青少年特发性脊柱侧弯体医工融合干预平台——“青少年脊柱小卫士”的应用与特点

杨冉陈洪淼（通讯作者） 杨乐翟胜杰、3

（1.华侨大学 福建 厦门 361021；2.训练云(北京)教育科技有限公司 北京 100080；3.首都体育学院 北京 100191）

1、项目研发背景

青少年特发性脊柱侧弯现已成为危害我国儿童青少年健康的第三大疾病。AIS又称为青少年特发性脊柱侧弯，它的特发性就表现在是由多种因素导致的复杂性疾病。可能是由于病理生理因素导致，如，遗传、性激素(雌二醇)、钙调素、褪黑素等。也可能是由于生物力学因素导致足弓塌陷、重心偏移、骨盆倾斜、长短腿等都会影响脊柱健康情况。截至2022年初，我国中小学生脊柱侧弯人数达500万人，且正在以每年30万的人数增加。当青少年从10岁开始身体机能的发育增快，在青春期由于不注意日常姿势体态，加上缺乏运动锻炼以及日常用具如课桌、椅子的设计不良，不符合人体生物力学，这些都可能导致在青春期发生脊柱侧弯。随着国家对于青少年儿童身心健康的重视，2021年11月1日于 《儿童青少年脊柱弯曲异常防控技术指南》中指出将脊柱侧弯筛查项目纳入每学年或新生入学体检内容中。

在青少年特发性脊柱侧弯的全周期管理中。在初步发现阶段，经本团队问卷调查显示，知道自己孩子存在脊柱侧弯问题的家长中，95%是通过学校每学期的体检筛查得知，另外4%是通过检查其他脏器疾病拍摄影像学资料中意外发现脊柱存在侧弯现象。普遍家庭对青少年特发性脊柱侧弯的认知还是比较薄弱，并且通常仅仅止步于筛查阶段，确诊阶段往往还需前往医院的脊柱外科进行影像学检查，确诊后的治疗阶段就更是局限。因为传统医院医疗干预方式存在一些劣势，如，手术干预与矫形护具干预占比较大，以及定期观察的阶段没有积极主动的干预方案等问题。即在日常对脊柱侧弯的改善以及防恶化，没有平台介入，具体情况如表1所示。

表1 青少年脊柱侧弯全周期各阶段介入情况

在此背景下，逐渐有大健康平台涉及青少年特发性脊柱侧弯，但也存在着评估检测后没有治疗手段的问题。训练云人工智能实验室针对无非医疗手段干预、无法随时监测等问题，于2021年6月研发了“青少年脊柱小卫士“平台，希望为青少年提供综合管理平台，以加强青少年特发性脊柱侧弯的随时监测与治疗。

国际脊柱侧弯协会（Society on Scoliosis Orthopaedic and Rehabilitation Treatment，SOSORT）指南中提出，对于 Cobb 角小于25°的患者建议的治疗方式是佩戴背架并辅以脊柱侧弯特定性矫正运动 （physiotherapeutic scoliosis-specific exercise，PSSE），PSSE是公认的脊柱侧弯保守治疗法之一，是根据每个患者的脊柱侧弯类型、侧弯程度、恶化风险等情况定制的个体化治疗方式。但是目前我国儿童青少年经医院确诊后，被诊断为轻度AIS的患者通常被医生要求每3个月定期复查，在这3个月内除了佩戴背架外，没有提供给患者任何包括PSSE在内的任何运动治疗方案，即在AIS患者的日常干预、改善以及防恶化阶段存在空缺。

2、项目的构思

平台的根本目的在于实现青少年可以对脊柱侧弯居家进行随时的监测与个性化运动干预治疗。“青少年脊柱小卫士”即是包含了随时评估监测功能与随评估生成个性化运动处方这两项功能。在应用场景上，“青少年脊柱小卫士”可以于全移动平台与电脑上使用，同时支持投屏。使应用场景多变，随时随地都能进行青少年特发性脊柱侧弯的干预治疗。

