Wearable technology for osteoporosis prevention: effects of a non-nupervised physical activity program

• Autores: H. Sánchez Trigo
• Directores de la Tesis: Francisco de Borja Sañudo Corrales (dir. tes.), Hugo Filipe Silveira Gamboa (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 230
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    Introducción: La osteoporosis, una enfermedad esquelética sistémica progresiva caracterizada por una baja masa ósea y deterioro en la microarquitectura ósea, resulta en una mayor fragilidad ósea y susceptibilidad a fracturas. Esta condición impone una significativa carga económica y de atención médica, con una prevalencia alarmante entre los adultos mayores. La actividad física puede desempeñar un papel crucial en mejorar la salud ósea y mitigar el riesgo de osteoporosis. Con los avances en tecnología de vestir, los acelerómetros han surgido como una herramienta prometedora para monitorear y cuantificar la intensidad del ejercicio, proporcionando valiosos conocimientos sobre el movimiento humano y la carga mecánica. Aprovechando los acelerómetros portátiles y las aplicaciones móviles de salud (mHealth), esta tesis tiene como objetivo desarrollar e implementar un programa de actividad física no supervisado diseñado para mejorar la salud ósea y prevenir la osteoporosis, ofreciendo así una solución accesible y rentable con el potencial de alcanzar a una población más amplia. Métodos: Esta tesis se estructuró en tres fases distintas. En la Fase I, se evaluó la validez de un monitor de actividad basado en acelerómetro portátil, Muvone®, comparándolo con un ActiGraph GT3X+ durante varios protocolos de ejercicio. Las mediciones se registraron tanto en la muñeca como en la cadera para evaluar la importancia del lugar de colocación del acelerómetro en la cuantificación de la intensidad de las actividades físicas osteogénicas. En la Fase II, se llevó a cabo una revisión sistemática y meta-análisis para investigar la evidencia actual sobre programas de ejercicio de prevención de osteoporosis no supervisados y sus efectos en la densidad mineral ósea (DMO) en mujeres adultas. La Fase III implicó un ensayo controlado aleatorizado de seis meses evaluando los efectos de una intervención de mHealth que proporcionó un programa de ejercicio no supervisado para la prevención de la osteoporosis usando el acelerómetro Muvone®. Se evaluó el impacto de la intervención en los marcadores de recambio óseo (BTM) después de tres meses. Al final del ensayo, se midieron los cambios en la DMO para determinar si esta intervención de mHealth podría contribuir a la prevención de la osteoporosis. Resultados: Los resultados de los cinco estudios que componen esta tesis demostraron fuertes correlaciones entre Muvone® y los acelerómetros ActiGraph GT3X+ en las mediciones de aceleración pico, validando su uso como monitor de actividad portátil. Sin embargo, se encontraron bajas correlaciones entre la aceleración pico medida en la cadera y la muñeca en todas las pruebas de protocolo, destacando la importancia de la ubicación del acelerómetro en la cuantificación de la actividad física para los programas de prevención de osteoporosis. En la revisión sistemática y el meta-análisis, el ejercicio no supervisado mostró efectos positivos en la DMO de la columna lumbar y el cuello femoral, mientras que los ejercicios de carga dinámica de baja y alta fuerza mostraron efectos no significativos. En el estudio que utilizó marcadores de recambio óseo para la evaluación temprana de las intervenciones de actividad física, se observaron diferencias significativas en los marcadores de recambio óseo y las mediciones de DMO después de 3 y 6 meses, respectivamente, indicando el potencial de estas intervenciones para mejorar la DMO. Finalmente, la intervención de actividad física mHealth previno eficazmente la osteoporosis en mujeres premenopáusicas, como lo demuestran las diferencias significativas en la DMO del cuello femoral, la cadera total y L1-L4 entre los grupos de intervención y control. Discusión: Esta tesis tuvo como objetivo desarrollar e implementar tecnologías portátiles e intervenciones de mHealth para la prevención de la osteoporosis en mujeres premenopáusicas a través de un enfoque de tres fases: validación del acelerómetro Muvone®, revisión sistemática y meta-análisis de programas de ejercicio de prevención de osteoporosis no supervisados, y la implementación de una intervención de ejercicio basada en mHealth no supervisada en un RCT. La fase de validación reveló a Muvone® como una herramienta confiable para evaluar la carga mecánica, con las mediciones de la muñeca posiblemente sobrestimando la aceleración de la cadera. El meta-análisis demostró efectos positivos de los programas de ejercicios no supervisados en la DMO, particularmente con ejercicios de carga dinámica de alto impacto. El RCT en la fase 3 mostró la viabilidad y eficacia de una intervención de ejercicio basada en mHealth no supervisada utilizando Muvone®, con mejoras significativas en la DMO. El estudio también destacó el uso potencial de los BTM como mecanismos de retroalimentación temprana. Las limitaciones incluyen un rango limitado de actividades físicas para la validación de Muvone®, un tamaño de muestra pequeño y posibles variables de confusión en el meta-análisis. Las futuras investigaciones podrían explorar algoritmos de aprendizaje automático para el análisis de datos, integrar dispositivos adicionales para obtener información más completa y proporcionar acceso a los proveedores de atención médica a estos datos para estrategias de prevención más dirigidas. Conclusión: Las principales conclusiones de esta tesis doctoral son: (1) Muvone® es un dispositivo portátil validado para medir la aceleración en la muñeca y la cadera, adecuado para implementar programas de prevención de osteoporosis mHealth; (2) la aceleración medida en la muñeca puede sobrestimar la aceleración de la cadera, lo cual debe considerarse al cuantificar las cargas mecánicas en los programas de prevención de osteoporosis; (3) los programas de ejercicios no supervisados mejoran la DMO en las mujeres adultas, con ejercicios de alto impacto dinámicos siendo particularmente efectivos para la DMO del cuello femoral, y los beneficios observables en períodos más cortos que un año, especialmente en mujeres con osteopenia u osteoporosis; (4) el monitoreo del marcador de recambio óseo puede proporcionar retroalimentación temprana sobre la efectividad de las intervenciones de actividad física para mejorar la salud ósea y prevenir la osteoporosis; (5) una intervención de actividad física no supervisada utilizando tecnología portátil y una aplicación mHealth puede mejorar efectivamente la DMO en mujeres premenopáusicas, lo cual podría contribuir a la prevención de la osteoporosis.

