楊冉陳洪淼（通訊作者） 楊樂翟勝杰、3

（1.華僑大學(xué) 福建 廈門 361021；2.訓(xùn)練云(北京)教育科技有限公司 北京 100080；3.首都體育學(xué)院 北京 100191）

1、項(xiàng)目研發(fā)背景

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎現(xiàn)已成為危害我國兒童青少年健康的第三大疾病。AIS又稱為青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎，它的特發(fā)性就表現(xiàn)在是由多種因素導(dǎo)致的復(fù)雜性疾病。可能是由于病理生理因素導(dǎo)致，如，遺傳、性激素(雌二醇)、鈣調(diào)素、褪黑素等。也可能是由于生物力學(xué)因素導(dǎo)致足弓塌陷、重心偏移、骨盆傾斜、長短腿等都會影響脊柱健康情況。截至2022年初，我國中小學(xué)生脊柱側(cè)彎人數(shù)達(dá)500萬人，且正在以每年30萬的人數(shù)增加。當(dāng)青少年從10歲開始身體機(jī)能的發(fā)育增快，在青春期由于不注意日常姿勢體態(tài)，加上缺乏運(yùn)動鍛煉以及日常用具如課桌、椅子的設(shè)計不良，不符合人體生物力學(xué)，這些都可能導(dǎo)致在青春期發(fā)生脊柱側(cè)彎。隨著國家對于青少年兒童身心健康的重視，2021年11月1日于 《兒童青少年脊柱彎曲異常防控技術(shù)指南》中指出將脊柱側(cè)彎篩查項(xiàng)目納入每學(xué)年或新生入學(xué)體檢內(nèi)容中。

在青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎的全周期管理中。在初步發(fā)現(xiàn)階段，經(jīng)本團(tuán)隊問卷調(diào)查顯示，知道自己孩子存在脊柱側(cè)彎問題的家長中，95%是通過學(xué)校每學(xué)期的體檢篩查得知，另外4%是通過檢查其他臟器疾病拍攝影像學(xué)資料中意外發(fā)現(xiàn)脊柱存在側(cè)彎現(xiàn)象。普遍家庭對青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎的認(rèn)知還是比較薄弱，并且通常僅僅止步于篩查階段，確診階段往往還需前往醫(yī)院的脊柱外科進(jìn)行影像學(xué)檢查，確診后的治療階段就更是局限。因?yàn)閭鹘y(tǒng)醫(yī)院醫(yī)療干預(yù)方式存在一些劣勢，如，手術(shù)干預(yù)與矯形護(hù)具干預(yù)占比較大，以及定期觀察的階段沒有積極主動的干預(yù)方案等問題。即在日常對脊柱側(cè)彎的改善以及防惡化，沒有平臺介入，具體情況如表1所示。

表1 青少年脊柱側(cè)彎全周期各階段介入情況

在此背景下，逐漸有大健康平臺涉及青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎，但也存在著評估檢測后沒有治療手段的問題。訓(xùn)練云人工智能實(shí)驗(yàn)室針對無非醫(yī)療手段干預(yù)、無法隨時監(jiān)測等問題，于2021年6月研發(fā)了“青少年脊柱小衛(wèi)士“平臺，希望為青少年提供綜合管理平臺，以加強(qiáng)青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎的隨時監(jiān)測與治療。

國際脊柱側(cè)彎協(xié)會（Society on Scoliosis Orthopaedic and Rehabilitation Treatment，SOSORT）指南中提出，對于 Cobb 角小于25°的患者建議的治療方式是佩戴背架并輔以脊柱側(cè)彎特定性矯正運(yùn)動 （physiotherapeutic scoliosis-specific exercise，PSSE），PSSE是公認(rèn)的脊柱側(cè)彎保守治療法之一，是根據(jù)每個患者的脊柱側(cè)彎類型、側(cè)彎程度、惡化風(fēng)險等情況定制的個體化治療方式。但是目前我國兒童青少年經(jīng)醫(yī)院確診后，被診斷為輕度AIS的患者通常被醫(yī)生要求每3個月定期復(fù)查，在這3個月內(nèi)除了佩戴背架外，沒有提供給患者任何包括PSSE在內(nèi)的任何運(yùn)動治療方案，即在AIS患者的日常干預(yù)、改善以及防惡化階段存在空缺。

