IMU-Based Hip Adduction and Flexion Moment Estimation for Osteoarthritis and Healthy Individuals During Normal and Modified Gait

بالنسبة لملايين الأشخاص الذين يعيشون مع التهاب مفاصل الورك، فإن الفعل البسيط المتمثل في المشي هو عملية تفاوض مستمرة مع الألم. تسبب هذه الحالة في تآكل الغضروف الناعم الذي يحمي المفصل، مما يحول كل خطوة إلى احتكاك طاحن يمكن أن يؤدي إلى إعاقة شديدة. وبينما يستطيع الأطباء رؤية الضرر في صور الأشعة السينية، فإن القصة الحقيقية للمرض تتجلى في القوى غير المرئية التي تؤثر على الجسم أثناء حركة الشخص. ففي كل مرة تلمس فيها القدم الأرض، يمتص مفصل الورك حملاً هائلاً، وتحدد طريقة مشي الشخص — كيف يميل، وكيف يوجه أصابع قدميه، ومدى سرعته — مقدار الإجهاد الذي يتعرض له ذلك المفصل بالضبط. ومع مرور الوقت، يمكن لهذه القوى التراكمية أن تسرع من وتيرة المرض، ومع ذلك، بالنسبة لمعظم المرضى، يحدث هذا التحميل الخطير في هدوء حياتهم اليومية، بعيداً عن العيادات المتخصصة حيث تُجرى مثل هذه القياسات عادةً.

حتى الآن، تطلب فهم هذه القوى الذهاب إلى مختبر الميكانيكا الحيوية. هناك، يمشي المرضى عبر أرضية مزودة بمستشعرات ضغط عملاقة بينما تتبع الكاميرات حركاتهم بدقة الليزر. يوفر هذا الإعداد لقطة تفصيلية لإجهاد المفصل، ولكنه مكلف، ومرهق، ولا يلتقط إلا ثوانٍ معدودة من المشي في بيئة محكومة. لا يمكنه إخبار الطبيب كيف يتصرف ورك المريض أثناء نزهة صباحية في الحديقة، أو جولة تسوق في المتجر، أو لحظة تشتت ذهني. لقد كان التحدي أمام العلوم الطبية هو إيجاد طريقة لنقل هذا المستوى من الرؤية من المختبر إلى العالم الحقيقي، باستخدام أجهزة صغيرة قابلة للارتداء يمكنها تتبع حركة الجسم دون الحاجة إلى غرفة مليئة بالمعدات.

لقد اتخذ فريق من الباحثين من جامعة شانغهاي جياو تونغ، وجامعة كيوتو، والجامعة الصينية في هونغ كونغ خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة. فقد طوروا طريقة جديدة لتقدير قوى الالتواء والانحناء داخل مفصل الورك باستخدام مستشعرات صغيرة فقط مثبتة على الجسم. هذه المستشعرات، المعروفة باسم وحدات القياس بالقصور الذاتي، هي أجهزة صغيرة يمكنها اكتشاف التسارع والدوران، تشبه الرقائق الموجودة في الهواتف الذكية. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم استخدام هذه الإشارات البسيطة لإعادة بناء القوى المعقدة المؤثرة على الورك، حتى بالنسبة للأشخاص المصابين بالتهاب المفاصل وحتى عندما يغير هؤلاء الأشخاص طريقة مشيهم.

لاختبار فكرتهم، استعان الفريق بـ 84 مشاركاً، بما في ذلك شباب أصحاء، وكبار سن أصحاء، وأشخاص تم تشخيص إصابتهم بالتهاب مفاصل الورك. طلبوا من الجميع المشي على جهاز سير كهربائي وعبر أرضية مجهزة بمستشعرات قوة أثناء ارتداء ثمانية من هذه الأجهزة الصغيرة على جذعهم وحوضهم وسيقانهم. لم يكتفِ المشاركون بالمشي بشكل طبيعي؛ بل طُلب منهم تعديل مشيتهم بطرق محددة لمعرفة ما إذا كان النظام سيتمكن من مواكبة ذلك. فقد مشوا بسرعة أبطأ وأسرع، ووجهوا أصابع أقدامهم للداخل والخارج، ووسعوا خطواتهم وضيقوها، وأمالوا جذوعهم إلى الجانب، وحتى حاولوا المشي أثناء العد التنازلي بالثلاثات لمحاكاة عقل مشتت. خلق هذا مكتبة واسعة من بيانات الحركة، تلتقط كيفية سلوك الورك تحت مجموعة متنوعة من الظروف.

قام الباحثون بعد ذلك ببناء نموذج حاسوبي، وهو نوع من الذكاء الاصطناعي المصمم لتعلم الأنماط من البيانات. لقد دربوا هذا النموذج على النظر في الإشارات القادمة من المستشعرات الموجودة على الجذع والحوض والساقين للتنبؤ بالقوى المقابلة داخل الورك. كان الهدف هو إنشاء نظام يمكنه العمل لأي شخص، وليس فقط للأشخاص الذين تم تدريبه عليهم. في البداية، اختبروا نسخة "واحدة تناسب الجميع" من النموذج. كانت هذه النسخة جيدة بشكل معقول، لكنها واجهت صعوبة في الحصول على الأرقام الدقيقة لكل فرد، خاصة لأولئك المصابين بالتهاب المفاصل الذين تختلف أنماط حركتهم بشكل كبير عن الأصحاء.

