Разработка носимого устройства для профилактики остеопороза и снижения риска переломов у женщин (Weapom)

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ Остеопороз является важной проблемой общественного здравоохранения и характеризуется ухудшением микроархитектуры костной ткани и низкой минеральной плотностью костной ткани (МПК), что приводит к снижению прочности костей и, как следствие, к увеличению риска переломы скелета 1. Каждая третья женщина в течение своей жизни страдает от остеопоротического перелома 2. Фактически, по оценкам, более 200 миллионов человек страдают остеопорозом, и эти цифры растут из-за старения населения и изменения образа жизни 3. Недавнее исследование Систематический обзор собрал эпидемиологическую информацию об отдельных травмах опорно-двигательного аппарата и предоставил сводные показатели заболеваемости, связанные с конкретными травмами. Авторы сообщили, что наиболее распространенными переломами среди всего взрослого населения, согласно объединенным показателям заболеваемости, были переломы дистального отдела лучевой кости (212 на 100 000 человеко-лет)4. Переломы дистального отдела лучевой кости составляют одну из пяти травм костей как в первичной, так и в вторичной медицинской помощи5. По данным Международного фонда остеопороза (IOF), в Испании будет более 2,8 миллиона женщин старше 50 лет с остеопорозом, с более чем 330 000 хрупкими переломами в год, и прогнозы показывают, что к 2030 году эти цифры увеличатся на 28,8%. 1. Следовательно, на систему здравоохранения ложится значительная экономическая нагрузка для пациентов, перенесших переломы, связанные с остеопорозом. Ожидается, что прямые затраты на остеопороз, такие как лекарства, трудотерапия, стационарные и амбулаторные посещения, увеличатся до 25 миллиардов долларов к 2025 году по мере того, как население стареет 6 лет. Ожидается, что вместе с косвенными затратами, такими как потеря производительности, вырастут до более 95 миллиардов долларов в 2040 году. 6. Остеопороз и 4,3 миллиона хрупких переломов, которые он вызывает, обходятся системам здравоохранения Европы более чем в 56 миллиардов евро каждая. год по данным за 2019 год 7. Только в нашей стране, по оценкам, стоимость больничных дней из-за хрупких переломов составляет 355 000 евро в год. Только прямые и косвенные затраты, связанные с этими переломами, превысят 4,2 миллиарда евро с прогнозируемым увеличением на 30,6% к 2030 году1. Поэтому нас не должно удивлять, что у женщин в постменопаузе затраты на переломы, вызванные остеопорозом, превышают ежегодные затраты на лечение рака молочной железы, инфаркта миокарда (ИМ) и инсульта.

Утрата защитного действия эстрогенов на структуру скелета после менопаузы усиливает снижение плотности костной ткани в результате внезапного нарушения баланса между костеобразованием и резорбцией кости. Такое снижение уровня эстрогенов (например, эстрадиола) приводит к увеличению скорости ремоделирования кости за счет увеличения количества остеобластов и остеокластов; хотя удаление костного матрикса, опосредованное остеокластами, происходит гораздо чаще, чем образование кости остеобластами8. Таким образом, потеря МПК очень очевидна, особенно в течение 3-5 лет после последней менструации 9, при темпе потери 2% в год 10. Параллельно с этим снижением МПК обычно наблюдается снижение мышечной массы и силы, вероятно, связанное с уменьшением во время менопаузы некоторых предшественников (например, инсулиноподобного фактора роста типа 1, -IGF-1-) 11. Важно отметить, что прочность кости определяется не только костной массой, но также размером, формой, структурой или свойствами коллагена 12. Поскольку денситометрия (DEXA) фиксирует только костную массу, растет интерес к использованию другие методы трехмерной визуализации, такие как количественная компьютерная томография (ККТ) для оценки прочности костей. ККТ может помочь дифференцировать кортикальные и трабекулярные отделы кости и их относительный вклад в прочность кости in vivo. Аналогичным образом были идентифицированы различные биомаркеры для определения динамики ремоделирования кости 13,14. Национальный альянс здоровья костей и Американская ассоциация клинической химии предположили, что наиболее широко распространенными биомаркерами для оценки вмешательств при остеопорозе являются С-концевой телопептид коллагена типа 1 -CTX-1- (резорбция кости) и амино- терминальный пропептид проколлагена типа 1 -P1NP- (костеобразование) 13,14.