2、項(xiàng)目的構(gòu)思

平臺的根本目的在于實(shí)現(xiàn)青少年可以對脊柱側(cè)彎居家進(jìn)行隨時的監(jiān)測與個性化運(yùn)動干預(yù)治療。“青少年脊柱小衛(wèi)士”即是包含了隨時評估監(jiān)測功能與隨評估生成個性化運(yùn)動處方這兩項(xiàng)功能。在應(yīng)用場景上，“青少年脊柱小衛(wèi)士”可以于全移動平臺與電腦上使用，同時支持投屏。使應(yīng)用場景多變，隨時隨地都能進(jìn)行青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎的干預(yù)治療。

“青少年脊柱小衛(wèi)士”的開發(fā)設(shè)計與產(chǎn)品構(gòu)架同時兼顧多功能性與便捷性，如圖1所示。平臺選用了使用門檻較低的微信小程序的形式，支持評估監(jiān)測、資料上傳、處方推送、視頻帶練、運(yùn)動設(shè)備購買等操作。

圖1

由于用戶量龐大，既要滿足高度的精確化以及個性化，需要通過人工智能的手段來實(shí)現(xiàn)?！扒嗌倌昙怪⌒l(wèi)士”是中國首個引入體育—醫(yī)療—人工智能三融合技術(shù)的健康平臺。

2.1、精確化構(gòu)思

為滿足高度的精確化，訓(xùn)練云人工智能實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一個系統(tǒng)——AIS影像學(xué)識別系統(tǒng)。鑒于上傳的影像學(xué)資料是制定個性化運(yùn)動處方的重要依據(jù)，平臺以影像學(xué)資料中的信息為出發(fā)點(diǎn)，力求準(zhǔn)確捕捉每個用戶影像學(xué)資料中的側(cè)彎程度，以及最大程度上實(shí)現(xiàn)對圖像中用戶脊柱相關(guān)信息的深度挖掘。目前已有的AIS影像學(xué)識別系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟，運(yùn)用目標(biāo)檢測識別和圖像分割技術(shù)，平臺可以直接從用戶上傳的影像學(xué)資料中獲取相關(guān)信息，包括脊柱側(cè)彎病變程度、生物力學(xué)異常、骨骼發(fā)育情況，見圖2。綜合信息推送個性化處方。

圖2

2.2、個性化構(gòu)思

除了AIS影像學(xué)識別系統(tǒng)對于影像學(xué)資料的精密分析，為了達(dá)到使推送的運(yùn)動處方能夠因人而異，具有個性化，用戶進(jìn)入小程序前需要完成力學(xué)評估合輯。該合輯由團(tuán)隊專家組共同定制，通過對脊柱及脊柱外各環(huán)節(jié)（從顱面部至足踝部）的評估，在推送的運(yùn)動處方中，著重通過運(yùn)動干預(yù)改善可能導(dǎo)致脊柱側(cè)彎的全身各環(huán)節(jié)力學(xué)異常。

3、使用方法

“青少年脊柱小衛(wèi)士”依托微信小程序。用戶首次使用進(jìn)入小程序后，將會進(jìn)行初次脊柱側(cè)彎自我評估篩查，可根據(jù)語音及圖文提示完成一系列生物力學(xué)評估，如圖3所示，系統(tǒng)會自動根據(jù)用戶評估的過程給出相對應(yīng)的評估結(jié)果。評估結(jié)束后，若用戶已經(jīng)確診并且有在醫(yī)院進(jìn)行影像學(xué)的檢查可根據(jù)提示上傳自己的影像學(xué)資料，若沒有方可跳過，見圖4。一系列評估結(jié)束后小程序通過AIS影像學(xué)識別系統(tǒng)中獲取的多維度信息，可推送更加符合用戶的個性化運(yùn)動處方。進(jìn)入主界面，通過隨即便可以進(jìn)入訓(xùn)練界面進(jìn)行個性化運(yùn)動治療，見圖5。小程序也配備商城提供一系列治療用具，便用戶選購，同時主頁面還有國內(nèi)外脊柱側(cè)彎專家提供的科普預(yù)防講座，幫助用戶進(jìn)一步多維度了解青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎。

圖3 評估界面

圖4 上傳資料界面

圖5 運(yùn)動干預(yù)界面

4、“青少年脊柱小衛(wèi)士”特點(diǎn)

