Maximizing Task Endurance through Muscle Fatigue Minimization with Consideration of Muscle Fatigability and Task Contribution: an in-Silico FES Study of Handcycling

ملخص تقني: تعظيم قدرة التحمل في المهام من خلال تقليل إجهاد العضلات في ركوب الدراجات اليدوية المدفوع بالتحفيز الكهربائي الوظيفي (FES)

بيان المشكلة
يُعد التحفيز الكهربائي الوظيفي (FES) تقنية لإعادة التأهيل تُستخدم لاستعادة الوظيفة الحركية بعد الاضطرابات العصبية العضلية. ومع ذلك، فإن فائدته السريرية تتعرقل بشكل كبير بسبب الظهور المبكر لإجهاد العضلات المحيطية. وخلافًا للتوظيف الطبيعي للأليب، الذي ينشط بشكل تفضيلي الألياف بطيئة الانقباض أثناء مهام التحمل، يقوم الـ FES بتنشيط الوحدات الحركية بشكل متزامن تحت الأقطاب الكهربائية مع قدرة محدودة على انتقاء نوع الألياف، مما يؤدي إلى إجهاد سريع. وبينما توجد استراتيجيات متنوعة للتخفيف من حدة الإجهاد على مستوى العضلة (مثل تعديل التردد أو عرض النبضة)، إلا أنها غالبًا ما تفشل في مراعاة الفائض الميكانيكي للنظام العضلي الهيكلي. وتتعامل طرق التحكم الأمثل الحالية في الـ FES غالبًا مع الإجهاد كعنصر تشويش بدلاً من كونه حالة يجب تقليلها، كما أن دوال التكلفة الحالية (التي تهدف عادةً إلى تقليل الشحنة الكهربائية أو عرض النبضة) لم تُقارن بدقة من حيث قدرتها على إطالة مدة المهمة. تعالج هذه الدراسة الفجوة في تحديد دوال التكلفة واستراتيجيات الأوزان التي تعظم قدرة تحمل المهام في نظام طرف علوي يتسم بالفائض الحركي.

المنهجية
استخدمت الدراسة نهجًا محاكيًا (in-silico) باستخدام نموذج عضلي هيكلي بـ درجتين من الحرية و4 عضلات للطرف العلوي الأيمن (العضلة الدالية الأمامية/الخلفية، العضلة ذات الرأسين، العضلة ثلاثية الرؤوس) مُكيف لمهمة ركوب دراجة يدوية بسرعة 60 دورة في الدقيقة. دمجت ديناميكيات النظام بين نموذج عضلي هيكلي ونماذج نبض وعرض نبضة وإجهاد (Ding et al. 2003, 2007) الظواهرية.

تمثلت المنهجية الجوهرية في مخطط التحكم الأمثل في الأفق المتراجع (RHOC). ونظرًا لاستحالة حل عملية تحسين واحدة لمدة 20 دقيقة حسابيًا، تم تقسيم المشكلة إلى نوافذ تتراوح من 2 إلى 5 دورات من حركة التدوير. استمرت الدراسة في ثلاث مراحل متميزة:

1. مقارنة دالة التكلفة: تم تقييم سبعة عشر دالة تكلفة، تجمع بين أربعة نماذج نمطية (المتوسط، التربيعي، التكعيبي، واللانهاية) مع خمسة متغيرات فسيولوجية/تحفيزية (عرض النبضة، قوة العضلة، الإجهاد، القدرة، وحالة الإجهاد $a'$). تمت مقارنتها بنمط تحفيز قياسي شبيه بالنمط السريري.
2. التحسين البايزي (Bayesian Optimization): استُخدم نهج التحسين البايزي كطريقة "الصندوق الأسود" في الحلقة الخارجية لضبط الأوزان الخاصة بكل عضلة ضمن دالة تكلفة إجهاد تربيعية. هدف ذلك إلى تعظيم عدد الدورات المكتملة قبل فشل المهمة، من خلال استكشاف مساحة بحث لأوزان العضلات الأربع.
3. اشتقاق الوزن الفسيولوجي: لمعالجة التكلفة الحسابية العالية للتحسين البايزي (135 ساعة)، تم اقتراح طريقة أصلية وقابلة للتفسير. قامت هذه الطريقة بحساب أوزان العضلات بناءً على مقياسين: قابلية العضلة للإجهاد (معدل انخفاض القوة تحت الطلب العالي) والحرجية الميكانيكية (المساهمة الفريدة في عزم الدوران والدعم قبل مناطق العزم السالب).

