Abstract It is known that exercise strengthens bone and can prevent bone loss. However, the optimal amount and intensity of exercise beneficial to bones is not known, because there have been no long-term methods to evaluate the osteogenic features of exercise. The aim of the study was to reveal the determinants of physical activity or exercise beneficial for the bone, using novel accelerometer-based measurement of bone loading. Additionally, the study tested the applicability of a previously developed bone exercise regimen in Japanese women, using the same measurement technology. Acceleration data obtained in two exercise trials were analyzed. The subjects were healthy women aged 25–50 years who participated in 12-month high-impact exercise trials either in Finland or in Japan. The individual daily bone loading was assessed with a waist-worn accelerometer-based bone exercise recorder. Vertical acceleration peaks caused by impacts on the ground were recorded. Different key characteristics of the acceleration peaks were analyzed. A Daily Impact Score was developed to describe individual daily osteogenic loading. Bone mineral density was measured with dual x-ray absorptiometry at the proximal femur and lumbar spine, and cross-sectional geometry of mid-femur was assessed with spiral computed tomography. Calcaneus was assessed with quantitative ultrasound. Bone changes were analyzed with respect to the acceleration data. The results showed that the number of impacts during the first six months of exercise was associated with the 12-month bone changes at the hip and mid-femur. The slope, area and energy of the acceleration signal were significant determinants of bone density changes. The threshold of acceleration slope for improving bone mineral density at the hip was 100 g/s, which can be achieved during exercise including fast movements such as running and jumping. Daily Impact Score was able to describe the osteogenic potential of daily mechanical loading with a single score. The results also showed that bone exercise can be applied to Japanese premenopausal women. A brief high-impact exercise program with 50 jumps prevented bone loss at the femoral neck. The study gives new information on the measurement of bone-specific exercise. This information can be used in designing new feasible training programs for women to prevent osteoporosis and fracture risk factors. / Tiivistelmä Liikunta vahvistaa luustoa ja voi ehkäistä luukatoa. Luuston kannalta tehokkaimman liikunnan tarkkaa määrää ja laatua ei ole tiedetty, koska sen mittaamiseen ei ole ollut soveltuvaa menetelmää. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mitkä ryhmässä aiemmin kehitetyn luuliikuntaohjelman piirteet ovat tärkeimpiä luun vahvistumisen kannalta. Luuston kuormituksen mittaamiseen käytettiin uutta kiihtyvyysanturiin pohjautuvaa menetelmää eli luuliikuntamittaria. Samaa mittausmenetelmää käyttäen selvitettiin, onko luuliikuntaohjelma tehokas ja sovellettavissa myös japanilaisille naisille. Tutkittavat olivat 25–50 -vuotiaita naisia, jotka osallistuivat vuoden mittaiseen hyppyjä sisältävään liikuntaharjoitteluun Suomessa tai Japanissa. Naiset pitivät päivittäin vyötäröllään luuliikuntamittaria, jonka mittaamista kiihtyvyyspiikeistä eli impakteista analysoitiin kuormitusta kuvaavia piirteitä. Kerätyn kiihtyvyystiedon avulla kehitettiin myös uusi kuormitusindeksi kuvaamaan henkilön päivittäistä luustoon kohdistuvaa kuormitusta. Reisiluun yläosan ja lannerangan mineraalitiheyden muutos mitattiin kaksienergisellä röntgenlaitteella ja reisiluun varren poikkileikkauksen geometrian muutos määritettiin tietokonetomografialla. Kantaluun ominaisuuksien muutos mitattiin kvantitatiivisella ultraäänellä. Luustomuutoksia verrattiin mitattuun kuormitustietoon. Tulokset osoittivat, että korkeiden impaktien määrä harjoittelun kuuden ensimmäisen kuukauden aikana oli yhteydessä luun mineraalitiheyden ja geometrian myönteisiin muutoksiin. Kiihtyvyyspiikin kulmakerroin, pinta-ala ja energia olivat yhteydessä luustomuutokseen. Kiihtyvyyden kulmakertoimen kynnysarvo luuntiheyden paranemiseen lonkassa oli 100 g/s, joka voidaan saavuttaa nopeita liikkeitä sisältävässä liikunnassa, kuten juoksussa ja hypyissä. Päivittäinen kuormitusindeksi oli yhteydessä positiivisiin muutoksiin luuntiheydessä hyppyharjoitteluun osallistuneilla. Lisäksi tutkimuksen tulokset osoittivat, että luuliikuntaohjelma soveltuu myös japanilaisten naisten osteoporoosin ehkäisyyn. Lyhyt luuliikuntaohjelma, joka suoritettiin työpaikalla taukojen aikana kolmesti viikossa, ehkäisi reisiluun kaulan luukatoa japanilaisilla, premenopausaalisilla naisilla. Tutkimus antaa uutta tietoa luuliikunnan mittaamisesta ja tuloksia voidaan käyttää suunniteltaessa liikuntaohjeistuksia osteoporoosin ja murtumien riskitekijöiden ehkäisyyn.