“青少年脊柱小衛(wèi)士”是一個青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎一站式全周期綜合管理平臺。針對于中國兒童青少年脊柱健康，其核心為體醫(yī)工融合，即體育、醫(yī)療、人工智能三者跨學(xué)科融合。體醫(yī)融合模式是圍繞疾病防治為導(dǎo)向、解決健康促進(jìn)為目的，以研究群體化及個體化運(yùn)動處方為手段，建立并完善體醫(yī)結(jié)合的理論及人才培養(yǎng)體系，為生命全周期提供健康運(yùn)動和醫(yī)療保障各要素的實(shí)踐活動。《健康中國2030規(guī)劃綱要》提出，要從“醫(yī)療健康干預(yù)”向“非醫(yī)療健康干預(yù)”轉(zhuǎn)變，則需要強(qiáng)調(diào)運(yùn)動治療與運(yùn)動預(yù)防的作用。平臺的運(yùn)動干預(yù)形式，實(shí)現(xiàn)了針對于青少年脊柱側(cè)彎從傳統(tǒng)醫(yī)療手術(shù)干預(yù)向非醫(yī)療健康干預(yù)的轉(zhuǎn)型。同時借助人工智能技術(shù)的融合，以小程序?yàn)槠脚_，實(shí)現(xiàn)了居家一站式脊柱側(cè)彎全周期干預(yù)。不僅改善青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎，還降低脊柱側(cè)彎給家庭和社會帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，更加提升了效率。

4.1、輔助診查、評估

“青少年脊柱小衛(wèi)士”為廣大青少年提供篩查與評估，讓用戶更加了解自身的脊柱健康情況，在國內(nèi)醫(yī)療資源不均衡的情況下，依然有許多地區(qū)對于脊柱側(cè)彎的認(rèn)知過于表面，通過小程序平臺的簡單評估操作，可讓用戶得知脊柱健康狀態(tài)，并能及時給出評估報告包括程度分型及誘因分析。其中人工智能團(tuán)隊研發(fā)的AIS影像學(xué)識別系統(tǒng)在提升推送干預(yù)方案的效率方面有顯著貢獻(xiàn)，將采集的用戶影像學(xué)信息識別，精準(zhǔn)定位重要骨性結(jié)構(gòu)，測量側(cè)彎程度，再經(jīng)過后臺綜合處理，立即推送評估結(jié)果及運(yùn)動處方。

4.2、個性化運(yùn)動處方

“青少年脊柱小衛(wèi)士”面向廣大青少年，用戶數(shù)量非常龐大，但是平臺推送給用戶的運(yùn)動處方仍然是個性化的，這依賴于后臺技術(shù)對于用戶各方面信息的綜合處理。根據(jù)Sosort指南中的建議，給予不同年齡、側(cè)彎角度以及骨盆愈合程度時應(yīng)推薦的干預(yù)方式，這些指標(biāo)均從AIS影像學(xué)識別系統(tǒng)中獲??；另外加上評估測試中的下肢生物力學(xué)測試結(jié)果，給予個性化力學(xué)糾正，生成綜合運(yùn)動處方。框架如圖6所示。運(yùn)動治療對于脊柱側(cè)彎的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)治療，傳統(tǒng)治療多數(shù)為定期復(fù)查、輔具治療及手術(shù)治療。定期復(fù)查除了保持良好坐姿習(xí)慣外無積極主動的應(yīng)對方案。輔具的佩戴每天長達(dá)12h，青少年多數(shù)都難以堅持，造成行動上的困難，并且輔具外觀可能會給他們的心理造成一定的傷害。手術(shù)治療也是最普遍的傳統(tǒng)治療，但會給家庭帶來較重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，且風(fēng)險大，但痊愈的成功率只達(dá)70%。運(yùn)動治療是更為積極主動的干預(yù)治療方案，從很大程度上改善脊柱健康。

圖6

4.3、跟蹤復(fù)查實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測

目前國內(nèi)外康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展趨勢，是將康復(fù)進(jìn)度量化，因?yàn)檫@將有利于患者體會發(fā)現(xiàn)自身的功能進(jìn)展提高運(yùn)動治療的積極性和主動性，也可使康復(fù)治療的全過程更具科學(xué)性。這些需要評估系統(tǒng)完善標(biāo)準(zhǔn)化并且進(jìn)行密切跟蹤實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。我國目前進(jìn)入人口老齡化日益增長的階段，醫(yī)療資源緊缺，青少年脊柱側(cè)彎的人群不斷增漲，要想讓青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎得到動態(tài)監(jiān)測，目前來說較為困難。“青少年脊柱小衛(wèi)士”平臺會每個月進(jìn)行居家再評估，當(dāng)用戶有去醫(yī)院進(jìn)行復(fù)診也可以隨時在平臺上更新上傳影像學(xué)資料，平臺會保存每次的評估記錄與影像學(xué)資料，實(shí)時更新推送運(yùn)動處方，讓用戶體會到一站式綜合管理脊柱側(cè)彎服務(wù)，從根本上實(shí)現(xiàn)真是的動態(tài)監(jiān)測。

