Trening kinematyczny u pacjentów z bólem szyi oparty na klasyfikacji metodą uczenia maszynowego

Przewlekły samoistny ból szyi stanowi jedno z najczęstszych schorzeń układu mięśniowo-szkieletowego na świecie, charakteryzujące się nawracającymi epizodami, zmiennym natężeniem objawów oraz częstym przejściem w trwałą niepełnosprawność. Podczas gdy postępowanie kliniczne zazwyczaj koncentruje się na krótkotrwałym zmniejszeniu bólu, większe obciążenie społeczne wynika z nawrotów i przewlekłości, a nie z izolowanych ostrych epizodów. Nawracający ból szyi przyczynia się do powtarzających się konsultacji medycznych, przedłużającej się nieobecności w pracy, obniżonej produktywności i rosnących wydatków na opiekę zdrowotną. Pomimo powszechnego stosowania rehabilitacji opartej na ćwiczeniach, wskaźniki nawrotów pozostają wysokie, co sugeruje, że obecne podejścia terapeutyczne mogą niewystarczająco uwzględniać mechanizmy leżące u podstaw utrzymującej się dysfunkcji. Ponieważ częstość występowania bólu szyi nadal rośnie w populacjach w wieku produkcyjnym, zasadne jest pytanie, czy obecne modele rehabilitacji odpowiednio ukierunkowują się na neuromięśniowe i sensomotoryczne czynniki przyczyniające się do przewlekłości i powtarzających się zaostrzeń objawów.

Większość osób zgłaszających się na fizjoterapię otrzymuje diagnozę niespecyficznego lub samoistnego bólu szyi, szerokiej kategorii obejmującej heterogeniczne prezentacje kliniczne z różnymi kombinacjami bólu, sztywności, zawrotów głowy, zaburzeń widzenia i upośledzonej kontroli ruchu. Pacjenci mogą znacznie różnić się pod względem strategii ruchowych, ostrości propriocepcji, koordynacji neuromięśniowej i adaptacyjnych wzorców motorycznych, jednak często są leczeni przy użyciu standaryzowanych protokołów ćwiczeń. Konwencjonalne narzędzia oceny klinicznej są skuteczne w odróżnianiu pacjentów od osób bezobjawowych, ale oferują ograniczoną rozdzielczość w identyfikacji znaczących podgrup w populacji z samoistnym bólem szyi. W ciągu ostatniej dekady zorientowana na pacjenta ocena w zaburzeniach kręgosłupa często opierała się na numerycznych skalach oceny bólu i kwestionariuszach niepełnosprawności, podczas gdy stosunkowo mniejszy nacisk kładziono na obiektywną ocenę mechanizmów kontroli neuromięśniowej, które mogą napędzać przewlekłość. Pojawiające się dowody pokazują, że osoby z historią bólu szyi wykazują trwałe zmiany w funkcji sensomotorycznej nawet podczas remisji objawów, co sugeruje, że podstawowe adaptacje neuromięśniowe mogą predysponować osoby do nawrotów i zmniejszonej odporności na stresory mechaniczne lub psychospołeczne.

Kontrola sensomotoryczna szyi, często konceptualizowana jako kinestetyczna świadomość szyjno-głowowa, integruje proprioceptywne informacje z mięśni szyi i mechanoreceptorów stawowych z informacjami wzrokowymi i przedsionkowymi w celu koordynowania dokładnego pozycjonowania głowy i płynnych ruchów głowy i oczu. Zmieniony aferentny sygnał z szyi może zakłócić tę integrację, prowadząc do nieprawidłowego postrzegania ruchu, upośledzonego czucia pozycji i nieadaptacyjnych strategii wyjścia motorycznego. Przedłużające się zaburzenia propriocepcji mogą wywołać zmiany plastyczności centralnej w obrębie pniowych i korowych sieci sensomotorycznych, potencjalnie podtrzymując dysfunkcję poza początkowym epizodem bólu i przyczyniając się do utrzymywania się przewlekłych objawów. Przeglądy systematyczne donoszą o zróżnicowanych wynikach dotyczących wielkości zaburzeń kinestetycznych w populacjach z bólem szyi, co prawdopodobnie odzwierciedla heterogeniczność rekrutacji, różnice w czasie trwania objawów i zmienność deficytów funkcjonalnych. Te niespójności podkreślają znaczenie wielowymiarowej charakterystyki wydajności sensomotorycznej, a nie polegania na izolowanych parametrach lub pojedynczych wynikach testów.

