehittävät alustavan viitetietokannan alapopulaatiolle, jolla on riski saada OA. Uusien biomarkkerien tunnistaminen ja validointi tekoälyalgoritmilla vaatii koulutustietojoukon ja testidatajoukon, joissa molemmissa on mahdollisia biomarkkereita ja kullanarvoisia kliinisiä tuloksia validointia varten. Tämä tietokanta vaatii riittävän suuren otoskoon ollakseen tilastollisesti luotettava, jotta estetään tilastollinen ylisovitus.

Non-invasiivisen polven terveysdiagnostiikan pitäisi auttaa tunnistamaan riskipotilaita suhteellisen alhaisin kustannuksin ja ilman säteilyaltistusta ja mahdollistamaan ennaltaehkäisevien toimenpiteiden toteuttaminen aikaisemmin kuin tavallisilla radiografisilla toimenpiteillä.

Riskiluokka A (minimaalinen): Kuvaustoimenpiteet sisältävät (1) molempien polvien magneettikuvauksen, joka on ionisoimaton, ja (2) koko jalkojen EOS-skannauksen paljon pienemmällä säteilyannoksella tavanomaisessa röntgenkuvassa. Toinen toimenpide on toimintatesti molempien jalkojen inmodi-polvituella. Todennäköisyys, että röntgensäteilyllä on biologinen vaikutus soluihin, on hyvin pieni. Muita riskejä ovat psykologiset, jotka liittyvät "seulonnan ylidiagnostiikkaan" tai klaustrofobiseen stressiin ja meluhäiriöön MRI-skannerina. Lisäksi on olemassa tietosuojariski, jota tutkijat pyrkivät minimoimaan noudattamalla lakisääteisiä ja sisäisiä tietosuojasääntöjä.