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 Osteoporotic hip fractures are associated with high mortality and morbidity rates as well as significant costs. Low-frequency (LF) axial transmission ultrasound is a promising modality for assessing mineral density and geometrical properties. Thus, it may yield additional information on the risk of osteoporotic fractures. This study aimed to evaluate the ability of LF ultrasound to assess osteoporotic status and the risk of fracture in postmenopausal women. Also, lifestyle-related risk factors of hip fractures and the additional discrimination value of combining lifestyle-related risk factors and LF ultrasound velocity were assessed. Two study populations were used. The first consisted of 1,222 older women. Lifestyle-related risk factors and mobility were assessed at baseline. The women were followed for 13 years and the fractures that occurred were recorded. A subgroup of the women was later measured with LF ultrasound and dual-energy x-ray absorptiometry (DXA). The other study population included 95 postmenopausal women whose fracture history was gathered and bone status assessed with LF ultrasound, DXA and peripheral quantitative computed tomography (pQCT). Low body mass and impaired mobility predicted hip fractures. In addition, the risk of cervical hip fracture was increased by low physical activity and decreased by moderate coffee consumption and hypertension. Smoking and old age increased the risk of trochanteric hip fracture. The LF ultrasound velocity reflected to some degree the geometry and bone mineral density of the proximal femur. Decreased low-frequency ultrasound velocity was a significant risk factor of hip fracture even when combined with lifestyle-related risk factors. The LF ultrasound method showed similar fracture discrimination ability compared to DXA and pQCT, especially on the radius. In conclusion, the LF ultrasound method showed promising results in bone characterization and fracture discrimination. Further prospective studies with larger population are needed to confirm the combined effect of clinical risk factors and LF ultrasound. / Tiivistelmä Osteoporoottisiin lonkkamurtumiin liittyy korkean sairastavuuden ja kuolleisuuden lisäksi huomattavat taloudelliset kustannukset. Tässä työssä tutkittiin matalataajuisen ultraäänitekniikan soveltuvuutta osteoporoosin ja murtumariskin arviointiin. Matalataajuista luun pituusakselin suuntaista ultraäänitekniikkaa voidaan käyttää luun mineraalitiheyden ja rakenteen tutkimiseen. Lisäksi tutkittiin elintapoihin liittyviä lonkkamurtuman riskitekijöitä sekä näiden yhdistämistä ultraäänimittaustulosten kanssa riskimalliin. Tutkimuksessa käytettiin kahta tutkimuspopulaatiota. Ensimmäisen muodosti 1222 ikääntynyttä naista, joiden elintavat ja liikuntakyky kartoitettiin tutkimuksen alussa. Kolmentoista vuoden seuranta-ajan aikana tapahtuneet murtumat kerättiin potilasarkistoista. Osa naisista osallistui matalataajuisella aksiaalisuuntaisella ultraäänellä tehtyyn mittaukseen ja kaksienergiseen röntgentutkimukseen (DXA). Toinen tutkimuspopulaatio koostui 95 postmenopausaalisesta naisesta. Naisten murtumahistoria kerättiin ja heille tehtiin matalataajuinen ultraäänimittaus sekä DXA- ja perifeerinen tietokonetomografiatutkimus (pQCT). Alhainen painoindeksi ja heikentynyt liikuntakyky lisäsivät lonkkamurtuman riskiä. Vähäinen fyysinen aktiivisuus lisäsi ja kohtalainen kahvinjuonti ja verenpainetauti alensivat reisiluun kaulan murtumariskiä. Tupakointi ja korkea ikä kasvattivat sarvennoisen alueen lonkkamurtuman riskiä. Matalataajuisen ultraäänen nopeus oli yhteydessä reisiluun yläosan geometriaan ja mineraalitiheyteen. Alhainen ultraäänen nopeus oli merkittävä lonkkamurtuman riskitekijä sekä yksin että yhdistettynä elintapamuuttujiin. Lisäksi ultraäänimenetelmä saavutti röntgenmenetelmiin (DXA ja pQCT) verrattavan erottelukyvyn murtumapotilaiden ja kontrollihenkilöiden välillä. Tutkittu ultraäänimenetelmä osoittautui lupaavaksi työkaluksi luun karakterisoinnissa ja murtumariskin arvioinnissa. Laajempia seurantatutkimuksia tulosten vahvistamiseksi tarvitaan erityisesti elintapoihin liittyvien riskitekijöiden ja ultraäänen yhdistämisen osalta.

