TokenSTFormer: A Tokenized Spatial-temporal Attention Model for Holistic Motion Analysis in Adolescent Idiopathic Scoliosis Screening
تقدم هذه الورقة مجموعة بيانات ScoliGait ونموذج TokenSTFormer، وهو نموذج انتباه مكاني-زماني مُجزأ (tokenized) مبتكر يحقق دقة هي الأفضل في حالتها في فحص الجنف مجهول السبب لدى المراهقين من خلال الاستفادة من سمات حركة المشي الشمولية للتغلب على قيود الطرق التقليدية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يعد العمود الفقري البشري بنية مذهلة، صُممت لتكون مرنة وقوية في آن واحد، ومع ذلك يمكن أن يطور انحناءً جانبياً طفيفاً خلال سنوات المراهقة. هذه الحالة، المعروفة باسم الجنف مجهول السبب لدى المراهقين، تؤثر على جزء كبير من الأطفال حول العالم. وإذا تُركت دون ملاحظة، يمكن أن يزداد الانحناء سوءاً، مما يؤدي إلى آلام مزمنة وضيق عاطفي في وقت لاحق من الحياة. ولعقود من الزمن، اعتمد الأطباء على اختبار بدني بسيط حيث ينحني الطفل للأمام للكشف عن أي عدم تماثل في الظهر، أو على الأشعة السينية لقياس زاوية الانحناء بدقة. وبينما تعد الأشعة السينية هي المعيار الذهبي للتشخيص، إلا أنها تتضمن تعرضاً للإشعاع، كما يمكن أن تكون الاختبارات البدنية ذاتية، وتتفاوت بناءً على مهارة الفاحص أو بنية جسم المريض. وهناك حاجة متزايدة لطريقة فحص غير جراحية، وسهلة الاستخدام في المدارس أو العيادات، وقادرة على رصد هذه الانحناءات مبكراً قبل أن تصبح شديدة.
لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة هونغ كونغ نهجاً جديداً لهذه المشكلة من خلال النظر في كيفية مشي الناس. فبدلاً من الاعتماد على لقطة ثابتة للظهر أو صورة أشعة سينية واحدة، طوروا نظاماً يحلل حركة الجسم بأكمله بمرور الوقت. لقد أنشأوا مجموعة بيانات جديدة تسمى (ScoliGait)، تضم أكثر من 1,500 مقطع فيديو لآب مراهقين يمشون، كل منها مقترن بأشعة سينية مقابلة تؤكد ما إذا كان لديهم جنف أم لا. وتعد مجموعة البيانات هذه فريدة من نوعها لأنها تربط طريقة حركة الشخص بالتشخيص الطبي الفعلي، مما يوفر أساساً موثوقاً لتدريب الكمبيوتر على التعرف على العلامات الدقيقة للحالة. وقد وجد الباحثون أن طريقة مشي الشخص المصاب بالجنف تختلف عن الشخص غير المصاب، ليس فقط في وضعية عموده الفقري، بل في الأنماط الإيقاعية المعقدة لجسمه بأكمله.
ولفهم هذه الفيديوهات، بنى الفريق نموذجاً جديداً من أنواع الذكاء الاصطناعي يطلقون عليه اسم (TokenSTFormer). تخيل أخذ فيديو وتفكيكه إلى قطع صغيرة من المعلومات التي تمثل أين توجد أجزاء الجسم وكيف تتحرك بمرور الوقت. يعامل النموذج هذه القطع كـ "وحدات" (tokens) متميزة، مما يسمح له بفهم العلاقة بين شكل الجسم وتوقيت الحركة. ومن خلال تنظيم هذه المعلومات بطريقة محددة، يمكن للنموذج أن يتعلم كيفية رصد الأنماط الخفية التي تشير إلى انحناء العمود الفقري. وقد صمم الباحثون هذا النظام ليعمل مع كاميرا هاتف ذكي قياسية، مما يجعل من الممكن تسجيل طفل يمشي في ممر وتحليل اللقطات فوراً دون الحاجة إلى معدات طبية باهظة الثمن أو تعريض الطفل للإشعاع.
كانت نتائج اختباراتهم واعدة. فعندما قارنوا نموذجهم الجديد بنوع قياسي من أدوات تحليل الصور، تفوق نظامهم في تحديد المصابين بالحالة وغير المصابين بها على حد سواء. وفي اختباراتهم، حدد النموذج الحالة بشكل صحيح في ما يقرب من 85 بالمائة من الحالات التي كانت موجودة، وحافظ على مستوى عالٍ من الدقة بشكل عام. وهذا يشير إلى أن النموذج لا يقوم بمجرد التخمين، بل يتعلم حقاً الاختلافات المحددة في طريقة المشي التي تصاحب الجنف. كما أظهرت الدراسة أن تقسيم بيانات الحركة إلى هذه الوحدات المكانية والزمنية المحددة كان أمراً حاسماً؛ فبدون هذه الطريقة، انخفضت قدرة النموذج على اكتشاف الحالة بشكل كبير.
لم يتوقف الباحثون عند مجرد بناء النموذج؛ بل ابتكروا أيضاً طريقة لتمثيل بيانات الحركة تحمي خصوصية الأفراد. فبدلاً من تخزين الفيديو الفعلي للطفل، يقوم النظام بتحويل الحركة إلى "خريطة معرفة حركية" (kinematic knowledge map)، وهي مجموعة من الأرقام التي تصف الحركة دون الكشف عن هوية الشخص. وهذا يسمح باستخدام النظام على الأجهزة المحمولة مع الحفاظ على سرية البيانات وأمنها. وتسلط الدراسة الضوء على أنه من خلال التركيز على حركة الجسم بأكره بدلاً من مجرد زاوية واحدة أو صورة ثابتة، فمن الممكن إنشاء أداة فحص تكون فعالة وقابلة للتوسع. ورغم أن هذا العمل يعد خطوة كبيرة للأمام، إلا أن المؤلفين يشيرون إلى أنه "إثبات مفهوم" صُمم لتمهيد الطريق للتطبيقات السريرية المستقبلية، مما يوفر مساراً محتملاً نحو طريقة أبسط وأكثر أماناً وسهولة في فحص الجنف لدى المراهقين.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.