Monitor basado en el hogar para análisis de gait y actividad

Resumen

Este innovador dispositivo utiliza sensores magneto-inercial para permitir el análisis de la marcha y la actividad en entornos no controlados. Actualmente en el proceso de calificación como medida de resultado en la Agencia Médica Europea, una de las aplicaciones será servir como punto final clínico en ensayos clínicos en enfermedades neuromusculares.

Resumen

Los resultados actuales en los ensayos clínicos de trastorno neuromuscular incluyen escalas de función motora, pruebas cronometradas y medidas de fuerza realizadas por evaluadores clínicos capacitados. Estas medidas son ligeramente subjetivas y se realizan durante una visita a una clínica u hospital y constituyen, por lo tanto, una evaluación puntual. Las evaluaciones puntuales pueden verse influenciadas por la condición diaria del paciente o factores como la fatiga, la motivación y la enfermedad intercurrente. Para permitir la monitorización casera de la marcha y la actividad, se ha desarrollado un sensor magneto-inercial portátil (WMIS). Este dispositivo es un monitor de movimiento compuesto por dos sensores muy ligeros tipo reloj y una estación de acoplamiento. Cada sensor contiene un acelerómetro triaxial, giroscopio, magnetómetro y un barómetro que registran la aceleración lineal, la velocidad angular, el campo magnético del movimiento en todas las direcciones y la altitud barométrica, respectivamente. Los sensores se pueden usar en la muñeca, el tobillo o la silla de ruedas para registrar los movimientos del sujeto durante el día. La estación de acoplamiento permite la carga y recarga de datos de las baterías del sensor durante la noche. Los datos se analizan utilizando algoritmos propietarios para calcular parámetros representativos del tipo y la intensidad del movimiento realizado. Este WMIS puede registrar un conjunto de biomarcadores digitales, incluidas variables acumulativas, como el número total de metros caminados, y variables de marcha descriptivas, como el porcentaje de la zancada más rápida o más larga que representa el máximo rendimiento del paciente sobre un período de tiempo predefinido.

Introducción

Una serie de terapias potenciales están en desarrollo para el tratamiento de enfermedades neuromusculares genéticas. Estas enfermedades incluyen distrofia muscular de Duchenne (DMD) y atrofia muscular espinal (SMA) tipo 3. Los sujetos con estas enfermedades presentan inicialmente una debilidad proximal en las extremidades inferiores que conduce a dificultades progresivas en la ambulación. El último paso en la investigación traslacional es la demostración de la eficacia de un tratamiento o enfoque potencial en un ensayo clínico. Se requieren medidas específicas, cuantificables, objetivas y fiables. La importancia de estas medidas se puso de relieve recientemente por el fracaso del^ensayo 1 de la fase IIb ataluren y del ensayo biomarina fase III². Una de las explicaciones probables para estos fracasos fue la variabilidad y la evolución no lineal de la medida de resultado primario de estos ensayos, la prueba a pie de 6 minutos³ (6 MWT). El aumento de la fiabilidad y la sensibilidad al cambio de las medidas de resultado y la comprensión de los factores que conllevan su variación podrían contribuir a disminuir el número de fracasos del ensayo relacionados con las principales medidas de resultado.

Una de las limitaciones de los resultados actuales es la subjetividad de la evaluación. Para aumentar aún más la objetividad de las evaluaciones, Heberer et al.⁴ demostraron que a través de un conjunto de marcadores y el uso de un software de análisis de marcha, hubo un aumento significativo en la longitud de zancada en pacientes tratados con esteroides en comparación con el grupo ingenuo. La cinética de las articulaciones de la cadera son marcadores tempranos de debilidad proximal en pacientes con DMD y son sensibles al cambio con la intervención de esteroides, que es el único tratamiento disponible para estos pacientes. Sin embargo, los laboratorios Gait sólo están disponibles en grandes clínicas. Además, las evaluaciones de laboratorio son evaluaciones puntuales, y la condición de un paciente puede variar mucho en el día a día debido a factores como la fatiga, la motivación y la enfermedad intercurrente.