Abstract About one third of home-dwelling older people suffer a fall ech year. The most consuming falls occur when the person is alone and unable to get up, resulting in long lies which are associated with institutionalisation and high morbidity-mortality rate. Even though personal emergency response systems provide applications to call for help, older people are not always able or willing to activate them. Hence, an automatic fall detection system is an important setting. Even though pilot applications and commercial fall detection systems exist, the real-life validation of these systems is scant. The aim of this study was to develop a validated acceleration-based method for fall detection to be adapted for real-life applications among older people. Methods capable of discriminating between falls and activities of daily living (ADL) were determined based on laboratory tests. The threshold-based algorithms were validated with intentional falls in 20 middle-aged test persons and ADL in 20 middle-aged and 21 older people. The algorithm for the waist with impact and end posture detection was able to discriminate falls from ADL with 97% sensitivity and 100% specificity. In order to validate the fall detection system, a field test was performed with 16 residents in elderly care units wearing a wireless sensor. During the 6-month test period, acceleration data from five real-life falls were collected. One of the falls resulted in a hip fracture. These falls showed similar features as intentional falls. However, high pre impact velocity was detected in the case with a fracture, but not in all falls with preventative actions. The system had a fall detection sensitivity of 71.4% with a false alarm rate of 1.1 alarms over a 24-hour time period in this real-life pilot test. The data from real-life falls provide important material for further development of fall detection and studies on fall mechanism and fall prevention. / Tiivistelmä Kotona asuvista yli 65-vuotiaista kaatuu vuosittain kolmannes. Mikäli kaatunut ei kykene nousemaan omin neuvoin, avun saaminen saattaa viivästyä. Tämä suurentaa sekä laitoshoitoon joutumisen todennäköisyyttä että kuoleman riskiä. Erilaisia hälytysjärjestelmiä on kyllä saatavilla, mutta ikääntyneet eivät aina kykene käyttämään niitä tai eivät jostain syystä halua tehdä hälytystä. Tämän vuoksi automaattiselle kaatumishälyttimelle on tarvetta. Tässä tutkimuksessa kehitettiin ja testattiin ikääntyneiden tarpeisiin soveltuva kiihtyvyysanturiin perustuva kaatumisen tunnistumenetelmä. Aineisto koottiin laboratorio-olosuhteissa kokeilla, joihin osallistui sekä nuoria että keski-ikäisiä. Raja-arvoon perustuvia tunnistusalgoritmeja testattiin 20 keski-ikäisen ohjeistettujen testikaatumisten sekä 20 keski-ikäisen ja 21 ikääntyneen arkisten askareiden tuottamalla datalla. Kaatumistapahtuman impaktin ja loppuasennon tunnistaminen vyötäröltä mitatuista kiihtyvyysarvoista erotteli kaatumisen muusta liikkeestä 95 % sensitiivisyydellä ja 100 % spesifisyydellä. Tunnistusmenetelmää testattiin kenttäkokeessa, jossa 16 ikääntynyttä hoitokodin asukasta piti vyötäröllään mittauslaitetta. Kuuden kuukauden aikana kiihtyvyyssignaali saatiin viidestä kaatumisesta. Yksi niistä aiheutti lonkkamurtuman. Analyysin mukaan näiden todellisten kaatumisten kiihtyvyyssignaalit muistuttivat testikaatumisia. Lonkkamurtumatapauksessa ennen impaktia mitattu nopeus oli erittäin korkea. Vastaavaa ei havaittu tapauksissa, joissa oli merkkejä siitä, että kaatumista oli yritetty estää. Kenttäkokeessa kaatumishälytysjärjestelmän sensitiivisyys oli 71.4 % ja vääriä hälytyksiä oli 1.1 vuorokaudessa. Tutkimuksessa saatua tietoa tosielämän kaatumistapahtumista voidaan käyttää hyväksi kehitettäessä kaatumisten ehkäisyä, niiden mekanismin tutkimista sekä kaatumisen tunnistusta kiihtyvyysanturien avulla.

