初期の変形性膝関節症の検出とモニタリングのための音響放射バイオマーカー

疾患の背景 変形性関節症 (OA) は、世界中の 7% 以上の人々 (5 億 2,800 万人) が罹患している、非常に蔓延している障害を伴う状態です。 それは彼らの移動性と自立したライフスタイルを著しく制限しています。 OA は主に、軟骨の喪失、骨の構造変化、滑膜と関節包の炎症によって説明されます。 一般的な危険因子には、加齢、肥満、以前の関節損傷、使いすぎなどが含まれます。 OA は発症するまでに数年かかり、その後、痛みが強くなって医師の診察を受けます。 初期段階では、患者は無症状であるか、活動に関連した痛みのみを経験します。 痛みは時間の経過とともに一定になり、断続的に激しい痛みが発生します。 世界中の地域では、個人の OA にかかる平均年間コストは 700 米ドルから 15,600 米ドルと推定されています (2019 年)。 その結果、OA は高額な医療費、早期退職、欠勤率の高さなどにより、社会経済的に大きな影響を及ぼします。

OA は通常、腰、膝、手、足、脊椎に影響を及ぼし、多関節病変が高率に発生します。 この研究は膝の OA に焦点を当てています。

現在の評価基準 膝 OA の重症度の現在のゴールドスタンダード評価は、1961 年に世界保健機関によって標準として認められたケルグレン・ローレンス (KL) 等級付けシステムを使用した単純 X 線撮影に基づいています。 このシステムは、主に影響を受けた組織である軟骨を評価するのではなく、関節の全体的な側面のみを評価します。 したがって、OAの初期段階を検出することはできず、診断は後期段階で確立されることが多く、膝関節形成術以外の治療選択肢はほとんどありません。

代替評価方法 予防的な OA 治療を導入するには、早期の診断と改善された患者層別化が必要です。 考えられる早期診断オプションには、磁気共鳴画像法 (MRI) や生化学マーカーが含まれます。 MRI は、軟骨の体積、厚さ、さらには質の変化を評価するために使用できますが、MRI の普及は、その高コスト、入手可能性、および検証された国際スコアの欠如により制限されています。 多くの生化学マーカーが現在研究中ですが、これまでのところ関節組織や特定の関節に対する特異性が欠けており、感度と特異性はまだ広く臨床使用できるほど高くありません。

最近、従来のバイオマーカーの代替として音響分析への関心が高まっており、特に膝関節では、潤滑が不十分な可動関節表面が異常音を発生し、音響分析で明らかにできる可能性があります。

プロジェクトの関連性 ETH ローザンヌで開発された inmodi 膝装具は、動作中の膝の健康評価のために設計された装置です。 そのコア技術は、音響、熱、運動学センサーと人工知能 (AI) ベースのデータ分析を組み合わせて、関節機能に関連するバイオマーカーを抽出します。

予備データは、この組み合わせたアプローチにより、OA の非侵襲的な早期診断が可能になる可能性があることを示唆しています。 馬では、関節の状態と分析されたアコースティックエミッション（AE）信号のパワーとの間に強い関連性が見出されました。 データ（音響データ/動作データ）の組み合わせには、膝の機能的健康に関するより多くの情報が含まれる可能性がありますが、そのようなデータは（計算的に）非常に重いため、意味のあるパラメータを抽出して臨床的に有用なバイオマーカーに結合するには、AIのようなアルゴリズム的アプローチが最良の選択肢であると思われます。 。 最近、研究者らは全膝関節全置換術（TKA）の直前にクリニックの患者 17 人を対象に inmodi 膝装具のプロトタイプをテストしました。 これらの患者は、手術を受ける脚に重度のOAを患い、反対側の脚には軽度から中程度のOAを患っていました。 機械学習アルゴリズムは、特異度 0.96 (完全 = 1) で脚の状態を識別することができました。

この新しいプロジェクトの目的は、OA を初期段階で診断するための inmodi システムの可能性をさらに探ることです。 このため、研究者らは、OA を発症するリスクのある部分集団における予備的な参照データベースを開発します。 AI アルゴリズムを使用した新規バイオマーカーの特定と検証には、潜在的なバイオマーカーと検証のためのゴールドスタンダードの臨床結果を含むトレーニング データセットとテスト データセットが必要です。 このデータベースには、統計的な過学習を防ぐために、統計的に健全であるのに十分な大きさのサンプル サイズが必要です。

非侵襲的な膝の健康診断は、比較的低コストで放射線被ばくなしでリスクのある患者を特定するのに役立ち、標準的な放射線検査よりも早期に予防措置を講じることができるはずです。

リスクカテゴリ A (最小): 画像検査には、(1) 非電離性の両膝 MRI と、(2) 従来の X 線撮影よりもはるかに低い放射線量での EOS 脚全体スキャンが含まれます。 もう1つの手順は、両脚のインモディニーブレースを使用した機能テストです。 X 線照射により細胞に対する生物学的影響が生じる可能性は非常に低いです。 その他のリスクとしては、「スクリーニングの過剰診断」に関連した心理的なリスクや、閉所恐怖症によるストレスや MRI スキャナーでの騒音による不快感などがあります。 さらに、データプライバシーに関するリスクがあり、捜査当局は法的および内部のデータ保護規則に従うことでリスクを最小限に抑えようとしています。