4.4、數(shù)據(jù)收集

通過平臺的普及使用，大量用戶的動態(tài)監(jiān)測情況，可以獲得我國兒童青少年脊柱側(cè)彎的類型及程度分類。那么更深層的數(shù)據(jù)也可從平臺評估系統(tǒng)中通過一系列力學(xué)評估分析出脊柱側(cè)彎誘因，統(tǒng)計出我國兒童青少年引起脊柱側(cè)彎的原因，如，呼吸異常引起、足弓異常引起等。這些大數(shù)據(jù)能讓我國青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎更好的得以預(yù)防，優(yōu)化治療方案。

5、基于“青少年脊柱小衛(wèi)士”的干預(yù)效果

青少年脊柱小衛(wèi)士中生成的個性運(yùn)動處方為多名專家共同制定的PSSE脊柱側(cè)彎特定性矯正運(yùn)動。多維度多角度干預(yù)，涵蓋施羅德脊柱訓(xùn)練、SPS螺旋鏈訓(xùn)練、呼吸訓(xùn)練、脊柱穩(wěn)定性訓(xùn)練等。視頻錄制為4k畫質(zhì)，模特為體醫(yī)融合人才培養(yǎng)計劃人、北京體能協(xié)會健康體能訓(xùn)練師，高度體現(xiàn)體醫(yī)融合思想。

青少年脊柱小衛(wèi)士產(chǎn)品本身對于AIS的改善效果進(jìn)行了臨床干預(yù)實(shí)驗(yàn)。下文將結(jié)合兩個具體案例，即福建省廈門市思明區(qū)兩所中學(xué)部分初一至初三在校學(xué)生分別進(jìn)行的兩組隨即對照試驗(yàn)。分別對結(jié)構(gòu)改善以及功能改善兩方面（表2）進(jìn)行研究。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）經(jīng)軀干 X線片檢查確診為 AIS；（2）年齡為 12-15歲；（3）Cobb角度15°-40°；（4）未接受過任何方式的 AIS 治療；（5）遵循自愿原則，且家長均簽署知情同意書。

表2 青少年脊柱側(cè)小衛(wèi)士療效評定內(nèi)容

5.1、對Cobb角度改善率

Cobb角通常作為評判脊柱側(cè)彎嚴(yán)重程度的參考標(biāo)準(zhǔn)之一。在臨床干預(yù)實(shí)驗(yàn)中，為一個月內(nèi)拍攝過影像學(xué)資料并且Cobb角度在15°-40°的22名年齡在12-15歲的青少年進(jìn)行了不同干預(yù)時長的“青少年脊柱小衛(wèi)士”個性化干預(yù)，每周進(jìn)行4次，每次20min。觀察干預(yù)后的Cobb角度是否改善。3次干預(yù)試驗(yàn)效果如表3所示，干預(yù)后影像學(xué)資料中的Cobb角度全部有所改善。

表3 青少年脊柱側(cè)小衛(wèi)士個性化治療對Cobb角度的改善情況

5.2、對ATR的改善

2021年4月選取42例符合納入標(biāo)準(zhǔn)的AIS患者，隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組與對照組各21人。實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行每周4次，每次20min的青少年脊柱小衛(wèi)士個性化治療，持續(xù)3個月。每兩周由治療師為兩組受試者記錄一次ATR，繪制折線圖，比較分析兩組ATR變化趨勢，見圖7。對照組呈平緩，實(shí)驗(yàn)組ATR較對照組呈改善趨勢。

圖7 ATR改善情況對比

5.3、中文版SRS問卷評分的比較

記錄上一段內(nèi)容中同一實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)組與對照組干預(yù)前后的中文版SRS問卷評分。實(shí)驗(yàn)組治療后對自己的功能滿意情況評分增高（P＜0.05），見表 4。

