Los investigadores desarrollan una herramienta basada en aprendizaje automático para evaluar la función del hombro

En un estudio reciente publicado en Informes Científicos, Los investigadores demostraron que una simple tarea de tirar de una cuerda podría ayudar a realizar una evaluación confiable de la movilidad del hombro en animales y humanos.

Actualmente, los médicos dependen de imágenes avanzadas y costosas para diagnosticar los desgarros del manguito rotador (CR), que son muy prevalentes en los adultos mayores.

Fondo

En las articulaciones con altos grados de libertad (hDOF), la articulación del hombro muestra un amplio rango de movimiento (ROM). Ocupa un espacio anatómico de altas dimensiones con seis grados de libertad y 18 músculos diferentes controlan su articulación.

Los músculos que estabilizan la articulación del hombro, conocidos como RC, se lesionan con frecuencia durante el movimiento. De hecho, de todas las lesiones musculoesqueléticas (MSK), la lesión de la articulación del hombro es la más común. A medida que avanza la edad, los desgarros sintomáticos del RC y el dolor crónico empeoran gradualmente, lo que conduce a una pérdida del rango de movimiento, un control neuromuscular deficiente del hombro y discapacidad física.

Anteriormente, los investigadores utilizaron modelos de lesión y reparación de tendones en roedores para inferir la función de las extremidades superiores o inferiores mediante tareas de marcha cuadrúpeda. Estos métodos demostraron diferencias funcionales entre las diversas estrategias de reparación o lesión del tendón del RC, pero no los movimientos bimanuales de las extremidades anteriores, análogos a los patrones de movimiento humanos.

Además, en estudios con sujetos humanos, los investigadores utilizaron costosas técnicas basadas en marcadores o sensores para examinar la función del hombro.

En general, sigue existiendo la necesidad de herramientas económicas para realizar un seguimiento remoto de la salud de las articulaciones y evaluar la recuperación de las lesiones MSK en las comunidades desatendidas, incluidos los ancianos, los pacientes de las zonas rurales y los grupos que históricamente enfrentan las barreras demográficas y socioeconómicas más altas para recibir atención en persona.

Sobre el estudio

En el presente estudio, los investigadores utilizaron un modelo murino de lesión del RC para desarrollar un proceso de aprendizaje automático (ML) para cuantificar la calidad del movimiento relacionada con la función del hombro. El modelo de estudio recapituló todas las características histopatológicas de las lágrimas RC humanas.

Sorprendentemente, también utilizaron un nuevo modelo preclínico de la función del hombro basado en la tarea de tirar de una cuerda, en la que los ratones atan una cuerda como un marinero tira de los cables en un barco.

Curiosamente, el desempeño en esta tarea funciona de manera similar en todos los animales. Por lo tanto, el proceso de aprendizaje automático desarrollado en este estudio en roedores se vuelve aplicable automáticamente para evaluar la salud del hombro en humanos.

El ensayo de tirar de cuerdas también tiene varias ventajas sobre las tareas de marcha con cuadrúpedos, la más importante de las cuales es que es traducible a humanos bípedos.

Otras ventajas incluyen permitir la evaluación cinemática de cada brazo de forma independiente y permitir el control dentro del animal utilizando la extremidad contralateral. El ensayo también puede distinguir los movimientos de las extremidades inferiores de los movimientos del brazo e incluye un componente de movimiento por encima de la cabeza que frecuentemente se ve afectado en pacientes con desgarros del RC.

Para los experimentos del estudio, los investigadores primero entrenaron a 12 ratones machos adultos de tipo salvaje en una tarea de tirar de cuerdas en una caja de comportamiento de plexiglás durante al menos dos semanas, realizada tres veces por semana.

En el registro de comportamiento inicial preoperatorio, cada ratón tiró de una cuerda de 0,75 m de largo durante dos ensayos. Luego dividieron los animales de prueba en dos grupos quirúrgicos, donde a un grupo de ratones se les cortaron y denervaron los tendones supraespinoso (SS) e infraespinoso (IS), y al otro (n = 6) se les repararon los tendones desgarrados inmediatamente.

Después de una semana de recuperación, se registró el comportamiento de tirar de los hilos durante cuatro semanas más. El equipo utilizó una cámara de vídeo de alta definición (HD), fijada con un trípode y colocada a 20 cm del panel frontal de plexiglás, para grabar tres vídeos de cada ratón realizando un discreto tirón de cuerdas.

Además, los investigadores desarrollaron biomarcadores de la función del hombro basados ​​en vídeos. Validaron esta concordancia en pacientes humanos con patología RC o MSK diagnosticada mediante exploraciones por resonancia magnética (IRM).

Los investigadores construyeron dos Corte Profundo (DLC) v2.2.0, uno para una cohorte piloto de tres ratones y otro para los 13 ratones del experimento, con ubicaciones de manos etiquetadas para 320 y 1080 fotogramas de vídeo, respectivamente.