Существуют хорошо известные модифицируемые и немодифицируемые факторы риска остеопороза. Неизменяемые элементы включают возраст, семейный анамнез хрупких переломов, диабет 1 типа, ревматоидный артрит или лечение рака (например, ингибиторы ароматазы или химиотерапию). В первой группе курение, чрезмерное употребление алкоголя, применение кортикостероидов, недостаток кальция или витамина D, низкий индекс массы тела (ИМТ), малоподвижный образ жизни15 или отсутствие физической активности, которые могут быть еще одним из основных факторов риска. быть включено. Однако потеря костной массы может оставаться клинически незаметной. Недавнее ретроспективное медицинское исследование показало, что 79,4% пациентов не имели диагноза или лечения остеопороза на борту за 12 месяцев до перелома 6. Вызывает удивление тот факт, что менее половины женщин с высоким риском переломов получают лечение, несмотря на высокую стоимость лечения переломов и наличие доступных лекарств. 2. Следовательно, по данным IOF, существует большая неудовлетворенная потребность в профилактике переломов в постменопаузе. остеопороза, поскольку многие женщины не проходят рекомендованные диагностические обследования или не оценивают исходный риск остеопороза 15.

Профилактика должна быть приоритетом при стремлении снизить бремя, вызванное остеопорозом16. Помимо профилактики, следует тщательно рассмотреть оптимизацию управления, от оказания первой помощи до реабилитации, чтобы снизить лишние затраты. Подход в этой группе населения обычно мультимодальный и включает как фармакологические, так и нефармакологические вмешательства. В Европе наиболее часто используемыми препаратами для лечения остеопороза являются бисфосфонаты, ралоксифен, препараты паратгормона и деносумаб 17. Однако широкое и долгосрочное использование этих препаратов ограничено из-за возможных побочных эффектов 18. Таким образом, диета и физические упражнения вместе с другими факторами окружающей среды и образа жизни будут составлять основные нефармакологические стратегии лечения этой патологии19. Однако, хотя физическая активность является модифицируемым фактором, который способствует улучшению костной массы и прочности, наше понимание того, как количественно оценить остеогенные аспекты физической активности (включая частоту, интенсивность, время и тип), является неполным. Нет сомнений в том, что для инициации остеогенной реакции кость должна подвергнуться воздействию стимула, превышающего порог, определяемый обычным диапазоном деформации в преобладающем направлении нагрузки19. Точнее, механическое напряжение, которому подвергают кость упражнения (удары и мышечные сокращения) (например, напряжение, сжатие, гидростатическое давление) могут способствовать остеогенной дифференцировке мезенхимальных стволовых клеток, усиливая остеобластическую регуляцию посредством различных механизмов 20. Для повышения эффективности упражнения должны: (i) быть динамичными, а не статичными; (ii) превышение порога интенсивности; (iii) превышение порога частоты деформации; (iv) быть относительно коротким, но прерывистым; (v) наложение на кости необычной нагрузки; (vi) включать адекватное наличие кальция и витамина D21. Однако оптимальные схемы нагрузки на кости, которые приносят клинически значимые преимущества, до сих пор четко не определены, поскольку в клинических условиях невозможно легко количественно оценить интенсивность упражнений с точки зрения сил, нагружающих кость22. 1 квартал