El uso de la medición continua y basada en el hogar debería lograr una evaluación más objetiva y más representativa a nivel mundial. En otros campos de la neurología, por ejemplo Parkinson⁵ o esclerosis múltiple^6,varios estudios han evaluado la viabilidad, fiabilidad y consistencia con otras medidas de diferentes sensores, incluyendo acelerómetros con o sin girometros o magnetómetros, sin embargo, ninguno de estos dispositivos es actualmente un estándar de oro para la evaluación de pacientes durante los ensayos clínicos. En el campo de las enfermedades neuromusculares, actualmente no existe un método validado para el seguimiento continuo en el hogar de los pacientes. En los últimos años, a través de una estrecha colaboración entre médicos e ingenieros, el Instituto de Miología de París ha desarrollado varios dispositivos para la evaluación de las extremidades superiores con el fin de evaluar con precisión la fuerza de las extremidades superiores y la función^{7,8 , 9}. Se ha desarrollado un sensor magneto-inercial portátil (WMIS; es decir, ActiMyo) en colaboración con una empresa especializada en sistemas de navegación. Inicialmente un dispositivo de monitoreo dedicado a sujetos no ambulantes con trastornos neuromusculares como DMD y SMA^10,11, el mismo dispositivo se ha utilizado ahora para monitorear a los pacientes ambulantes en dos configuraciones diferentes: sensores en ambos tobillos o un sensor en la muñeca y el otro en el tobillo. La configuración para una población no ambulante se compone de un sensor en la silla de ruedas y el otro en la muñeca.

Este WMIS es capaz de capturar y cuantificar con precisión todos los movimientos de la extremidad en la que se coloca. El principio de medición se basa en el uso de sensores de inercia del sistema microelectromecánico (MEMS) y magnetómetros operados a través de ecuaciones magneto-inercial. Los algoritmos dedicados permiten una calificación y cuantificación precisas de los movimientos de los pacientes en un entorno no controlado.

El objetivo general del método es proporcionar la identificación y cuantificación de cualquier movimiento producido por un paciente durante un período de tiempo predefinido, e integrar estas medidas en medidas de resultados específicas de la enfermedad representativas de la condición durante un período de tiempo.

Para evaluar eficazmente a los pacientes ambulantes y no ambulantes con trastornos del movimiento en el hogar, el dispositivo debe ser proporcionado al paciente por un evaluador capacitado que sea responsable de asegurarse de que las instrucciones han sido entendidas. Un investigador y un manual del paciente se proporcionan con el dispositivo. Este WMIS se utiliza actualmente como medida de resultados exploratorios en una serie de ensayos clínicos para enfermedades neuromusculares y neurológicas (NCT03351270, NCT02780492, NCT01385917, NCT03039686, NCT03368742, NCT025003881). Se han desarrollado procedimientos específicos adaptados a la patología y/o al diseño del ensayo clínico.

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Protocolo

Cualquier uso del dispositivo debe llevarse a cabo de acuerdo con las normas establecidas por el protocolo de referencia, validado por el comité de ética y los organismos reguladores nacionales del país. El uso del dispositivo y los diversos elementos adjuntos a él deben hacerse dentro del uso previsto descrito en el manual del paciente.

NOTA: Para ser elegible para el uso de la WMIS, el paciente debe ser mayor de 5 años, ser capaz de entender y seguir las reglas de uso, proporcionar consentimiento informado, ser afiliado o beneficiario de un esquema de seguridad social, y ser capaz de cumplir con todos los requisitos del protocolo. No existen criterios de exclusión específicos.

1. Prepararse para la visita del participante en el centro clínico

1. Compruebe el contenido de la maleta: (1) la estación de acoplamiento para conectar los sensores durante la noche para la carga de datos en una llave USB y la recarga de baterías, (2) el cable de alimentación dividido en dos partes para conectar la estación de acoplamiento a una fuente de alimentación, (3) el cable Ethernet a una fuente de alimentación, (3) el cable Ethernet a una fuente de alimentación, (3) el cable Ethernet a una fuente de alimentación, (3) el cable Ethernet a una fuente de alimentación, (3) interfaz de permiso con un router, (4) los dos sensores para permitir el registro diario de la actividad, (5) bandas para la fijación de los sensores dependiendo de la configuración elegida y el estado ambulatorio del participante (tobillo-tobillo: dos brazaletes de tobillo con dos pegatinas para distinguir el lado de desgaste; tobillo-muñeca: un brazalete de tobillo y un brazalete; muñeca-silla de ruedas: un brazalete y un bolsillo para silla de ruedas), (6) un manual de participante y un manual de investigador, (7) un recordatorio de tarea, (8) un destornillador para permitir el reemplazo de la llave USB y (9) dos teclas USB en blanco.
   NOTA: Si hay una conexión a Internet disponible, la transferencia de datos se produce automáticamente
2. Imprima y prepare el formulario de asignación para registrar la asignación de un dispositivo a un participante. Esto permitirá la reconciliación de datos con el id de asunto.

