用于检测和监测早期膝骨关节炎的声发射生物标志物
研究概览
详细说明
疾病背景 骨关节炎 (OA) 是一种非常普遍的致残性疾病,影响全球 7% 以上的人口(5.28 亿人)。 这极大地限制了他们的流动性和独立的生活方式。 OA主要表现为软骨损失、骨结构变化以及滑膜和关节囊炎症。 常见的危险因素包括衰老、肥胖、先前的关节损伤和过度使用。 骨关节炎需要几年的时间才能形成,直到疼痛加剧时患者才去看医生。 在早期阶段,患者没有症状或仅经历与活动相关的疼痛。 随着时间的推移,疼痛会变得持续,并伴有间歇性剧烈疼痛发作。 在世界各地的地区,个人每年平均 OA 费用估计在 700 美元至 15,600 美元之间(2019 年)。 因此,由于其高昂的医疗费用、提前退休和高缺勤率,OA 产生了巨大的社会经济影响。
骨关节炎通常影响臀部、膝盖、手、脚和脊柱,多关节受累的发生率很高。 本研究重点关注膝关节 OA。
目前的评估标准 目前评估膝关节 OA 严重程度的黄金标准是基于平片,使用 Kellgren-Lawrence (KL) 分级系统,该系统于 1961 年被世界卫生组织接受为标准。 该系统不评估主要受影响的组织(软骨),而仅评估关节的整体情况。 因此,它无法检测早期的骨关节炎,并且往往在晚期才做出诊断,除了膝关节置换术之外,几乎没有其他治疗选择。
替代评估方法 部署预防性 OA 治疗需要早期诊断和改进患者分层。 可能的早期诊断选择包括磁共振成像 (MRI) 和生化标记。 MRI 可用于评估软骨体积、厚度甚至质量的变化,然而,MRI 的广泛使用因其高成本、可用性和缺乏经过验证的国际评分而受到限制。 目前许多生化标志物正在研究中,但迄今为止它们缺乏对关节组织和特定关节的特异性,并且敏感性和特异性仍然不够高,不足以广泛临床使用。
最近,人们对声学分析作为传统生物标志物的替代方案越来越感兴趣,特别是对于膝关节来说,润滑不良的活动关节表面会产生异常声音,声学分析可以揭示这些异常声音。
该项目的相关性 洛桑联邦理工学院开发的 inmodi 护膝是一款专为运动中膝盖健康评估而设计的设备。 其核心技术结合了声学、热学和运动学传感器以及基于人工智能(AI)的数据分析,以提取关节功能的相关生物标志物。
初步数据表明,这种组合方法可以实现 OA 的非侵入性早期诊断。 在马身上,我们发现关节状况与所分析的声发射 (AE) 信号的功率之间存在很强的关联。 数据组合(声学数据/运动数据)可能包含更多有关膝关节功能健康的信息,但此类数据非常繁重(计算量),而像人工智能这样的算法方法似乎是提取有意义的参数并将其组合成临床有用的生物标志物的最佳选择。 最近,研究人员在全膝关节置换术 (TKA) 前夕对来自诊所的 17 名患者测试了 Inmodi 膝关节支架的原型。 这些患者接受手术的那条腿患有严重的骨关节炎,而对侧则患有轻度至中度的骨关节炎。 机器学习算法能够区分腿部状态,特异性为 0.96(完美 = 1)。
这个新项目的目的是进一步探索 inmodi 系统在早期阶段诊断 OA 的潜力。 为此,研究人员将针对有 OA 风险的亚人群开发一个初步参考数据库。 使用人工智能算法识别和验证新型生物标志物需要训练数据集和测试数据集,两者都具有潜在的生物标志物和用于验证的金标准临床结果。 该数据库需要足够大的样本量,以便在统计上合理,以防止统计过度拟合。
非侵入性膝关节健康诊断应有助于以相对较低的成本识别处于危险中的患者,并且无需辐射暴露,并且能够比标准放射线照相措施更早地实施预防措施。
风险类别 A(最低):成像程序包含 (1) 双膝 MRI,非电离性和 (2) EOS 全腿扫描,其辐射剂量比传统放射线照相低得多。 另一个程序是使用双腿 inmodi 护膝进行功能测试。 X 射线辐射对细胞产生生物效应的可能性非常低。 其他风险是心理上的,与“筛查过度诊断”有关,或者是幽闭恐惧症压力和核磁共振扫描仪中的噪音不适。 此外,还存在数据隐私风险,调查人员试图通过遵循法律和内部数据保护规则来将风险降至最低。
研究类型
注册 (实际的)
联系人和位置
学习地点