Последние рекомендации по профилактике и лечению остеопороза с помощью физических упражнений предполагают вмешательства, которые длятся более 8 месяцев и сочетают в себе высокую эффективность и высокоинтенсивные силовые тренировки. Вмешательства, при которых быстрая ходьба (например, > 6 км/ч) сочетается с деятельностью, включающей относительно небольшое количество ударов (например, 10–50 прыжков в день), с интенсивностью, превышающей в 2–4 раза массу тела (~ 3,9 G). ), по крайней мере, 4 занятия в неделю и использование многоосных упражнений для создания необычной нагрузки на бедро могут помочь женщинам в постменопаузе компенсировать возрастную потерю костной массы 23. Это будут эффективные стратегии сохранения МПК у женщин в постменопаузе с уровнем доказательности 1а24. Тем не менее, нет никаких доказательств его эффективности в предотвращении переломов дистального отдела лучевой кости Q2, а также высок уровень отсева из программ такого типа25, и, несмотря на доказательства, участники часто неохотно занимаются физическими упражнениями, ссылаясь на препятствия, такие как плохое здоровье, нехватка времени из-за семейные обязанности, отсутствие дружеского общения или поддержки, отсутствие доступа к адекватным средствам или возможностям или затратам. Пациенты с остеопорозом часто сообщают о нехватке времени и транспортных ограничениях как об основных препятствиях, ограничивающих их участие в контролируемых программах обучения 26. По этим причинам было предложено, чтобы в интервенционных исследованиях использовались условия, легко доступные для участников, и предусматривались гибкие графики упражнений25.

В литературе предполагается, что при вмешательствах, направленных на здоровье костей у молодых взрослых женщин, крайне важно свести к минимуму предполагаемые требования времени (например, короткие и гибкие интервалы) и экологические барьеры, связанные с удобством и доступностью физической активности 25 . Поэтому для повышения приверженности этой группе населения рекомендуется регулярный контакт с исследовательским персоналом, персонализация прогресса и адекватный мониторинг физических упражнений (избегайте проблем безопасности и отсутствия уверенности). В недавнем исследовании нашей группы были обнаружены доказательства того, что программы упражнений без присмотра могут быть эффективными для улучшения МПК у взрослых женщин. Однако было доступно только пять исследований с участием женщин в постменопаузе, и в них в целом был зарегистрирован значительный процент выбывших из участия (более 40%) из-за нежелания продолжать участие и болезни среди основных причин. Таким образом, была подчеркнута необходимость изучения эффективности дистанционных/ассистивных технологий для проведения и мониторинга упражнений без присмотра. Вопрос, который следует задать, заключается в том, каким образом можно решить все эти вопросы, облегчая мониторинг программы и устраняя обозначенные барьеры?

Мобильные и цифровые технологии (mHealth) позволяют дополнять программы упражнений для лечения остеопороза, предоставляя информацию о скелетной механике во время передвижения23. Однако, несмотря на то, что носимые трекеры активности предлагают потенциал в качестве многогранного вмешательства, помогающего людям стать более активными, ни в одном исследовании не изучалась полезность этих носимых устройств для женщин в постменопаузе или для верхних конечностей (Q3). Обоснована важность достижения минимального порога стимуляции для получения костной адаптации, поскольку недостаточные нагрузки не дадут желаемого эффекта, поэтому необходима точная количественная оценка механических нагрузок, которым подвергается костно-мышечная система, что можно было бы сделать достигается с помощью определенных биосенсоров28. Однако вмешательства, основанные на этом типе технологии, направленные на профилактику остеопороза, очень редки29, хотя авторы сходятся во мнении об их потенциале не только для увеличения пользы от вмешательств, но, главным образом, для улучшения приверженности к ним.