Abstract Osteoarthritis (OA) is the commonest joint disease in the world, and it has a major socioeconomic impact. OA causes progressive degenerative changes in the composition and structure of articular cartilage and subchondral bone. Clinical diagnosis of OA is based on physical examination and qualitative evaluation of changes on plain radiographs. Current clinical imaging methods are subjective or insensitive to early OA changes. Therefore, new methods are needed so as to quantify composition of the cartilage and characteristics of the subchondral bone. The aim of this thesis was to evaluate the potential of clinically applicable X-ray-based methods for the assessment of the cartilage proteoglycan content as well as the structure and density of subchondral bone in a knee joint. Subchondral bone density and structure (local binary patterns, Laplacian, and fractal-based algorithms) analysis methods for two-dimensional (2-D) plain radiographs were validated against three-dimensional (3-D) bone microarchitecture obtained from micro-computed tomography ex vivo and applied to plain radiographs in vivo. Furthermore, a method developed for the evaluation of articular cartilage proteoglycan content from computed tomography (CT) was validated against a delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging of cartilage (dGEMRIC), which is widely used as a proteoglycan sensitive method, in subjects referred for an arthroscopy of the knee joint. Subchondral bone density and structure evaluated from 2-D radiographs were significantly related to the bone volume fraction and true 3-D microarchitecture of bone, respectively. In addition, bone density- and structure-related parameters from radiographs were significantly different among subjects with different stages of OA. Cartilage proteoglycan content evaluated from CT was significantly related to dGEMRIC method. Furthermore, dGEMRIC was associated with bone structure from a 2-D radiograph. In conclusion, analysis of bone structure and density is feasible from clinically available 2-D radiographs. A novel CT method sensitive to proteoglycan content should be considered when a 3-D view of cartilage quality is needed. / Tiivistelmä Nivelrikko on maailman yleisin nivelsairaus. Se aiheuttaa merkittävää kärsimystä potilaille, ja sillä on suuri taloudellinen vaikutus yhteiskuntaan. Nivelrikko aiheuttaa palautumattomia muutoksia nivelrustokudoksen ja rustonalaisen luun koostumukseen ja rakenteeseen. Nivelrikon diagnoosi perustuu kliiniseen tutkimukseen ja röntgenkuvien silmämääräiseen arviointiin. Nykyiset nivelrikon kliiniset kuvantamismenetelmät ovat subjektiivisia eivätkä riittävän tarkkoja nivelrikon varhaisten muutosten osoittamiseen, minkä vuoksi rustokudoksen koostumuksen ja rustonalaisen luun muutosten arviointiin tarvitaan uusia menetelmiä. Tämän väitöskirjantyön tarkoituksena oli tutkia uusien röntgensäteilyyn perustuvien menetelmien soveltuvuutta polvinivelen rustokudoksen proteoglykaanipitoisuuden sekä luun tiheyden ja rakenteen arviointiin. Rustonalaisen luun tiheyttä ja rakennetta arvioitiin digitaalisesta röntgenkuvasta tietokonepohjaisilla menetelmillä ja tuloksia verrattiin mikrotietokonetomografiassa nähtävään luun kolmiulotteiseen rakenteeseen. Röntgenkuvasta laskettavia muuttujia verrattiin myös eriasteisesta nivelrikosta kärsivien henkilöiden välillä. Rustokudoksen proteoglykaanipitoisuutta epäsuorasti mittaavaa tietokonetomografiamenetelmää verrattiin vastaavaan magneettikuvausmenetelmään henkilöillä, jotka olivat menossa polven niveltähystykseen. Röntgenkuvasta laskettu rustonalaisen luun tiheys ja rakenne olivat tilastollisesti selkeästi yhteydessä luun tilavuusmäärään ja mikrorakenteeseen, ja ne erosivat eriasteisesta nivelrikosta kärsivien henkilöiden välillä. Proteoglykaanipitoisuutta arvioivien tietokonetomografia- ja magneettikuvausmenetelmien välillä oli tilastollisesti merkitsevä korrelaatio. Ruston proteoglykaanipitoisuutta arvioivan magneettikuvausmenetelmän ja röntgenkuvasta laskettavan luun rakenteen välillä oli myös tilastollinen yhteys. Loppupäätelmänä voidaan todeta, että luun tiheyttä ja rakennetta on mahdollista arvioida kliinisesti saatavilla olevista röntgenkuvista. Tietokonetomografiamenetelmän käyttöä tulee harkita tutkimuksissa silloin, kun rustokudoksen tilasta halutaan kolmiulotteista tietoa.

