Projekt Knee4Life: Wspomaganie regeneracji stawu kolanowego po całkowitej wymianie stawu kolanowego dzięki cyfrowemu zdrowiu (K4L)

1. Tło

   Całkowita alloplastyka stawu kolanowego (TKR) to powszechna procedura, wykonywana w Anglii i Walii ponad 100 000 rocznie. Chociaż większość pacjentów osiąga pomyślne wyniki po TKR, około 10–20% pacjentów jest niezadowolonych, głównie z powodu bólu i sztywności stawu kolanowego. Metoda wczesnego wykrywania problemów związanych z bólem i sztywnością może ułatwić wcześniejsze skierowanie na leczenie niechirurgiczne, które skutecznie zapobiega konieczności manipulacji w znieczuleniu [MUA]. Obecnie wskaźniki MUA wynoszą 2,5% (~2500 pacjentów rocznie w Anglii i Walii), a koszt zabiegu wynosi ~14 tys. funtów. Nasza obecna wiedza na temat tego, kiedy rozwija się sztywność, a także czasu i najlepszych metod leczenia sztywności, jest ograniczona. Niedawne partnerstwo w zakresie ustalania priorytetów James Lind Alliance określiło sztywność po TKR jako 10 najważniejszych priorytetów badawczych mających na celu lepsze zrozumienie i przetestowanie interwencji. Obecne miary nie są dokładne i nie nadają się do użytku domowego. Badacze potrzebują narzędzi do dokładnego pomiaru wczesnych wskaźników sztywności.

2. Racjonalne uzasadnienie

Badacze nie dysponują obecnie narzędziem umożliwiającym zdalne i dokładne wykrywanie rozwoju wczesnej pooperacyjnej sztywności stawu kolanowego. Celem tego badania jest opracowanie opłacalnego narzędzia do pomiaru i ilościowego określenia sztywności stawu kolanowego przed i po operacji całkowitej alloplastyki stawu kolanowego (TKR) do stosowania w całej NHS. Celem badania jest zrozumienie, w jaki sposób zakres ruchu stawu kolanowego (ROM) regeneruje się po TKR i wykrycie wczesnych oznak sztywności. Ma również na celu przewidzenie, u kogo może rozwinąć się sztywność po TKR i zbadanie związku między bólem a sztywnością.

Obecne metody pomiaru zakresu ruchu stawu kolanowego (ROM), takie jak ręczne narzędzia do pomiaru kątów, mają ograniczenia pod względem dokładności i do ich stosowania potrzebny jest przeszkolony personel medyczny. Idealne narzędzie byłoby niedrogie, łatwe w użyciu i zapewniałoby szybką informację zwrotną pacjentom i zespołom klinicznym. Badanie obejmie opracowanie i walidację podejścia opartego na wizji komputerowej (wykorzystującego kamery do oceny ruchów) do monitorowania zgięcia i wyprostu kolana oraz oceny wzorca chodu. Niedawno w Exeter wprowadzono technologię wideo, czyli obraz komputerowy (CV), do pomiaru ruchu kręgosłupa u pacjentów ze zesztywniającym zapaleniem stawów kręgosłupa. Widzenie komputerowe to nowa technologia, która ma ogromny potencjał w monitorowaniu zgięcia stawu kolanowego u osób ze sztywnością stawu kolanowego. Podejście to polega na wykorzystaniu kamer i algorytmów uczenia maszynowego do automatycznego wykrywania i analizowania kątów stawu kolanowego podczas ruchu. Zapewniając obiektywne i dokładne pomiary zgięcia stawu kolanowego, widzenie komputerowe może potencjalnie poprawić ocenę sztywności stawu kolanowego i ułatwić ukierunkowane interwencje lecznicze. Jednakże, jak w przypadku każdej nowej technologii, istnieje potrzeba walidacji metody w kontekście pacjentów ze sztywnością stawu kolanowego, aby zapewnić jej dokładność i niezawodność. Badania podkreśliły znaczenie opracowania algorytmów uczenia maszynowego specjalnie dla tej populacji pacjentów, aby uwzględnić indywidualne różnice we wzorcach ruchu i ograniczeniach wynikających ze sztywności. Konieczne są dalsze badania, aby ocenić zasadność i wykonalność opartych na wizji komputerowej podejść do monitorowania zgięcia stawu kolanowego u osób ze sztywnością stawu kolanowego, co mogłoby ostatecznie poprawić diagnostykę, monitorowanie i leczenie tego schorzenia.

Walidacja podejścia opartego na wizji komputerowej do monitorowania zgięcia stawu kolanowego u osób ze sztywnością stawu kolanowego jest niezbędna do zapewnienia jego niezawodności i dokładności. Wymaga to opracowania i udoskonalenia algorytmów uczenia maszynowego, które będą w stanie dokładnie wykrywać i mierzyć kąty stawów kolanowych w tej populacji pacjentów. W badaniu tym zostanie oceniona dokładność i precyzja algorytmu w porównaniu ze złotymi standardami metod pomiarowych, takich jak przechwytywanie ruchu czy goniometria. Ponadto w tym badaniu zbadana zostanie czułość tego podejścia do zmian w zgięciu stawu kolanowego spowodowanych sztywnością i bólem oraz oceniona zostanie jego wykonalność w warunkach klinicznych. Po zatwierdzeniu podejście oparte na wizji komputerowej może zapewnić nieinwazyjny i obiektywny sposób monitorowania zgięcia stawu kolanowego u osób ze sztywnością stawu kolanowego, co może pomóc w podejmowaniu decyzji dotyczących leczenia i poprawić wyniki leczenia pacjentów.

Kolejnym narzędziem, z którego skorzystają badacze, jest aplikacja Gaitcapture, która wykorzystuje akcelerometr i żyroskop w telefonie komórkowym i działa podobnie do inercyjnej jednostki pomiarowej (IMU), dostarczając nam danych o przyspieszeniu i rotacji.

Walidacja podejścia opartego na wizji komputerowej będzie polegała na porównaniu go ze złotymi standardowymi metodami pomiarowymi (specjalistyczna ocena fizjoterapeutyczna).

Oprócz podejścia opartego na wizji komputerowej w badaniu wykorzystane zostaną czujniki noszone na ciele i aplikacje mobilne do monitorowania poziomu aktywności fizycznej, wzorców chodzenia i liczby kroków uczestników. Dane te zapewnią wgląd w ogólne wzorce aktywności fizycznej osób TKR i pomogą ocenić użyteczność, akceptowalność, wykonalność i dokładność narzędzi do diagnostyki i monitorowania.

Wyniki tego projektu badawczego mogą potencjalnie ulepszyć diagnostykę, monitorowanie i leczenie sztywności stawu kolanowego po całkowitej endoprotezoplastyce stawu kolanowego (TKR), co może potencjalnie zmniejszyć potrzebę operacji MUA. Zapewniając dokładne pomiary i wczesne wykrywanie, narzędzia opracowane w tym badaniu mogą umożliwić wcześniejsze skierowanie na leczenie niechirurgiczne i zmniejszyć potrzebę wykonywania kosztownych i ryzykownych procedur poprawiających zakres ruchu stawu kolanowego (ROM) po operacji całkowitej alloplastyki stawu kolanowego (TKR), jak manipulacja kolanem w znieczuleniu.

W tym miejscu badacze przeprowadzą badanie walidacyjne algorytmu przechwytywania ruchu bez znaczników, aby określić jego dokładność oraz ocenić jego wykonalność i przydatność do wdrożenia na dużą skalę w domu. badacze sprawdzą także wiarygodność wyników algorytmu, takich jak kąty zgięcia/wyprostowania kolana.