للكشف عن أمراض الدماغ.. تطوير حذاء ذكى لتتبع التغيرات فى طريقة المشى

طور مهندسو جامعة روتجرز البحثية الأمريكية،  حذاءً ذكياً يحلل تلقائياً طريقة مشي الشخص، وهي تقنية قد تساعد مستقبلاً في مراقبة الأشخاص المصابين بمرض باركنسون، وإصابات الحبل الشوكي، وإصابات الدماغ الرضية، واضطرابات الحركة الأخرى.

وبحسب موقع "Medical xpress"، يحلل النموذج الأولي الحركة بدقة تصل إلى 95.4%، مع حساب الخطوات وتقدير السعرات الحرارية المحروقة.

كيف يعمل الحذاء الذكى؟

قال سيمياو نيو، مهندس طبي حيوي في جامعة روتجرز-نيو برونزويك: "ما يميز هذا الحذاء هو أنه يُشغّل التحليل بالطاقة المتولدة من خطوات مرتديه، فهو لا يحتوي على بطارية لإعادة الشحن".

وأضاف: "عندما تمشي أو تركض، يكون لديك تلقائيًا طاقة ميكانيكية حيوية متاحة، لذلك يمكنك استغلال هذه الطاقة"، كما قال نيو، وهو أستاذ مساعد في قسم الهندسة الطبية الحيوية في كلية روتجرز للهندسة.

وقال إن الحذاء كان هدفاً طبيعياً، لأن المشي ينتج المعلومات التي يريد الباحثون تحليلها والطاقة اللازمة لدراستها، موضحا:  "عندما تجلس، لا تتوفر طاقة، لكنك لست بحاجة إلى مراقبة المشية".

 

تُزوّد خطوات الأقدام الحذاء بالطاقة

يُنتج جهاز مُدمج في النعل الكهرباء من ضغط واحتكاك كل خطوة، تُعرف هذه العملية بالتأثير الكهروستاتيكي، وهي مرتبطة بالكهرباء الساكنة المتولدة عند احتكاك مواد مختلفة ببعضها.

تصل الكهرباء على شكل دفعات غير منتظمة لا تستطيع الأجهزة الإلكترونية استخدامها مباشرة، وقد صمم الباحثون دائرة لإدارة الطاقة تحولها إلى شكل مفيد، مما يزيد الطاقة القابلة للاستخدام بما يصل إلى 120 ضعفًا مقارنةً بالطريقة التقليدية.

عند دراسة معلومات المشي، يستخدم العلماء مصطلح "المشي" لوصف نمط مشي الشخص، بما في ذلك التوازن والسرعة والخطوة والإيقاع، ويمكن أن تقدم التغييرات أدلة حول تطور المرض أو خطر السقوط أو إعادة التأهيل.

" تعتبر طريقة المشي واحدة من أهم المؤشرات الحيوية للعديد من الأمراض"، كما قال نيو.

غالباً ما يُقيّم الأطباء المشية بمراقبة المريض وهو يمشي لفترة وجيزة في العيادة أو المختبر، ويمكن لجهاز قابل للارتداء أن يقيس الحركة على مدى فترات أطول أثناء ممارسة الناس لحياتهم اليومية.

قال نيو: "إذا كان بإمكانك استخدام ما أسميه "الأحذية الخالية من القلق" التي قمنا بتطويرها، فيمكن للمرضى ارتدائها ببساطة، ويمكن للأحذية جمع نمط مشيتهم تلقائيًا".

 

الطموحات السريرية والحدود الحالية

مع مزيد من التطوير والاختبارات السريرية، قد تُسهم أحذية مماثلة في المستقبل في تقييم خطر السقوط، والكشف عن أنماط المشي غير الطبيعية، ومتابعة التعافي بعد إصابات الدماغ أو الحبل الشوكي. كما يُمكن تعديل تصميمها لمراقبة نشاط القلب، والإشارات الكيميائية الحيوية، أو جوانب أخرى من الصحة.

تخفي الأحذية الرياضية البيضاء أجهزة إلكترونية في الكعب.، وأوضح نيو أن النسخة الحالية هي نموذج أولي مبكر، وليست جهازًا طبيًا، فهي لا تستطيع حتى الآن تشخيص الأمراض، أو التنبؤ بالسقوط، أو تحديد مدى فعالية العلاج، لكنها تُظهر إمكانية تحليل أنماط المشي الأساسية دون الحاجة إلى بطارية قابلة للشحن.

قال إن ذلك قد يعالج نقطة ضعف في الأجهزة الصحية القابلة للارتداء الحالية. فالساعات الذكية وغيرها من الأجهزة قادرة على جمع كميات هائلة من المعلومات، ويمكن للذكاء الاصطناعي تحويل هذه القياسات إلى نتائج مفيدة. لكن الذكاء الاصطناعي يستهلك الطاقة، ومع ازدياد ذكاء الأجهزة القابلة للارتداء، قد تستنزف بطارياتها بشكل أسرع.

 

يعمل الذكاء الاصطناعي داخل الحذاء

يقيس مقياس التسارع حركة القدم على ثلاثة محاور، مُعَلَّمة بـ س، ص، ع. ويستخدم معالج صغير تقنية الذكاء الاصطناعي لتحليل أنماط هذه القياسات، ويصنف كل مقطع مدته 15 ثانية كواحد من أربعة أنشطة: المشي البطيء، المشي السريع، الجري، أو صعود الدرج. ويعرض النتائج على شاشة مُثبَّتة بالحذاء.

يتم إجراء التحليل داخل الجهاز القابل للارتداء، وهو نهج يُعرف باسم "الذكاء الاصطناعي على الحافة". ولأن الحذاء لا يرسل باستمرار معلومات خام إلى الهاتف أو الكمبيوتر أو خادم السحابة، فإنه يتطلب طاقة أقل بكثير.

كان تصغير خوارزمية الذكاء الاصطناعي لتناسب الذاكرة المحدودة للمعالج الصغير تحديًا آخر، فحص النموذج الأصلي 21 خاصية من خصائص الحركة وحقق دقة بلغت 98.1%، لكنه تطلب ذاكرة أكبر مما يستطيع معالج الحذاء استيعابه.

وجد الفريق أن التباين في الحركة على طول المحاور الثلاثة وفّر معظم المعلومات التي تحتاجها خوارزمية الذكاء الاصطناعي. وحقق النموذج الأصغر دقة بلغت 95.4%، بينما كان يعمل بسرعة أكبر بنحو 15 مرة ويستهلك سدس كمية التيار تقريبًا.