“青少年脊柱小卫士”的开发设计与产品构架同时兼顾多功能性与便捷性，如图1所示。平台选用了使用门槛较低的微信小程序的形式，支持评估监测、资料上传、处方推送、视频带练、运动设备购买等操作。

图1

由于用户量庞大，既要满足高度的精确化以及个性化，需要通过人工智能的手段来实现。“青少年脊柱小卫士”是中国首个引入体育—医疗—人工智能三融合技术的健康平台。

2.1、精确化构思

为满足高度的精确化，训练云人工智能实验室研发了一个系统——AIS影像学识别系统。鉴于上传的影像学资料是制定个性化运动处方的重要依据，平台以影像学资料中的信息为出发点，力求准确捕捉每个用户影像学资料中的侧弯程度，以及最大程度上实现对图像中用户脊柱相关信息的深度挖掘。目前已有的AIS影像学识别系统已经较为成熟，运用目标检测识别和图像分割技术，平台可以直接从用户上传的影像学资料中获取相关信息，包括脊柱侧弯病变程度、生物力学异常、骨骼发育情况，见图2。综合信息推送个性化处方。

图2

2.2、个性化构思

除了AIS影像学识别系统对于影像学资料的精密分析，为了达到使推送的运动处方能够因人而异，具有个性化，用户进入小程序前需要完成力学评估合辑。该合辑由团队专家组共同定制，通过对脊柱及脊柱外各环节（从颅面部至足踝部）的评估，在推送的运动处方中，着重通过运动干预改善可能导致脊柱侧弯的全身各环节力学异常。

3、使用方法

“青少年脊柱小卫士”依托微信小程序。用户首次使用进入小程序后，将会进行初次脊柱侧弯自我评估筛查，可根据语音及图文提示完成一系列生物力学评估，如图3所示，系统会自动根据用户评估的过程给出相对应的评估结果。评估结束后，若用户已经确诊并且有在医院进行影像学的检查可根据提示上传自己的影像学资料，若没有方可跳过，见图4。一系列评估结束后小程序通过AIS影像学识别系统中获取的多维度信息，可推送更加符合用户的个性化运动处方。进入主界面，通过随即便可以进入训练界面进行个性化运动治疗，见图5。小程序也配备商城提供一系列治疗用具，便用户选购，同时主页面还有国内外脊柱侧弯专家提供的科普预防讲座，帮助用户进一步多维度了解青少年特发性脊柱侧弯。

图3 评估界面

图4 上传资料界面

图5 运动干预界面

4、“青少年脊柱小卫士”特点

“青少年脊柱小卫士”是一个青少年特发性脊柱侧弯一站式全周期综合管理平台。针对于中国儿童青少年脊柱健康，其核心为体医工融合，即体育、医疗、人工智能三者跨学科融合。体医融合模式是围绕疾病防治为导向、解决健康促进为目的，以研究群体化及个体化运动处方为手段，建立并完善体医结合的理论及人才培养体系，为生命全周期提供健康运动和医疗保障各要素的实践活动。《健康中国2030规划纲要》提出，要从“医疗健康干预”向“非医疗健康干预”转变，则需要强调运动治疗与运动预防的作用。平台的运动干预形式，实现了针对于青少年脊柱侧弯从传统医疗手术干预向非医疗健康干预的转型。同时借助人工智能技术的融合，以小程序为平台，实现了居家一站式脊柱侧弯全周期干预。不仅改善青少年特发性脊柱侧弯，还降低脊柱侧弯给家庭和社会带来的经济负担，更加提升了效率。

4.1、辅助诊查、评估

“青少年脊柱小卫士”为广大青少年提供筛查与评估，让用户更加了解自身的脊柱健康情况，在国内医疗资源不均衡的情况下，依然有许多地区对于脊柱侧弯的认知过于表面，通过小程序平台的简单评估操作，可让用户得知脊柱健康状态，并能及时给出评估报告包括程度分型及诱因分析。其中人工智能团队研发的AIS影像学识别系统在提升推送干预方案的效率方面有显著贡献，将采集的用户影像学信息识别，精准定位重要骨性结构，测量侧弯程度，再经过后台综合处理，立即推送评估结果及运动处方。