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ZH
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Zürich、ZH、瑞士、8008
- Schulthess Klinik
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参与标准
资格标准
适合学习的年龄
- 成人
- 年长者
接受健康志愿者
取样方法
研究人群
描述
纳入标准:
- A组:主观健康状况良好,膝关节无任何问题,年龄35-65岁
- B组和C组:MAC登记的参与者,在过去6个月内2年或5年完成患者报告结果测量(PROM)问卷,年龄35-65岁,单侧膝关节手术(另一侧作为内部对照),B1/C1:正常组定义为接近各自组 COMI 中位数的患者(确定的中位数为:2 岁女性:0.9 / 2 岁男性:0.7 / 5 岁女性:0.5 / 5 岁男性:0.5),B2/C2:预后不良组由评分 ≥ 2 的患者组成。
- D组:因严重OA而预约TKA的患者,年龄35-75岁
排除标准:
- 无法给予同意或遵循程序
- 不懂德语
- 开放性伤口或组织损伤
- 四肢受刺激或感染的部位
- II 级肥胖定义为体重指数 (BMI) ≥ 35 kg/m2(应在未来的研究中调查与肥胖相关的合并症)
- 不合作的患者无视或无法遵循指示,包括滥用药物和/或酗酒的患者
- 怀孕或打算怀孕(X 光检查)
- 当前地址在瑞士境外
- B 组和 C 组:手术膝关节翻修手术、死亡、对比膝关节的已知病理或既往损伤
学习计划
研究是如何设计的?
设计细节
队列和干预
团体/队列 |
干预/治疗 |
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A:健康的参与者
20名健康参与者判断自己主观健康状况良好,没有任何膝盖问题
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所有诊断测试
其他名称:
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B1:正常2年
膝关节登记处的 20 名患者术后 2 年结果正常
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所有诊断测试
其他名称:
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B2:贫困2年
膝关节登记处的 20 名患者术后 2 年结果不佳
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所有诊断测试
其他名称:
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C1:5年正常
膝关节登记处的 20 名患者术后 5 年结果正常
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所有诊断测试
其他名称:
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C2:贫困5年
膝关节登记处的 20 名患者术后 5 年结果不佳
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所有诊断测试
其他名称:
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D:TKA患者
20名患者因严重骨关节炎预约单侧TKA手术
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所有诊断测试
其他名称:
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研究衡量的是什么?