表4 治療前后中文版SRS問卷評分比較

5.4、干預(yù)效果討論

AIS目前病因不明，可能由多種姿勢異常或力線異常引起，且現(xiàn)在隨著兒童青少年體力活動減少以及不正確的姿勢習(xí)慣，現(xiàn)已成為兒童青少年最為常見的疾病之一。傳統(tǒng)的支架治療、定期觀察或在患者AIS的自然發(fā)展過程中，其結(jié)局具有不確定性，一些患者可能出現(xiàn)停止惡化或有所減輕，一些患者可能出現(xiàn)惡化甚至達(dá)到手術(shù)指征。討論不確定性的原因，我們認(rèn)為一些AIS患者的問題源自脊柱本身，椎旁肌較弱或脊柱周圍肌力不均導(dǎo)致脊柱穩(wěn)定性較差或肌力失衡，這類患者在通過支架治療在起到矯正作用的同時，可以在佩戴支具時提供給脊柱支持穩(wěn)定的作用，或通過增加日常的體力活動激活了椎旁肌，增加了脊柱穩(wěn)定性。這類患者會得到積極的反饋；而一些患者的病因并不在脊柱方面，而是在遠(yuǎn)端的部位，如，功能性長短腿導(dǎo)致的骨盆傾斜，當(dāng)存在骨盆傾斜的情況下，未將其視為治療重點(diǎn)，僅進(jìn)行支具治療，則不會出現(xiàn)積極的反饋。同樣可能會出現(xiàn)Burwell所提出的惡性循環(huán)，即已發(fā)生脊柱側(cè)彎的處于發(fā)育階段的兒童青少年患者會存在脊柱兩側(cè)不對稱的負(fù)重，不對稱的負(fù)重造成的不對稱的應(yīng)力會產(chǎn)生不對稱的骨骼生長，不對稱的生長會進(jìn)一步造成脊柱側(cè)彎惡化，從而更加導(dǎo)致不對稱的負(fù)重，如此惡性循環(huán)。

青少年脊柱小衛(wèi)士的個性化運(yùn)動處方是根據(jù)用戶的體態(tài)、生物力線、影像學(xué)情況定制的運(yùn)動康復(fù)療法。包括發(fā)現(xiàn)并改善用戶的生物力學(xué)異常誘因、呼吸模式糾正以及脊柱穩(wěn)定性訓(xùn)練等，同時進(jìn)行根本問題的處理、教用戶學(xué)會在日常生活中保持正確的脊柱運(yùn)動模式以及穩(wěn)定性加強(qiáng)鞏固成果。因此，取得了顯著的改善效果。

6、結(jié)語

截至2022年5月，“青少年脊柱小衛(wèi)士”以累積了上萬名青少年用戶，與多省份中小學(xué)合作，對青少年進(jìn)行脊柱側(cè)彎的治療與預(yù)防?！扒嗌倌昙怪⌒l(wèi)士”在用戶滿意度調(diào)查中得到青少年、家長以及校方的多方好評，得益于青少年脊柱側(cè)彎患者在監(jiān)測后，對于運(yùn)動治療的訴求，在以非手術(shù)治療干預(yù)的同時，還可以根據(jù)用戶隨時更新的評估結(jié)果生成新的運(yùn)動處方，實(shí)現(xiàn)了居家完成全周期康復(fù)。

今后，“青少年脊柱小衛(wèi)士”會在不斷提升科學(xué)性的基礎(chǔ)上，不斷對平臺進(jìn)行完善。技術(shù)層面，訓(xùn)練云人工智能實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊將持續(xù)更新AIS影像學(xué)識別系統(tǒng)圖像識別數(shù)據(jù)集，進(jìn)一步提升精準(zhǔn)度；與此同時，研發(fā)新的智能化技術(shù)。例如，影像捕捉系統(tǒng)，進(jìn)行鏡頭前的體態(tài)捕捉，分別于冠狀面、矢狀面抓取如面部對稱、高低肩、骨盆傾斜等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步使個性化運(yùn)動處方貼合用戶具體情況。

技術(shù)變革不斷影響著社會的發(fā)展，通過體育—醫(yī)療—人工智能三融合的智能化工具，可以極大程度降低醫(yī)療資源的不平衡以及降低國家醫(yī)保負(fù)擔(dān)。未來，體育—醫(yī)療—人工智能三融合的應(yīng)用與傳播將會更加迅速。