Abstract Physical activity reduces mortality and morbidity and improves physical and psychological health. Lately, the detrimental health associations of excess sedentary time have also been acknowledged. It is still unknown how temporal patterns of physical activity and sedentary time are associated with health, as previous studies have mainly focused on summary metrics of these behaviors; for example, the weekly duration of moderate to vigorous physical activity. This study aimed to investigate the associations between the amount and temporal patterns of physical activity and sedentary time and health at mid-life. Physical activity and sedentary time were objectively measured for two weeks using an accelerometer-based activity monitor in the Northern Finland Birth Cohort 1966 46-year follow-up (n=5,621). Participants attended clinical examinations and completed health and behaviour questionnaires. A machine learning method (X-means cluster analysis) was used to identify distinct groups of participants with different patterns of physical activity and sedentary behaviour based on the activity data. A positive, dose-response association was found with perceived health and self-reported leisure time and objectively measured moderate to vigorous physical activity. Higher prolonged sedentary time was associated with better heart rate variability but not with resting heart rate or post-exercise heart rate recovery. Four distinct physical activity clusters (inactive, evening active, moderately active and very active) were recognised. The risk of developing cardiovascular disease was significantly lower in the very active cluster compared to the inactive, and in women also in the moderately active cluster compared to the inactive and evening active clusters. On average, the cardiovascular disease risk was low, indicating good cardiovascular health in the study population. Prolonged sedentary time was associated with cardiac autonomic function, which in this study was not explained by physical activity or cardiorespiratory fitness level. Higher cardiovascular disease risk was found in the activity clusters in which the amount of physical activity was lower and in women took place later in the evening. Results of the study can be used for designing feasible interventions for risk groups with unhealthy physical activity and sedentary behaviour patterns. / Tiivistelmä Fyysinen aktiivisuus vähentää sairastavuutta, kuolleisuutta sekä parantaa fyysistä ja psyykkistä terveyttä. Viime aikoina on lisäksi tunnistettu liiallisen paikallaanolon terveyshaitat. Vielä ei tiedetä, miten fyysisen aktiivisuuden ja paikallaanolon ajallinen jakautuminen päivän aikana vaikuttaa terveyteen, koska aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet enimmäkseen tiettyihin summamuuttujiin kuten kohtuullisesti kuormittavan liikkumisen määrään viikossa. Työn tarkoituksena oli tutkia fyysisen aktiivisuuden ja paikallaanolon määrän ja ajallisen jakautumisen terveysyhteyksiä keski-iässä. Fyysinen aktiivisuus ja paikallaanolo mitattiin kiihtyvyysanturipohjaisella aktiivisuusmittarilla kahden viikon ajan Pohjois-Suomen vuoden 1966 syntymäkohortin 46-vuotistutkimuksessa (n=5621). Tutkittavat osallistuivat kliinisiin tutkimuksiin ja täyttivät kyselyitä terveydentilastaan ja käyttäytymisestään. Koneoppimismenetelmällä (X-means cluster analysis) tutkittavat luokiteltiin aktiivisuusdatan perusteella ryhmiin, joissa fyysisen aktiivisuuden määrä ja ajallinen jakautuminen päivän aikana poikkesi mahdollisimman paljon ryhmien välillä. Positiivinen annos-vasteyhteys löydettiin koetun terveyden ja itseraportoidun vapaa-ajan liikunnan sekä mitatun kohtuullisesti kuormittavan liikkumisen väliltä. Suurempi pitkittynyt paikallaanoloaika oli yhteydessä parempaan sykevälivaihteluun mutta ei leposykkeeseen tai harjoituksen jälkeiseen sykkeen palautumiseen. Neljä aktiivisuusryhmää tunnistettiin (inaktiiviset, ilta-aktiiviset, kohtuullisen aktiiviset ja erittäin aktiiviset). Sydän- ja verisuonitautien sairastumisriski oli merkitsevästi pienempi erittäin aktiivisessa ryhmässä verrattuna inaktiiviseen ryhmään ja lisäksi naisilla kohtuullisen aktiivisessa ryhmässä verrattuna inaktiiviseen ja ilta-aktiiviseen ryhmään. Sairastumisriski oli keskimäärin matala viitaten hyvään sydänterveyteen tutkimusjoukossa. Pitkillä paikallaanolojaksoilla oli yhteys sydämen autonomiseen säätelyyn, jota tässä työssä ei selittänyt fyysinen aktiivisuus tai aerobinen kunto. Korkeampi sydän- ja verisuonitautien riski löydettiin aktiivisuusryhmistä, joissa fyysisen aktiivisuuden määrä oli vähäisempää ja naisilla painottunut myöhäisempään iltaan. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää interventioiden suunnittelussa riskiryhmille, joiden fyysisen aktiivisuuden ja paikallaanolon piirteet ovat terveydelle haitallisia.