4.2、个性化运动处方

“青少年脊柱小卫士”面向广大青少年，用户数量非常庞大，但是平台推送给用户的运动处方仍然是个性化的，这依赖于后台技术对于用户各方面信息的综合处理。根据Sosort指南中的建议，给予不同年龄、侧弯角度以及骨盆愈合程度时应推荐的干预方式，这些指标均从AIS影像学识别系统中获取；另外加上评估测试中的下肢生物力学测试结果，给予个性化力学纠正，生成综合运动处方。框架如图6所示。运动治疗对于脊柱侧弯的优势远远大于传统治疗，传统治疗多数为定期复查、辅具治疗及手术治疗。定期复查除了保持良好坐姿习惯外无积极主动的应对方案。辅具的佩戴每天长达12h，青少年多数都难以坚持，造成行动上的困难，并且辅具外观可能会给他们的心理造成一定的伤害。手术治疗也是最普遍的传统治疗，但会给家庭带来较重的经济负担，且风险大，但痊愈的成功率只达70%。运动治疗是更为积极主动的干预治疗方案，从很大程度上改善脊柱健康。

图6

4.3、跟踪复查实现动态监测

目前国内外康复医学的发展趋势，是将康复进度量化，因为这将有利于患者体会发现自身的功能进展提高运动治疗的积极性和主动性，也可使康复治疗的全过程更具科学性。这些需要评估系统完善标准化并且进行密切跟踪实现动态监测。我国目前进入人口老龄化日益增长的阶段，医疗资源紧缺，青少年脊柱侧弯的人群不断增涨，要想让青少年特发性脊柱侧弯得到动态监测，目前来说较为困难。“青少年脊柱小卫士”平台会每个月进行居家再评估，当用户有去医院进行复诊也可以随时在平台上更新上传影像学资料，平台会保存每次的评估记录与影像学资料，实时更新推送运动处方，让用户体会到一站式综合管理脊柱侧弯服务，从根本上实现真是的动态监测。

4.4、数据收集

通过平台的普及使用，大量用户的动态监测情况，可以获得我国儿童青少年脊柱侧弯的类型及程度分类。那么更深层的数据也可从平台评估系统中通过一系列力学评估分析出脊柱侧弯诱因，统计出我国儿童青少年引起脊柱侧弯的原因，如，呼吸异常引起、足弓异常引起等。这些大数据能让我国青少年特发性脊柱侧弯更好的得以预防，优化治疗方案。

5、基于“青少年脊柱小卫士”的干预效果

青少年脊柱小卫士中生成的个性运动处方为多名专家共同制定的PSSE脊柱侧弯特定性矫正运动。多维度多角度干预，涵盖施罗德脊柱训练、SPS螺旋链训练、呼吸训练、脊柱稳定性训练等。视频录制为4k画质，模特为体医融合人才培养计划人、北京体能协会健康体能训练师，高度体现体医融合思想。

青少年脊柱小卫士产品本身对于AIS的改善效果进行了临床干预实验。下文将结合两个具体案例，即福建省厦门市思明区两所中学部分初一至初三在校学生分别进行的两组随即对照试验。分别对结构改善以及功能改善两方面（表2）进行研究。纳入标准：（1）经躯干 X线片检查确诊为 AIS；（2）年龄为 12-15岁；（3）Cobb角度15°-40°；（4）未接受过任何方式的 AIS 治疗；（5）遵循自愿原则，且家长均签署知情同意书。

表2 青少年脊柱侧小卫士疗效评定内容

5.1、对Cobb角度改善率

Cobb角通常作为评判脊柱侧弯严重程度的参考标准之一。在临床干预实验中，为一个月内拍摄过影像学资料并且Cobb角度在15°-40°的22名年龄在12-15岁的青少年进行了不同干预时长的“青少年脊柱小卫士”个性化干预，每周进行4次，每次20min。观察干预后的Cobb角度是否改善。3次干预试验效果如表3所示，干预后影像学资料中的Cobb角度全部有所改善。