Abstract Ageing populations have made osteoporosis and fragility fractures a major public health concern worldwide. Half of all women and 30% of all men will suffer a fracture related to osteoporosis during their lifetime. While medical prevention of this immense problem is impossible at population level, it is necessary to find efficient preventive strategies. Exercise is one of the major prevention approaches because one reason behind the increasing burden of osteoporosis is the modern sedentary lifestyle. However, the optimal type, intensity, frequency, and duration of exercise that best enhances skeletal integrity are still largely unknown. We conducted a 12-month population-based randomized controlled exercise intervention in 120 premenopausal women. The aim was to investigate the effect of impact exercise on bone mineral density, geometry and metabolism in healthy women with the intention of assessing the intensity and amount of impact loading with a novel accelerometer-based measurement device. Training effects on risk factors of osteoporotic fractures, physical performance and risk factors of cardiovascular diseases were also evaluated. This study demonstrated that 12 months of regular impact exercise favoured bone formation, increased bone mineral density in weight-bearing bones, especially at the hip, and led to geometric adaptations by increasing periosteal circumference. Bone adaptations had a dose- and intensity-dependent relationship with measured impact loading. Changes in proximal femur were threshold-dependent, indicating the importance of high impacts exceeding acceleration of 4 g as an osteogenic stimulus. The number of impacts needed to achieve this stimulation was 60 per day. Impact exercise also had a favourable effect on physical performance and cardiorespiratory risk factors by increasing maximal oxygen uptake, dynamic leg strength and decreasing low-density lipoproteins and waist circumference. Changes were dose-dependent with impact loading at wide intensity range. Bone adapts to impact loading through various mechanisms to ensure optimal bone strength. The number of impacts needed to achieve bone stimulation appeared to be 60 per day, comparable to the same number of daily jumps. If done on a regular basis, impact exercise may be an efficient and safe way of preventing osteoporosis. / Tiivistelmä Väestön ikääntymisen ja elintapojen muutosten myötä osteoporoosista ja osteoporoottisista murtumista on tullut maailmanlaajuinen terveysongelma. Ongelman laajuuden vuoksi murtumien lääkkeellinen ehkäisy ei ole mahdollista kattavasti väestötasolla, joten vaihtoehtoisten ehkäisymenetelmien kehittäminen on välttämätöntä. Liikunta on yksi potentiaalinen ehkäisykeino, koska yksi tärkeä tekijä ongelman taustalla on arkiliikunnan vähentyminen. Liikunnan tiedetään hyödyttävän luustoa, mutta optimaalisen liikunnan tyyppi, intensiteetti, määrä ja kesto ovat kuitenkin selvittämättä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää hyppyharjoittelun vaikutusta 35–40-vuotiaiden naisten luun tiheyteen, geometriaan ja aineenvaihduntaan sekä määrittää luun kannalta optimaalisen harjoittelun määrä ja voimakkuus. Tutkimuksessa selvitettiin myös harjoittelun vaikutuksia fyysiseen suorituskykyyn, sekä sydän- ja verisuonisairauksien riskitekijöihin. Toteutimme väestöpohjaisen, satunnaistetun, kontrolloidun 12 kuukauden mittaisen liikuntaintervention, johon osallistui 120 naista. Intervention aikana mittasimme hyppykuormitusten määrää ja voimakkuutta uudella kiihtyvyysanturiin perustuvalla menetelmällä. Nousujohteinen hyppyharjoittelu aiheutti kuormitetuissa luissa muutoksia, joista keskeiset olivat luuntiheyden ja luun ympärysmitan kasvu. Lisäksi luuston aineenvaihdunnassa tapahtui muutoksia, jotka osoittivat luun uudismuodostuksen lisääntyneen. Luun mukautumisen ja mitattujen iskukuormitusten välillä havaittiin annos-vastesuhde. Kuormitusten voimakkuus oli olennaista, sillä reisiluun kaulan luuntiheyden muutokset olivat yhteydessä kuormituksiin, joiden kiihtyvyys oli yli 4 kertaa maan vetovoiman (g) suuruinen. Luustomuutoksen saavuttamiseen tarvittavien kuormitusten määrä yli 4 g:n tasolla oli kuitenkin vain 60 kuormitusta vuorokaudessa, jotka voidaan turvallisesti saavuttaa normaaleilla hypyillä. Liikuntaharjoittelu paransi myös kolesteroliarvoja, maksimaalista hapenottokykyä, voimatasoja sekä pienensi vyötärön ympärystä, vaikuttaen näin positiivisesti sydän- ja verisuonisairauksien riskitekijöihin. Tutkimus osoitti luun mukautuvan muuttuneisiin kuormituksiin useiden mekanismien kautta ja mukautumisen olevan kuormitusten intensiteetistä riippuvaista. Osteoporoosin ehkäisyn kannalta tehokas ja turvallinen kuormitusmäärä näyttää olevan 60 hyppyä päivässä.