Trening kinestetyczny ukierunkowany na dokładność ruchu, kalibrację propriocepcji i skoordynowane wyjście motoryczne wykazał klinicznie znaczące krótkoterminowe poprawy w zakresie bólu i niepełnosprawności, z niektórymi efektami utrzymującymi się przez kilka miesięcy. Jednak około jedna trzecia pacjentów nie wykazuje poprawy w natężeniu bólu lub niepełnosprawności, a prawie połowa nie wykazuje mierzalnych postępów w obiektywnych zmiennych wydajności kinematycznej. Dodatkowo zgłaszano wskaźniki rezygnacji sięgające dwudziestu procent, często przypisywane dyskomfortowi, zmęczeniu lub nasileniu objawów podczas ćwiczeń, które obciążają upośledzone systemy sensomotoryczne. Te obserwacje sugerują, że jednolite protokoły rehabilitacyjne mogą nie optymalnie uwzględniać zindywidualizowane profile neuromięśniowe oraz że interwencje specyficzne dla podgrup mogą poprawić odpowiedź na leczenie, zwiększyć przestrzeganie zaleceń i zmniejszyć zmienność wyników.

Kontrola ruchu szyi obejmuje skoordynowaną interakcję między systemami proprioceptywnym, przedsionkowym i wzrokowym. Zadania ruchowe wykonywane przy różnych amplitudach i prędkościach obciążają różne komponenty przetwarzania sensomotorycznego i mogą ujawniać odrębne wzorce deficytów. Wolne, duże ruchy zwiększają zależność od dyskryminacji proprioceptywnej i regulacji płynności, często odzwierciedlane w podwyższonych wartościach wskaźnika szarpnięcia, gdy koordynacja jest upośledzona. Szybsze ruchy mogą angażować mechanizmy zależne od przedsionka i kontrolę stabilności dynamicznej. Ponadto zmieniony sygnał aferentny z mięśni szyi może wpływać na adaptacyjne zmiany plastyczne w zależnej od przedsionka wrażliwości na ruch, potencjalnie wpływając na kontrolę głowy i szyi przy wyższych prędkościach ruchu. W konsekwencji ocena i trening powinny obejmować ruchy w wielu amplitudach i prędkościach, aby odpowiednio uchwycić specyficzne dla podgrup upośledzenia.

Testy kontroli ruchu głowy i szyi często wymagają od uczestników śledzenia wizualnie prezentowanych celów podczas wykonywania kontrolowanych ruchów, wymagając tym samym skoordynowanej interakcji oczu i głowy. Znaczenie systemu wzrokowego w bólu szyi jest wspierane przez neurofizjologiczne połączenia między górnymi szlakami aferentnymi szyi a jądrami wzrokowymi i przedsionkowymi na poziomie pnia mózgu. Pacjenci z bólem szyi często prezentują zaburzenia okoruchowe, szczególnie podczas manewrów skrętu szyi, prawdopodobnie wynikające ze zmienionego udziału odruchów szyjno-ocznych i szyjno-kolikowych. Poprzednie prace sugerowały związek między deficytami kinestetycznymi szyi a kontrolą ruchów oczu, jednak nadal nie jest jasne, w jakim stopniu ukierunkowany trening kinestetyczny może modyfikować te adaptacje okoruchowe i czy takie zmiany idą w parze z poprawą bólu i stanu funkcjonalnego.

Tradycyjne strategie analityczne powszechnie oceniają indywidualne parametry kinematyczne niezależnie, potencjalnie pomijając złożone interakcje między precyzją ruchu, regulacją amplitudy i płynnością. Wysokowymiarowe zbiory danych generowane z testowania kontroli ruchu zawierają nieliniowe relacje, które mogą nie być odpowiednio uchwycone przy użyciu konwencjonalnych jednowymiarowych metod statystycznych. Podejścia eksploracji danych i uczenia maszynowego umożliwiają identyfikację ukrytej struktury w wielowymiarowych zbiorach danych i ułatwiają grupowanie pacjentów według wspólnych cech funkcjonalnych. Wcześniejsze analizy przeprowadzone na kohorcie 135 osób z samoistnym bólem szyi zidentyfikowały cztery odrębne klastry na podstawie kombinacji zmiennych kontroli ruchu, natężenia bólu i cech demograficznych. Te klastry wykazały unikalne profile kinematyczne, wspierając istnienie klinicznie znaczącej heterogeniczności w tej populacji i sugerując, że ukierunkowane strategie terapeutyczne mogą być uzasadnione.