Abstract A low level of physical activity and poor physical fitness are important risk factors of chronic non-communicable diseases and all-cause mortality. Much of the risk of these diseases originates in fetal life. The associations of early-life determinants with physical activity and fitness later in life are as yet not well studied. The aim of this work was to investigate early-life factors as predictors of physical activity and fitness in adolescence and young adulthood. We assessed a wide range of parental and pregnancy-related factors in 16-year-old adolescent participants of the Northern Finland Birth Cohort 1986 (n=7,344), and focused on the long-term consequences of preterm birth in the 23-year-old adult participants of the ESTER study (n=1,161). Prenatal and parental predictors of low physical activity and cardiorespiratory fitness in adolescence included high gestational age-related birth weight as well as parental overweight or obesity. Also, both short and long gestational lengths were associated with lower physical activity, and maternal gestational diabetes mellitus and smoking during pregnancy were associated with lower cardiorespiratory fitness. Young adults born before 34 weeks of gestation reported substantially less leisure-time physical activity than those born at term, although this was not detected by accelerometer measurement. Those born preterm had lower muscular fitness, as individuals born before 37 weeks were able to perform fewer modified push-ups, and those born before 34 weeks had lower handgrip strength, but no difference was observed in cardiorespiratory fitness. Based on questionnaire data, young adults born before 34 weeks perceived themselves to be less fit than their term-born peers. Most individuals exposed to preterm birth or maternal gestational disorders are relatively healthy when reaching adulthood. However, their lower levels of physical activity and physical fitness compared with their peers born at term may contribute to a higher risk of chronic non-communicable diseases in later life. Finding physical activities that are suitable for each individual is essential to promote well-being and health and diminish the increased disease risk later in life. / Tiivistelmä Vähäinen fyysinen aktiivisuus ja heikko fyysinen kunto ovat merkittäviä kroonisten sairauksien ja ennenaikaisen kuoleman riskitekijöitä. Jo sikiökautisten tekijöiden tiedetään vaikuttavan syntyvän lapsen kroonisten sairauksien riskiin myöhemmin elämässä, mutta elämän varhaisvaiheen tekijöiden yhteyttä myöhempään fyysiseen aktiivisuuteen ja kuntoon on tutkittu verrattain vähän. Väitöstutkimuksen tavoitteena oli selvittää elämän varhaisvaiheen tekijöiden yhteyttä fyysiseen aktiivisuuteen ja kuntoon nuoruusiässä ja nuorena aikuisena. Tarkastelimme useiden vanhempiin ja raskausaikaan liittyvien tekijöiden vaikutuksia Pohjois-Suomen syntymäkohortti 1986 16-vuotistutkimuksessa (n=7344) ja keskityimme ennenaikaisen syntymän pitkäaikaisvaikutuksiin ESTER-tutkimuksen 23-vuotiaiden nuorten aikuisten aineistossa (n=1161). Tutkimustulostemme mukaan raskauden kestoon suhteutettu suuri syntymäpaino sekä vanhempien ylipaino tai lihavuus ennustivat vähäisempää liikunta-aktiivisuutta ja heikompaa kestävyyskuntoa nuoruusiässä. Sekä keskimääräistä lyhyempi että pidempi raskaudenkesto olivat yhteydessä vähäisempään liikunta-aktiivisuuteen ja äidin raskausdiabetes ja tupakointi raskauden aikana puolestaan heikompaan kestävyyskuntoon. Alle 34-viikkoisena syntyneet raportoivat liikkuvansa nuorena aikuisena vapaa-aikanaan huomattavasti vähemmän kuin täysiaikaisena syntyneet, vaikka eroa ei kiihtyvyysantureilla mitattuna fyysisessä aktiivisuudessa havaittukaan. Verrattuna täysiaikaisena syntyneisiin, ennenaikaisesti syntyneillä aikuisilla oli heikompi lihaskunto etunojapunnerrustestillä mitattuna ja hyvin ennenaikaisesti syntyneillä käden puristusvoima oli heikompi. Kestävyyskunnossa ei havaittu eroja. Hyvin ennenaikaisesti syntyneet myös arvioivat fyysisen kuntonsa huonommaksi kuin täysiaikaisena syntyneet ikätoverinsa. Vaikka valtaosa ennenaikaisena syntyneistä ja äidin raskaudenaikaisille sairauksille altistuneista on aikuisena varsin terveitä, liikunnan vähäisyys ja heikko fyysinen kunto voivat lisätä kroonisten sairauksien riskiä myöhemmin elämässä. Siksi tähän ryhmään kuuluvia tulisi erityisesti auttaa löytämään itselleen sopivia liikuntamuotoja hyvinvoinnin ja terveyden edistämiseksi ja siten myöhempien sairauksien ennaltaehkäisemiseksi.