La amplitud y el tiempo para las épocas de alcance y tracción se calcularon en función de la trayectoria cinemática del eje Y. Luego, calcularon el ancho total a la mitad del máximo (FWHM), que representa la fluidez del movimiento al alcanzar y tirar.

Los pacientes humanos para este estudio incluyeron aquellos con lesiones de RC y controles. El equipo grabó su tarea de tirar de hilos usando la cámara de un teléfono inteligente y usó los modelos DLC para procesarla.

Los picos/depresiones de la amplitud y el tiempo de tracción de la cuerda se extrajeron y analizaron de manera similar a los datos de los roedores, donde la trayectoria cinemática del eje Y para las manos se filtró de paso alto y paso bajo a 0,1 Hz y 7 Hz, respectivamente. Para otros análisis, por ejemplo, FWHM, las trayectorias cinemáticas X/Y para las manos y los codos solo se filtraron con un filtro de paso bajo.

Los biomarcadores calculados a partir de las trazas cinemáticas de tracción de cuerdas se traducen directamente en sujetos humanos con lesión en el hombro. (a) Sujeto de control representativo con tres ciclos de tracción de cuerdas superpuestos. Los codos fueron etiquetados además de las manos para los pacientes humanos dada la fácil visibilidad de los codos humanos. (b) Mismo tema que en (a), datos mostrados para un ensayo completo. Nótese la similitud de las trayectorias cinemáticas de las manos entre sujetos humanos y roedores (Fig. 2b). (C) Mediciones de FWHM para control (n = 12) y hombros lesionados (n = 6). El recuadro muestra una vista ampliada para valores de FWHM entre 0 y 100. *** < 0,001, prueba de Kolmogorov-Smirnoff. (d) Izquierda, histograma de los valores de velocidad (calculados sobre las trayectorias cinemáticas del eje Y de las manos) para los hombros de control (n = 6), lesionados (n = 6) y contralaterales ilesos (n = 6). Derecha, igual que izquierda solo para valores de aceleración. ***< 0,001, prueba de Kruskal-Wallis. (mi) Cuantificación de los pesos absolutos del vector propio para la primera PC (datos mostrados para los pesos del vector propio del eje Y de las manos). Las líneas grises muestran el cambio entre los hombros lesionados y contralaterales ilesos para cada prueba registrada por sujeto. *< 0,1, ANOVA unidireccional (F, gramo) Épocas de amplitud y tiempo de alcance (línea continua) y de tracción (línea discontinua). Se muestran valores individuales de amplitud/tiempo para cada ciclo de tracción de cuerdas para alcances y tirones con círculos y triángulos, respectivamente. (h) Relación de valores de desviación estándar entre pares ipsilaterales de mano:codo calculados para cada sujeto en sus trayectorias cinemáticas del eje Y de mano/codo. Las líneas grises muestran el cambio entre los hombros lesionados y contralaterales ilesos para cada prueba registrada por sujeto. *< 0,05; **< 0,01; ***< 0,001, ANOVA de dos factores, comparación múltiple de Tukey corregida post hoc para todos los demás análisis estadísticos, a menos que se indique lo contrario. (i) Curva de característica operativa del receptor (ROC) para un modelo de regresión logística binaria ajustado para predecir que un paciente no tiene desgarro del RC o tiene un desgarro del RC en uno de sus hombros. La línea marrón muestra la ROC media en validación cruzada triple estratificada, gráficos de contorno gris ± 1 Std. Desarrollo. incertidumbre en la estimación media de la ROC.

Resultados

Los ratones y los humanos con lágrimas RC mostraron una disminución de la amplitud del movimiento, un tiempo de movimiento prolongado y algunos cambios cuantitativos en la forma de la onda durante la tarea de tirar de la cuerda.

En los roedores, las lesiones provocaron además la degradación de los movimientos coordinados temporalmente y de baja dimensión después de la lesión. Además, el modelo DLC basado en un conjunto de biomarcadores clasificó muy bien a los pacientes humanos con un desgarro RC con una precisión >90%.

Curiosamente, sólo dos componentes principales son suficientes para explicar >90% de la varianza en los datos sobre el comportamiento humano al tirar de los hilos, lo que sugiere que las representaciones biomecánicas y neuronales de la mano son de dimensiones inferiores y que el comportamiento al tirar de los hilos también se manifiesta como una baja dimensión. -actividad dimensional.

Los resultados no mostraron diferencias estadísticamente significativas en la dimensionalidad del comportamiento de tirar de cuerdas en humanos con o sin desgarros de RC.

Conclusiones

En general, los hallazgos de este estudio allanaron el camino para el desarrollo futuro de pruebas de diagnóstico caseras, económicas y basadas en teléfonos inteligentes para detectar lesiones en el hombro.

En el futuro, esta tecnología, que combina un modelo animal puente, captura de movimiento, redes neuronales convolucionales y evaluación de la calidad del movimiento basada en ML, podría ayudar a rastrear la recuperación de la cinemática después de una lesión o cirugía en el hombro.

Incluso podrían servir como prueba de detección de patologías del hombro después de una comparación adecuada con los métodos de diagnóstico disponibles actualmente.