2. Formación del tema durante la primera visita

1. Posicionamiento de este WMIS
   1. Sobre la base de los datos que los investigadores están buscando, así como el estado ambulatorio del paciente, utilizar diferentes configuraciones para la colocación de los sensores.
      1. Para los pacientes ambulantes, fije los dos sensores en una muñeca y un tobillo para el registro de actividad de las extremidades superiores e inferiores o en ambos tobillos para la actividad de las extremidades inferiores.
      2. Para pacientes que no sean ambulantes, fije un sensor en la muñeca y el otro en la silla de ruedas.
2. Explicar el posicionamiento de los sensores al participante.
   1. Para los participantes ambulantes, fije los dos sensores ya sea en una muñeca y un tobillo o en ambos tobillos.
      1. Para la configuración de muñeca-tobillo, coloque un sensor en la muñeca de la mano dominante usando el brazalete proporcionado para que las ondas apunten hacia los dedos. Coloque el segundo sensor en el tobillo, en el mismo lado que el sensor de muñeca, por encima del maleol externo con las ondas apuntando en la dirección hacia adelante.
         NOTA: El sensor debe colocarse encima de la muñeca.
      2. Para la configuración tobillo-tobillo, coloque un sensor en cada tobillo, por encima del maleol externo con las ondas apuntando en la dirección hacia adelante.
         NOTA: Las pegatinas deben colocarse en los sensores para indicar el lado de desgaste.
   2. Para los participantes que no sean ambulantes, fije un sensor en la muñeca y el otro en la silla de ruedas.
      1. Para la configuración de la muñeca y la silla de ruedas, coloque un sensor en la muñeca de la mano dominante del participante utilizando el brazalete proporcionado para que las ondas apunten hacia los dedos. Coloque el segundo sensor en la bolsa proporcionada. Colóquelo en un lugar seguro a la silla de ruedas.
         NOTA: Independientemente de la configuración utilizada, no cambie los sensores. Los sensores deben ajustarse acurrucado, pero no demasiado apretado a la muñeca y / o tobillo para evitar que giren alrededor.
3. Explicar la rutina diaria para el uso de sensores al participante.
   1. Rutina nocturna
      1. Conecte la estación de acoplamiento a la fuente de alimentación. Conecte la estación de acoplamiento al router si hay una conexión a Internet disponible. Inserte los sensores en la estación de acoplamiento.
      2. Localice los dos diodos emisores de luz (LED) en la estación de acoplamiento que indican el estado de los sensores. Una vez conectado a una fuente de alimentación, asegúrese de que la estación emite pitidos y que los diodos se vuelven naranjas para indicar que las baterías del sensor se están cargando y que los datos se están descargando de los sensores a la unidad USB.
         NOTA: Si los LED siguen parpadeando después de 5 min, reinicie el procedimiento desde el principio. Si el problema persiste, póngase en contacto con el equipo clínico del sitio.
   2. Rutina matutina
      1. Compruebe que los LED están en verde, lo que indica que las baterías de los sensores están completamente cargadas y que los datos se han borrado de la memoria de los sensores. Retire los sensores de la estación de acoplamiento. Use los sensores en la configuración demostrada por el evaluador.
         NOTA: Si el LED de uno o ambos sensores es naranja después de dos días consecutivos, póngase en contacto con el centro clínico.
   3. Rutina diurna
      1. Use los sensores todo el día y vuelva a colocarlos en la estación de acoplamiento al final del día.
         NOTA: Retire los sensores durante las actividades que impliquen agua, exámenes médicos especiales (por ejemplo, resonancia magnética [RM], tomografía computarizada, rayos X) o cualquier actividad que pueda dañarlos, y manténgalos en un lugar seguro en una superficie firme. Reanude el uso de los sensores después de la actividad.
   4. Al final del período de grabación, ordene todos los elementos del dispositivo en la maleta y lleve de vuelta el dispositivo al centro clínico.
      NOTA: Anime al participante a participar en las actividades diarias normales usando en la medida de lo posible los sensores.
4. Complete un formulario de asignación dedicado.