Niniejsze badanie stosuje ramy rehabilitacji oparte na klasyfikacji, wywodzące się z tych wcześniejszych ustaleń dotyczących grupowania. Funkcja kinestetyczna szyi będzie kompleksowo oceniana przy użyciu testowania kontroli ruchu i testu relokacji głowy do pozycji neutralnej, uzupełnionych o zmienne demograficzne i kliniczne, w tym natężenie bólu. Uczestnicy zostaną przypisani do wcześniej zdefiniowanych klastrów przy użyciu ustalonych algorytmów klasyfikacyjnych, które integrują wielowymiarowe dane ruchowe i demograficzne. Po klasyfikacji uczestnicy otrzymają albo specyficzny dla klastra trening kinematyczny zaprojektowany do celowania w dominujące upośledzenia charakterystyczne dla ich podgrupy, albo ogólny program treningu kinematycznego nie dostosowany do przynależności klastrowej. Struktura, częstotliwość i czas trwania ekspozycji na trening będą porównywalne między grupami, aby zapewnić, że różnice w wyniku są przypisywane treści, a nie dawce. Trzymiesięczne pomiary kontrolne będą przeprowadzane w celu oceny trwałości efektów interwencji i zbadania, czy zindywidualizowana rehabilitacja wpływa na średnioterminową stabilność objawów.

Ocena kontroli ruchu będzie obejmować zadania wizualnie prowadzonego śledzenia głowy wykonywane z wykorzystaniem jednostek pomiaru inercyjnego rejestrujących dane o wysokiej rozdzielczości dotyczące przemieszczenia kątowego w czasie rzeczywistym. Uczestnicy wykonają powtarzane próby w czterech stopniowo trudniejszych ścieżkach ruchu charakteryzujących się rosnącą amplitudą i prędkością celu, aby systematycznie obciążyć różne komponenty systemu sensomotorycznego. Wyprowadzone parametry będą obejmować czas precyzji, reprezentujący procent czasu próby w strefie celu; niedostawanie i przekraczanie, reprezentujące błędy kontroli amplitudy kierunkowej; wskaźnik szarpnięcia, odzwierciedlający płynność ruchu wyprowadzoną z trzeciej pochodnej danych pozycji; oraz dokładność amplitudy, obliczana jako średnie niedopasowanie kątowe między celem a wykonanym ruchem. Czucie pozycji będzie oceniane poprzez relokację z zawiązanymi oczami do samodzielnie wybranej neutralnej pozycji głowy, z błędem bezwzględnym obliczonym w powtórzeniach i kierunkach ruchu w celu określenia dokładności ponownego pozycjonowania. Kontrola okoruchowa będzie oceniana przy użyciu testu płynnego śledzenia w pozycji neutralnej i skrętu, z nagraniami ruchów oczu przefiltrowanymi z artefaktów, zsynchronizowanymi z trajektoriami odniesienia i analizowanymi w celu obliczenia wzmocnienia śledzenia jako stosunku amplitudy prędkości oka do amplitudy prędkości celu. Zakres ruchu szyi będzie określany we wszystkich głównych płaszczyznach ruchu w celu scharakteryzowania profili mobilności i potencjalnych podgrupowych różnic związanych z mobilnością.

Przetwarzanie danych będzie obejmować systematyczne filtrowanie sygnałów ruchu i ruchów oczu, usuwanie mrugnięć i sakad tam, gdzie to właściwe, synchronizację trajektorii odniesienia, normalizację cykli ruchu i uśrednianie w powtórzeniach w celu zapewnienia stabilnego szacowania parametrów. Analizy statystyczne będą przeprowadzane przy użyciu analizy wariancji z powtarzanymi pomiarami w celu oceny interakcji czas-grupa w ocenach wyjściowych, po interwencji i kontrolnych. Założenia normalności będą badane przy użyciu metryk rozkładu, a transformacje danych będą stosowane w razie potrzeby, aby spełnić założenia modelu. Procedury uczenia maszynowego do przypisania klastrów będą prowadzone przy użyciu dedykowanego oprogramowania do eksploracji danych, podczas gdy wnioskowe analizy statystyczne będą wykonywane przy użyciu ustalonych pakietów statystycznych. Wielkości efektów będą interpretowane wraz ze znaczeniem statystycznym, aby skontekstualizować istotność kliniczną.

Integrując wielowymiarowe profilowanie kinematyczne ze strategiami rehabilitacyjnymi specyficznymi dla podgrup, to badanie ma na celu określenie, czy trening oparty na klasyfikacji poprawia wyniki kliniczne, wzmacnia adaptację neuromięśniową i zmniejsza zmienność odpowiedzi na leczenie w porównaniu z konwencjonalną, niezindywidualizowaną rehabilitacją kinematyczną. Dodatkowo badanie ma na celu wyjaśnienie mechanistycznych relacji między poprawą w kontroli sensomotorycznej szyi a zmianami w natężeniu bólu, niepełnosprawności, zawrotach głowy, objawach wzrokowych i funkcji okoruchowej. Oczekuje się, że wyniki przyczynią się do rozwoju spersonalizowanych, opartych na mechanizmach modeli rehabilitacyjnych mających na celu zmniejszenie nawrotów, ograniczenie przewlekłości i poprawę długoterminowych wyników funkcjonalnych u osób z samoistnym bólem szyi.