表3 青少年脊柱侧小卫士个性化治疗对Cobb角度的改善情况

5.2、对ATR的改善

2021年4月选取42例符合纳入标准的AIS患者，随机分为实验组与对照组各21人。实验组进行每周4次，每次20min的青少年脊柱小卫士个性化治疗，持续3个月。每两周由治疗师为两组受试者记录一次ATR，绘制折线图，比较分析两组ATR变化趋势，见图7。对照组呈平缓，实验组ATR较对照组呈改善趋势。

图7 ATR改善情况对比

5.3、中文版SRS问卷评分的比较

记录上一段内容中同一实验中实验组与对照组干预前后的中文版SRS问卷评分。实验组治疗后对自己的功能满意情况评分增高（P＜0.05），见表 4。

表4 治疗前后中文版SRS问卷评分比较

5.4、干预效果讨论

AIS目前病因不明，可能由多种姿势异常或力线异常引起，且现在随着儿童青少年体力活动减少以及不正确的姿势习惯，现已成为儿童青少年最为常见的疾病之一。传统的支架治疗、定期观察或在患者AIS的自然发展过程中，其结局具有不确定性，一些患者可能出现停止恶化或有所减轻，一些患者可能出现恶化甚至达到手术指征。讨论不确定性的原因，我们认为一些AIS患者的问题源自脊柱本身，椎旁肌较弱或脊柱周围肌力不均导致脊柱稳定性较差或肌力失衡，这类患者在通过支架治疗在起到矫正作用的同时，可以在佩戴支具时提供给脊柱支持稳定的作用，或通过增加日常的体力活动激活了椎旁肌，增加了脊柱稳定性。这类患者会得到积极的反馈；而一些患者的病因并不在脊柱方面，而是在远端的部位，如，功能性长短腿导致的骨盆倾斜，当存在骨盆倾斜的情况下，未将其视为治疗重点，仅进行支具治疗，则不会出现积极的反馈。同样可能会出现Burwell所提出的恶性循环，即已发生脊柱侧弯的处于发育阶段的儿童青少年患者会存在脊柱两侧不对称的负重，不对称的负重造成的不对称的应力会产生不对称的骨骼生长，不对称的生长会进一步造成脊柱侧弯恶化，从而更加导致不对称的负重，如此恶性循环。

青少年脊柱小卫士的个性化运动处方是根据用户的体态、生物力线、影像学情况定制的运动康复疗法。包括发现并改善用户的生物力学异常诱因、呼吸模式纠正以及脊柱稳定性训练等，同时进行根本问题的处理、教用户学会在日常生活中保持正确的脊柱运动模式以及稳定性加强巩固成果。因此，取得了显著的改善效果。

6、结语

截至2022年5月，“青少年脊柱小卫士”以累积了上万名青少年用户，与多省份中小学合作，对青少年进行脊柱侧弯的治疗与预防。“青少年脊柱小卫士”在用户满意度调查中得到青少年、家长以及校方的多方好评，得益于青少年脊柱侧弯患者在监测后，对于运动治疗的诉求，在以非手术治疗干预的同时，还可以根据用户随时更新的评估结果生成新的运动处方，实现了居家完成全周期康复。

今后，“青少年脊柱小卫士”会在不断提升科学性的基础上，不断对平台进行完善。技术层面，训练云人工智能实验室团队将持续更新AIS影像学识别系统图像识别数据集，进一步提升精准度；与此同时，研发新的智能化技术。例如，影像捕捉系统，进行镜头前的体态捕捉，分别于冠状面、矢状面抓取如面部对称、高低肩、骨盆倾斜等数据，进一步使个性化运动处方贴合用户具体情况。

技术变革不断影响着社会的发展，通过体育—医疗—人工智能三融合的智能化工具，可以极大程度降低医疗资源的不平衡以及降低国家医保负担。未来，体育—医疗—人工智能三融合的应用与传播将会更加迅速。