Таким образом, научное сообщество сталкивается с группой женщин с высоким риском развития остеопороза (потенциальная частота хрупких переломов) с последующей заболеваемостью для их функциональности и качества жизни, с одной стороны, и для системы здравоохранения. с другой. Стратегии управления этой группой предполагают включение мероприятий, требующих ударной и силовой тренировки; однако прямое измерение деформации костей требует инвазивных хирургических процедур, а косвенное измерение сил реакции опоры ограничено фиксированным местом и временем, что делает его непрактичным для долгосрочных клинических измерений. Оценка последствий этого типа вмешательства может помочь зарегистрировать переменные, которые после надлежащего анализа (например, машинного обучения) облегчат принятие решений и сократят использование ресурсов в системе здравоохранения. Поэтому возникают следующие вопросы: можно ли использовать косвенный заменитель деформации костей, которую теперь можно легко измерить с помощью нового измерительного устройства на основе акселерометра? ¿Могут ли эти носимые устройства использоваться для исследования влияния ударной нагрузки, вызванной физической нагрузкой, на минеральную плотность, геометрию и метаболизм костей у женщин в постменопаузе с целью оценки интенсивности и количества ударной нагрузки, необходимой для достижения адаптивного эффекта на уровне запястья? Исходная гипотеза: изменение образа жизни, контролирующее интенсивность воздействия, и упражнения с использованием носимых устройств улучшат состав и структуру костей, физическую форму и качество жизни у женщин в постменопаузе. Оценивая влияние программы тренировок, ориентированных на кости, на внескелетные факторы риска остеопоротических переломов и физическую работоспособность, ученый сможет разработать технологическую интеллектуальную облачную платформу с цифровыми технологиями (искусственный интеллект, мобильное приложение и носимые устройства, управляемые в облако), которые могут быть реализованы (после правильного определения ключевых факторов для передачи результатов исследований, полученных на экспериментальном этапе) в общественную систему социально-здравоохранения, способствуют профилактике остеопороза и немощных переломов.

Процедуры

Цель 1. Участникам будет выделено три дня для заполнения протокола измерений. В первый день они посетят больницу и предоставят социально-демографическую и клиническую информацию. Затем они получат акселерометр и все анкеты, которые нужно будет заполнить дома. Кроме того, из больничного центра участникам будет назначен еще один день для биохимического анализа, ККТ и денситометрии. На второй день участников направят в университетскую лабораторию, чтобы они сдали акселерометры и анкеты, а также прошли тесты на физическую подготовку. Наконец, во время третьего визита в лабораторию участники познакомятся с использованием носимых устройств записи. Наконец, все участники будут получать ежедневную добавку витамина D в размере 600 МЕ/день. Если уровни в сыворотке недостаточны, препарат будет поставляться в течение 4 месяцев: 1 флакон по 25 000 МЕ в месяц, если <20 нг/мл, 1 флакон по 25 000 МЕ каждые 15 дней, если <15 нг/мл, 1 флакон по 25 000 МЕ каждую неделю, если < 10 нг/мл. Потребление кальция будет рассчитано с использованием трехдневного отзыва и увеличено до 1200 мг в день.

Вмешательство в образ жизни

A. Программа повышения физической активности и воздействия. Для вмешательства будет использоваться биосенсор — носимое устройство (Fitbit Versa). Устройство связано с приложением (Weapom), которое позволит пользователям количественно определять количество шагов (включая скорость шагов в минуту), воздействие и их интенсивность. Пользователям будет предоставлена ​​обратная связь от приложения об уровне достижения целей, предложенных в программе воздействия (EV). Будет предложено совершать 50 вертикальных и разнонаправленных прыжков в день (этап 1. Количество прыжков >3,9G в день будет зафиксировано 28, разделенных на 3-5 подходов по 10-20 повторений с минимальным отдыхом между подходами 1-2 минуты. Будет использоваться частота 4-7 дней в неделю. Таким же образом будет рекомендовано достигать 10 000 шагов в день (этап 2. Количество ежедневных шагов будет записываться) и, насколько это возможно, в быстром темпе (этап 3. Количество ежедневных минут ходьбы при будет зарегистрирован темп более 110 шагов в минуту, поскольку это считается порогом умеренно-интенсивной интенсивности в возрастном диапазоне 40 лет. Таким образом, согласно новым рекомендациям ВОЗ 41 по физической активности и малоподвижному поведению, будет количественно определяться, достигаются ли 150 минут в неделю умеренно-интенсивной физической активности. Кроме того, для того, чтобы специально сосредоточиться на силе радиуса, будет зарегистрировано 50 (от 3 до 5 см) падений с полностью прямыми руками. Параллельно участники обеих групп через приложение получат рецепты, богатые кальцием, а также калькулятор для расчета поступления кальция и других микроэлементов с пищей. Они также получат информацию об остеопорозе и стратегиях его профилактики (например, советы по пребыванию на солнце).