主要结果指标
结果测量 |
措施说明 |
大体时间 |
|---|---|---|
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声发射
大体时间:1年和2年
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Inmodi 护膝的硬件中嵌入了声学传感器,可以非侵入性地收集 100Hz 至 20kHz 频率的声学数据。 在数据分析过程中,信号将被分段,不感兴趣的频率分量将被删除。 将提取特定的声音特征,例如频谱、分形、峰值幅度或点击模式。 根据国际骨关节炎研究协会 (OARSI) 对膝关节 OA 患者的建议,将在四项不同的测试中使用 inmodi 护膝 (v2) 同时评估双膝的数据: - 卸载屈伸 (F/ E) 坐姿时的膝盖, - 坐站测试 (STS), - 一步测试 (OST), - 步行测试。 将研究提取的声音参数与运动学数据、MOAKS 分级、KL 分级、腿部对齐角度和 PROMS 之间的关联,以确定在预测 OA 进展中具有预后价值的生物标志物。 |
1年和2年
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运动学数据
大体时间:1年和2年
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同样嵌入硬件中的惯性传感器在四次不同的测试中同时收集运动轨迹。
该运动学数据将与声发射相结合,以分析在特定运动范围(膝盖弯曲/伸展)下出现的声音特征。
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1年和2年
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磁共振成像/莫克斯
大体时间:1年和2年
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将使用 3T MRI 扫描仪(Magnetom Prisma,西门子)对患者进行扫描。
MRI 可以观察和评估关节组织的结构变化,例如软骨、半月板和软骨下骨。
放射科医生将使用 MRI 骨关节炎膝关节评分 (MOAKS) 系统对 OA 中的这些退行性结构进行半定量评分。
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1年和2年
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EOS / 腿部对齐
大体时间:1年和2年
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将使用 EOS Edge(EOS X 射线成像采集系统,法国巴黎)以站立位置采集双侧长腿放射线图像,作为立体放射线摄影。
将分析图像的 OA 分级(Kellgren-Lawrence 0 - 4 级)和腿部对齐参数(髋-膝-踝角度、机械轴长度和偏差、近端胫骨宽度和隔室关节间隙宽度)。
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1年和2年
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普罗米斯
大体时间:1年和2年
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使用五种不同的患者报告结果测量:
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1年和2年
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合作者和调查者
调查人员
- 首席研究员:Vincent A Stadelmann, PhD、Schulthess Klinik
出版物和有用的链接
一般刊物
- KELLGREN JH, LAWRENCE JS. Radiological assessment of osteo-arthrosis. Ann Rheum Dis. 1957 Dec;16(4):494-502. doi: 10.1136/ard.16.4.494. No abstract available.
- Leifer VP, Katz JN, Losina E. The burden of OA-health services and economics. Osteoarthritis Cartilage. 2022 Jan;30(1):10-16. doi: 10.1016/j.joca.2021.05.007. Epub 2021 May 20.
- Eckstein F, Wirth W. Quantitative cartilage imaging in knee osteoarthritis. Arthritis. 2011;2011:475684. doi: 10.1155/2011/475684. Epub 2010 Dec 8.
- van Spil WE, Szilagyi IA. Osteoarthritis year in review 2019: biomarkers (biochemical markers). Osteoarthritis Cartilage. 2020 Mar;28(3):296-315. doi: 10.1016/j.joca.2019.11.007. Epub 2019 Dec 27.
- Kalo K, Niederer D, Stief F, Wurzberger L, van Drongelen S, Meurer A, Vogt L. Validity of and recommendations for knee joint acoustic assessments during different movement conditions. J Biomech. 2020 Aug 26;109:109939. doi: 10.1016/j.jbiomech.2020.109939. Epub 2020 Jul 8.
- Prior J, Mascaro B, Shark LK, Stockdale J, Selfe J, Bury R, Cole P, Goodacre JA. Analysis of high frequency acoustic emission signals as a new approach for assessing knee osteoarthritis. Ann Rheum Dis. 2010 May;69(5):929-30. doi: 10.1136/ard.2009.112599. No abstract available.
- Shakya BR, Tiulpin A, Saarakkala S, Turunen S, Thevenot J. Detection of experimental cartilage damage with acoustic emissions technique: An in vitro equine study. Equine Vet J. 2020 Jan;52(1):152-157. doi: 10.1111/evj.13132. Epub 2019 Jun 6.
- Bahador N, Pfeifle J, Thevenot J, et al. Evaluating the Potential of Novel Biomarkers for Characterizing Deviation of Acoustic Dynamics from Self-similarity in Osteoarthritic Knees (Manuscript in preparation). Published online 2021.
研究记录日期
研究主要日期
学习开始 (实际的)
初级完成 (估计的)
研究完成 (估计的)
研究注册日期
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