  • English

    Introduction: Osteoporosis, a progressive systemic skeletal disease characterized by low bone mass and microarchitectural deterioration, results in increased bone fragility and susceptibility to fracture. This condition imposes a significant economic and healthcare burden, with an alarming prevalence among older adults. Physical activity can play a crucial role in enhancing bone health and mitigating the risk of osteoporosis. With advances in wearable technology, accelerometers have emerged as a promising tool for monitoring and quantifying exercise intensity, providing valuable insights into human motion and mechanical loading. By leveraging wearable accelerometers and mobile health (mHealth) applications, this thesis aims to develop and implement a nonsupervised physical activity program designed to enhance bone health and prevent osteoporosis, thus offering an accessible, cost-effective solution with the potential to reach a wider population. Methods: This thesis was structured in three distinct phases. In Phase I, the validity of a wearable accelerometer-based activity monitor, Muvone®, was assessed by comparing it with an ActiGraph GT3X+ during various exercise protocols. Measurements were recorded at both the wrist and hip to evaluate the significance of accelerometer placement in quantifying the intensity of osteogenic physical activities. In Phase II, a systematic review and meta-analysis were conducted to investigate the current evidence regarding non-supervised osteoporosis prevention exercise programs and their effects on bone mineral density (BMD) in adult women. Phase III involved a sixmonth randomized controlled trial evaluating the effects of an mHealth intervention that delivered a non-supervised exercise program for osteoporosis prevention using the Muvone® accelerometer. The intervention's impact on bone turnover markers (BTM) after three months was assessed. At the end of the trial, changes in BMD were measured to determine whether this mHealth intervention could contribute to the prevention of osteoporosis. Results: The results of the five studies comprising this thesis demonstrated strong correlations between Muvone® and ActiGraph GT3X+ accelerometers in peak acceleration measurements, validating their use as wearable activity monitor. However, low correlations were found between peak acceleration measured at the hip and wrist in all protocol tests, emphasizing the significance of accelerometer location in quantifying physical activity for osteoporosis prevention programs. In the systematic review and meta-analysis, unsupervised exercise exhibited positive effects on lumbar spine and femoral neck BMD, while dynamic weight-bearing exercises of low and high force showed non-significant effects. In the study using bone turnover markers for early assessment of physical activity interventions, significant differences were observed in bone turnover markers and BMD measurements after 3 and 6 months, respectively, indicating the potential for these interventions to improve BMD. Finally, the mHealth physical activity intervention effectively prevented osteoporosis in premenopausal women, as evidenced by significant differences in femoral neck, total hip, and L1-L4 BMD between intervention and control groups. Discussion: This thesis aimed to develop and implement wearable technologies and mHealth interventions for osteoporosis prevention in premenopausal women through a three-phase approach: validation of Muvone® accelerometer, systematic review and meta-analysis of non-supervised osteoporosis prevention exercise programs, and implementation of a non-supervised mHealth-based exercise intervention in an RCT. The validation phase revealed Muvone® as a reliable tool for assessing mechanical loading, with wrist measurements potentially overestimating hip acceleration. The meta-analysis demonstrated positive effects of non-supervised exercise programs on BMD, particularly with dynamic weight-bearing high-impact exercises. The RCT in phase 3 showcased the feasibility and effectiveness of a non-supervised exercise-based mHealth intervention using Muvone®, with significant improvements in BMD. The study also highlighted the potential use of BTMs as early feedback mechanisms. Limitations include a limited range of physical activities for Muvone® validation, small sample size, and potential confounding variables in the meta-analysis. Future research could explore machine learning algorithms for data analysis, integrate additional devices for comprehensive information, and provide healthcare providers access to this data for more targeted prevention strategies. Conclusion: The main conclusions of this doctoral thesis include: (1) Muvone® is a validated wearable device for measuring acceleration at the wrist and hip, suitable for implementing mHealth osteoporosis prevention programs; (2) wrist-measured acceleration may overestimate hip acceleration, which should be considered when quantifying mechanical loads in osteoporosis prevention programs; (3) non-supervised exercise programs improve BMD in adult women, with dynamic high-impact exercises being particularly effective for femoral neck BMD, and benefits observable in periods shorter than a year, especially in women with osteopenia or osteoporosis; (4) bone turnover marker monitoring can provide early feedback on the effectiveness of physical activity interventions for improving bone health and preventing osteoporosis; (5) a nonsupervised physical activity intervention using wearable technology and an mHealth app can effectively improve BMD in premenopausal women, potentially preventing osteoporosis.