B. Контрольная группа Участники, случайно распределенные в CON, получат общие рекомендации от медицинского персонала о положительном влиянии физической активности и аспектах питания на профилактику остеопороза. Участники этой группы будут носить с собой устройство, но не будут иметь доступа к приложению Muvone.

Цель 2. После установки акселерометров участники выполнили стандартный протокол упражнений во время лабораторного занятия. Протокол упражнения состоял из пяти прыжков встречными движениями (CMJ) с отдыхом 30 с между каждым прыжком. Высоту прыжка измеряли с помощью системы светового барьера (OptoGait, Microgate, Больцано, Италия). Затем участники выполнили четыре упражнения на беговой дорожке (HP-Cosmos®, Траунштайн, Германия), ходьбу/бег со скоростью 4,8, 6,4, 9,7 и 12 км·ч-1. Продолжительность каждой тренировки на беговой дорожке составляла 2 минуты с 1-минутным отдыхом между ними. состояние. Участники стояли неподвижно во время интервалов отдыха и выполняли каждый протокол упражнений в рандомизированном порядке. Для оценки пространственно-временных параметров походки во время протокола использовалась напольная система фотоэлементов (OptoGait, Microgate, Больцано, Италия). Наконец, участникам будет предложено зафиксировать голени на мягкой подушке и вытянуть колени, чтобы наклониться вперед. Бедро будет установлено под углом 30° к горизонтали. Участников поднимут на нужную высоту от земли (3 или 5 см между ладонями и силовыми пластинами). Испытуемых проинструктируют держать локти полностью выпрямленными (т.е. вытянутые руки) и угол руки будет установлен на 15° к вертикали. Каждый участник должен выполнить десять попыток, которые включали пять попыток при высоте = 3 см, 15 минут отдыха и пять экспериментов при высоте = 5 см.

Для оценки интенсивности и величины ударной нагрузки пиковые значения вертикального ускорения будут записываться с помощью монитора движений человеческого тела на основе акселерометра (Fitbit). Монитор носили на запястье на расстоянии 2 см выше медиального надмыщелка. Для индивидуальной количественной оценки своей ежедневной физической активности всем участникам будет предложено носить монитор во все часы бодрствования в течение 36 недель. Количество ежедневных пиков ускорения будет зафиксировано на 33 уровнях ускорения от 0,3 до 9,9 g. Для анализа будет рассчитано индивидуальное среднесуточное количество пиков на каждом уровне ускорения. Число на разных уровнях ускорения будет проанализировано для описания интенсивности упражнений. Ранее надежность метода на основе акселерометра была проверена на трехмерном прототипе. Однако в этом проекте будут измеряться удары на уровне запястья. Пиковые значения преимущественно были получены сразу после контакта пятки при различных видах деятельности; кроме того, значения пикового ускорения будут сравниваться со значениями, полученными одновременно с использованием стандартной системы оптического анализа движения. Кроме того, значения ускорения также будут сравниваться с GRF, измеренным с помощью силовой пластины (Kistler 9287A, Kistler Instrument, Швейцария), при этом значения ускорения будут умножены на массу тела.

Задача 3. С целью выявления ключевых факторов для передачи результатов исследований, полученных на экспериментальном этапе, в общественную систему социально-медицинского здравоохранения, результаты будут обсуждаться на 3-х встречах группой экспертов системы здравоохранения (например, районного директор центров первичной медицинской помощи или политик из сферы здравоохранения Хунты Андалусии, два директора центров первичной медико-санитарной помощи, эксперт по укреплению здоровья, медсестра по уходу за пациентами с остеопорозом и т. д.). Различные модели будут разработаны с использованием биохимических, визуальных, клинических и физических данных о состоянии, которые помогут медицинскому персоналу определить наиболее важные факторы, определяющие реакцию на этот тип лечения. Из всего набора переменных, включенных в электронные медицинские записи, будет разработана новая медицинская модель, включающая только выбранные переменные с высоким уровнем воздействия (поднабор данных), рассчитанные с помощью методов выбора функций машинного обучения. Будут определены выгоды для здоровья (QUALYs) и затраты, а также рассчитан коэффициент эффективности затрат (ICUR).