جاء الاختراق عندما قدم الباحثون تقنية تسمى "التخصيص ببيانات قليلة". فبدلاً من محاولة إجبار كل شخص على التوافق مع نفس القالب، سمحوا للنموذج بأن يتعلم القليل عن كل شخص جديد باستخدام كمية ضئيلة جداً من البيانات. قبل اختبار مشارك جديد في مهام المشي الصعبة والمعدلة، طلب منه النظام المشي بشكل طبيعي لخطوات قليلة فقط. استخدم النموذج هذه الخطوات القليلة لضبط إعداداته الداخلية لتناسب حجم جسم ذلك الشخص المحدد، وكيفية ارتدائه للمستشعرات، وطريقته الفريدة في الحركة. كانت هذه عملية معايرة، تشبه ضبط الراديو على محطة معينة، ولكن يتم تنفيذها في ثوانٍ بواسطة الكمبيوتر.

أظهرت النتائج أن هذا التعديل الصغير أحدث فرقاً هائلاً. فعندما استخدم النموذج البيانات من بضع خطوات طبيعية فقط لتخصيص نفسه، أصبحت تنبؤاته دقيقة بشكل ملحوظ. وبالنسبة للقوى التي تدفع الورك للداخل والقوى التي تثنيه للأمام، انخفض الخطأ بشكل كبير، وطابقت أنماط الحركة المتوقعة القياسات الحقيقية بدرجة عالية من الدقة. وظلت هذه الدقة ثابتة حتى عندما انتقل المشاركون إلى المهام الصعبة، مثل المشي بخطوة واسعة أو إمالة الجذع. لم يكن النظام بحاجة إلى إعادة التدريب لكل نمط مشي جديد؛ إذ كانت المعايرة الأولية كافية للسماح له بالتعميم في المواقف الجديدة.

والأهم من ذلك، أن النظام عمل بنفس الكفاءة على مجموعة مستقلة من الأشخاص الذين لم يسبق لهم المشاركة في عملية التدريب. تضمنت هذه المجموعة المزيد من الأشخاص المصابين بالتهاب مفاصل الورك ومشاكل نمو في الورك، وكانوا يمشون على سطح مستوٍ بدلاً من جهاز السير الكهربائي. نجح النموذج المخصص في تقدير قوى الورك لديهم، مما أثبت أن الطريقة يمكن أن تنتقل عبر البيئات المختلفة وأنواع المرضى المختلفة. وجد الباحثون أن النظام يمكنه بدقة التقاط ليس فقط متوسط القوة، بل أيضاً ذروات الإجهاد المحددة التي تحدث في لحظة اصطدام القدم بالأرض، بالإضافة إلى إجمالي كمية الإجهاد المتراكمة طوال الخطوة. هذه التفاصيل حاسمة للأطباء، لأنها تشير إلى أي أنماط المشي قد تكون ضارة وأيها قد يساعد في حماية المفصل.

كما استكشفت الدراسة عدد المستشعرات المطلوبة فعلياً. ووجدوا أن استخدام المستشعرات على الجذع والحوض والفخذ والظنبوب (الساق) وفر أفضل توازن بين الدقة والراحة. إن إضافة مستشعر إلى القدم لم يحسن النتائج بما يكفي لتبرير العبء الإضافي على المريض. يشير هذا إلى أن نظاماً عملياً قابلاً للارتداء للاستخدام اليومي يمكن أن يكون بسيطاً للغاية، ويتطلب فقط أربعة أجهزة صغيرة بدلاً من مجموعة معقدة من المعدات.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما وراء المختبر. فمن خلال تمكين المراقبة الدقيقة والمستمرة للحمل على الورك خارج العيادة، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تساعد الأطباء في تحديد عادات المشي الضارة قبل أن تسبب مزيداً من الضرر. ويمكنها أن تسمح للمرضى بالحصول على ملاحظات فورية حول كيفية تعديل مشيتهم لتقليل الألم وإبطاء تطور مرضهم. وبدلاً من انتظار الفحص السنوي حيث قد يرى الطبيب فقط صورة ثابتة للمفصل، يمكن للمرضى ارتداء هذه المستشعرات خلال حياتهم اليومية لرؤية كيف تستجيب أجسامهم لمختلف الأنشطة. ويشير الباحثون إلى أن هذا النهج يمكن أن يؤدي في النهاية إلى خطط إعادة تأهيل مخصصة يتم تعديلها بناءً على بيانات العالم الحقيقي، بدلاً من النماذج النظرية.

بينما أجريت الدراسة في ظروف خاضعة للرقابة مع مشاركين يمشون على أجهزة سير كهربائية وأرضيات مميزة، فإن نجاح النموذج المخصص في مجموعة مستقلة تمشي على الأرض يشير إلى إمكانات قوية للتطبيق في العالم الحقيقي. يقر الباحثون بأن العمل المستقبلي سيتطلب اختبار النظام في بيئات غير خاضعة للرقبة تماماً، مثل الشوارع المزدحمة أو التضاريس غير المستوية، واستكشاف طرق لتقليل الحاجة إلى خطوات المعايرة الأولية. ومع ذلك، تظل النتيجة الأساسية واضحة: من خلال الجمع بين المستشعرات القابلة للارتداء ونموذج حاسوبي ذكي وقابل للتكيف، من الممكن رؤية القوى غير المرئية التي تؤثر على ورك الإنسان، مما يفتح نافذة جديدة لإدارة واحد من أكثر أمراض المفاصل شيوعاً وإعاقة في عصرنا.