المساهمات الرئيسية

• المقارنة المنهجية لدوال التكلفة: تقدم الدراسة تقييمًا شاملًا لـ 17 تنويعًا لدوال التكلفة، مما يثبت أن اختيار المتغير المستهدف له تأثير أكبر بكثير على التحمل من النموذج النمطي الرياضي.
• استراتيجية التحسين الموزون: تقدم إطارًا لدمج الأوزان الخاصة بكل عضلة في التحكم الأمثل لـ FES، متجاوزةً دوال التكلفة الموحدة لتأخذ في الاعتبار الاختلافات الفسيولوجية (القابلية للإجهاد) والأدوار الميكانيكية.
• الاستدلال الموزون القابل للتفسير: تقترح الورقة طريقة حساب سريعة (أقل من ثانية واحدة) لأوزان العضلات بناءً على القابلية للإجهاد والحرجية الميكانيكية، مما يوفر بديلًا عمليًا للتحسين البايزي المكلف حسابيًا مع تحقيق أداء مماثل.
• تحديد آليات الفشل: تحدد الدراسة أن فشل المهمة في ركوب الدراجات اليدوية لا يعود فقط إلى الإجهاد العام، بل يتم دفعه بواسطة عضلات محددة (خاصة العضلة الدالية الأمامية والعضلة ذات الرأسين) التي تصل إلى مرحلة التشبع، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى إعادة توزيع الجهد بشكل تكيفي.

النتائج

• أداء دالة التكلفة: حققت دالة تقليل الإجهاد ($\phi_{a'}^2$) أفضل نتيجة للتحمل، حيث حققت زيادة بنسبة 74.7% في الدورات مقارنة بتقليل عرض النبضة القياسي ($\phi_{pw}^1$)، وبنسبة 42.9% مقارنة بتقليل إجهاد العضلة. وقد شكل المتغير المُحسن (الإجهاد) 49.8% من تباين التحمل، بينما شكل النموذج النمطي 20.4%.
• التحسين البايزي: أدى تحسين الأوزان الخاصة بالعضلات عبر الطرق البايزية إلى زيادة التحمل بمقدار 40.6% إضافية (لتصل إلى 1,729 دورة) مقارنة بتقليل الإجهاد غير الموزون. نجحت هذه الاستراتيجية في إعادة توزيع الجهد نحو العضلة ثلاثية الرؤوس الأكثر مقاومة للإجهاد بعيدًا عن العضلة الدالية الأمامية سريعة الإجهاد. ومع ذلك، تطلبت هذه الطريقة 135 ساعة من الحسابات، مما يحد من قابليتها للتطبيق السريري الفوري.
• الوزن الفسيولوجي: حققت الطريقة الاستدلالية المقترحة، والتي دمجت قابلية إجهاد العضلة والحرجية الميكانيكية، زيادة بنسبة 37.6% في التحمل (1,692 دورة) مقارنة بالخط المرجعي غير الموزون. كانت هذه النتيجة مطابقة تقريبًا لنتيجة التحسين البايزي، ولكن تم حسابها في أقل من ثانية واحدة.
• أنماط التحفيز: تحولت الاستراتيجيات المُحسنة من التوزيع الموحد إلى الأنماط التكيفية. على سبيل المثال، عزز تقليل الإجهاد نبضات التحفيز القصيرة مع عروض نبض أطول، بينما فضل تقليل عرض النبضة التحكم المنخفض والموزع. وازنت الاستراتيجيات الموزونة بين تقدم الإجهاد، مما أخر النقطة التي تصل فيها العضلات الحرجة (الدالية الأمامية، ذات الرأسين) إلى 50% من سعة قوتها.

الأهمية
تجادل الورقة بأن تعظيم قدرة التحمل في إعادة تأهيل FES يتطلب تجاوز مجرد تقليل الشحنة. تكمن الأهمية الأساسية في إثبات أن مراعاة الطبيعة متعددة العوامل للتحمل — وتحديدًا التفاعل بين قابلية إجهاد العضلة والحرجية الميكانيكية — أمر ضروري لإطالة النشاط المدفوع بـ FES.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما يعد تقليل متغير حالة الإجهاد هو النموذج الأكثر فعالية لدالة التكلفة، فإن أداءه يعتمد بشدة على كيفية توزيع المتحكم للجهد بين العضلات الفائضة. توفر طريقة الوزن المقترحة حلاً عمليًا، وقابلاً للتفسير، وفعالاً من حيث الحساب لتخصيص استراتيجيات التحفيز دون التكلفة الباهظة للتحسين التكراري. ومن خلال منع الإنهاك المبكر للعضلات الحرجة ميكانيكيًا أو سريعة الإجهاد، تدعم هذه الاستراتيجيات إمكانية جلسات إعادة تأهيل أطول وأكثر فعالية، مما يعالج حاجزًا رئيسيًا أمام الاعتماد السريري لـ FES.