3. Recopilación y análisis de datos

1. Recopilación de datos
   NOTA: Los sensores graban señales continuamente durante un máximo de 16 h y almacenan la información en una memoria interna (Película 1). La estación de acoplamiento permite la descarga de los datos almacenados en los sensores al final de cada día y la carga de las baterías durante la noche. Los datos descargados en la estación de acoplamiento se almacenan en una unidad USB a la que solo pueden acceder los evaluadores.
   1. Una unidad USB estándar de 64 GB puede contener hasta 3 meses de información de grabación diaria (aproximadamente 16 h/día). Proporcione unidades USB de mayor o menor capacidad para ajustarse lo más posible a las restricciones de los protocolos.
   2. Si la estación de acoplamiento no está conectada a Internet, pida al evaluador que retire la unidad USB de la estación de acoplamiento (con el destornillador específico contenido en la maleta) y reemplácela por una en blanco al final del período de grabación. La unidad USB debe enviarse al equipo de soporte para su análisis.
      NOTA: Si la estación de acoplamiento está conectada a Internet, los datos se cargan en el almacenamiento en la nube. Por lo tanto, no hay necesidad de cambiar la unidad USB, ya que todos los datos se eliminan automáticamente de la unidad USB una vez que los archivos se cargan en la nube.
2. Análisis de datos
   1. En los momentos seleccionados durante el estudio, extraiga datos del almacenamiento en la nube y analice los datos mediante un algoritmo dedicado. Ajustar los períodos de análisis y los informes de seguimiento basados en el estudio clínico.

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Resultados

Los datos presentados aquí fueron adquiridos durante los ensayos clínicos aprobados por el comité de ética y la Agencia Reguladora Francesa. Todos los representantes de los pacientes firmaron un consentimiento informado.

Este WMIS se utilizó por primera vez en un entorno de estudio clínico en 2012 para la monitorización controlada y domiciliaria de los movimientos de las extremidades superiores en pacientes no ambulantes ...

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Discusión

En la última década, se han desarrollado varios sistemas diferentes, como un monitor de actividad (Tablade materiales [IV]), que utiliza sensores acelerométricos para supervisar las actividades de la vida diaria para la cuantificación del gasto energético¹³. Un acelerómetro triaxial (Tablade Materiales [V]) fue utilizado por Tanaka et al.¹⁴ para monitorear la actividad de los niños en edad preescolar. ¹⁵ mostr...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
ActiMyo Sensors	Sysnav	SF-000080	Wearable magneto-inertal sensors attached to the patient for movment recording
Helen Hayes marker set	Vicon	NA	Whole body jumpsuit with predefined Vicon's spots
OrthoTrak (Motion Analysis, Santa Rosa, CA, USA)	Motion Lab Systems		Gait analysis software
ActiGraph	ActiGraph Corp	GTM1	Activity monitor, used by researchers to capture and record continuous, high resolution physical activity and sleep/wake information
ActivTracer GMS LTD	GMS Co. Ltd Japan	AC-301A	Triaxial accelerometer
ADXL202E dual-accelerometer	Analog Devices	ADXL212AEZ	High precision, low power, complete dual axis accelerometer with signal conditioned, duty cycle modulated outputs, all on a single monolithic IC.
ENC-03J gyroscope	Murata Electronics	ENC-03J	Vibration Sensors
DynaPort MiniMod	MCROBERTS		Small and light case containing a tri-axial accelerometer, a rechargeable battery, an USB connection, and raw data storage on a MicroSD card
MM-2860 Sunhayato	Sunhayato	MM-2860	3-axis accelerometer
MicroStone MA3-10Ac	MA3-04AC	Microstone Co.	Acceleration sensors
RT3 Activity monitor	Abledata	NA	Triaxial accelerometer
Aparito	aparito	NA	Wearables and disease specific mobile apps to deliver patient monitoring outside of the hospital; Elin Davies, Aparito: https://www.aparito.com/
Docking station	Sysnav	SF-000118
Sensor	Sysnav	SF-000080
Bracelet (black/grey L) (black/grey S) (black/yellow L) (black/yellow S)	Sysnav	ZZ-000093 ZZ-000094 ZZ-000247 ZZ-000248
Patient manual	Sysnav	FD-000086
Ethernet cable (2 m max.)	Sysnav	IC-000458
Power cable (EU) (UK) (US)	Sysnav	ZE-000440 ZE-000441 ZE-000442
Power supply unit	Sysnav	ZE-000443
Ankle strap	Sysnav	ZZ-000462
Small bag	Sysnav	ZZ-000033