青少年特發性脊柱側彎體醫工融合干預平臺
——“青少年脊柱小衛士”的應用與特點

楊冉陳洪淼（通訊作者） 楊樂翟勝杰、3

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

1、項目研發背景

青少年特發性脊柱側彎現已成為危害我國兒童青少年健康的第三大疾病。AIS又稱為青少年特發性脊柱側彎，它的特發性就表現在是由多種因素導致的復雜性疾病。可能是由于病理生理因素導致，如，遺傳、性激素(雌二醇)、鈣調素、褪黑素等。也可能是由于生物力學因素導致足弓塌陷、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，我國中小學生脊柱側彎人數達500萬人，且正在以每年30萬的人數增加。當青少年從10歲開始身體機能的發育增快，在青春期由于不注意日常姿勢體態，加上缺乏運動鍛煉以及日常用具如課桌、椅子的設計不良，不符合人體生物力學，這些都可能導致在青春期發生脊柱側彎。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指南》中指出將脊柱側彎篩查項目納入每學年或新生入學體檢內容中。

在青少年特發性脊柱側彎的全周期管理中。在初步發現階段，經本團隊問卷調查顯示，知道自己孩子存在脊柱側彎問題的家長中，95%是通過學校每學期的體檢篩查得知，另外4%是通過檢查其他臟器疾病拍攝影像學資料中意外發現脊柱存在側彎現象。普遍家庭對青少年特發性脊柱側彎的認知還是比較薄弱，并且通常僅僅止步于篩查階段，確診階段往往還需前往醫院的脊柱外科進行影像學檢查，確診后的治療階段就更是局限。因為傳統醫院醫療干預方式存在一些劣勢，如，手術干預與矯形護具干預占比較大，以及定期觀察的階段沒有積極主動的干預方案等問題。即在日常對脊柱側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性脊柱側彎，但也存在著評估檢測后沒有治療手段的問題。訓練云人工智能實驗室針對無非醫療手段干預、無法隨時監測等問題，于2021年6月研發了“青少年脊柱小衛士“平臺，希望為青少年提供綜合管理平臺，以加強青少年特發性脊柱側彎的隨時監測與治療。

國際脊柱側彎協會（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彎特定性矯正運動 （physiotherapeutic scoliosis-specific exercise，PSSE），PSSE是公認的脊柱側彎保守治療法之一，是根據每個患者的脊柱側彎類型、側彎程度、惡化風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醫院確診后，被診斷為輕度AIS的患者通常被醫生要求每3個月定期復查，在這3個月內除了佩戴背架外，沒有提供給患者任何包括PSSE在內的任何運動治療方案，即在AIS患者的日常干預、改善以及防惡化階段存在空缺。

2、項目的構思

平臺的根本目的在于實現青少年可以對脊柱側彎居家進行隨時的監測與個性化運動干預治療。“青少年脊柱小衛士”即是包含了隨時評估監測功能與隨評估生成個性化運動處方這兩項功能。在應用場景上，“青少年脊柱小衛士”可以于全移動平臺與電腦上使用，同時支持投屏。使應用場景多變，隨時隨地都能進行青少年特發性脊柱側彎的干預治療。

“青少年脊柱小衛士”的開發設計與產品構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，支持評估監測、資料上傳、處方推送、視頻帶練、運動設備購買等操作。

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現。“青少年脊柱小衛士”是中國首個引入體育—醫療—人工智能三融合技術的健康平臺。

2.1、精確化構思

為滿足高度的精確化，訓練云人工智能實驗室研發了一個系統——AIS影像學識別系統。鑒于上傳的影像學資料是制定個性化運動處方的重要依據，平臺以影像學資料中的信息為出發點，力求準確捕捉每個用戶影像學資料中的側彎程度，以及最大程度上實現對圖像中用戶脊柱相關信息的深度挖掘。目前已有的AIS影像學識別系統已經較為成熟，運用目標檢測識別和圖像分割技術，平臺可以直接從用戶上傳的影像學資料中獲取相關信息，包括脊柱側彎病變程度、生物力學異常、骨骼發育情況，見圖2。綜合信息推送個性化處方。

圖2

2.2、個性化構思

除了AIS影像學識別系統對于影像學資料的精密分析，為了達到使推送的運動處方能夠因人而異，具有個性化，用戶進入小程序前需要完成力學評估合輯。該合輯由團隊專家組共同定制，通過對脊柱及脊柱外各環節（從顱面部至足踝部）的評估，在推送的運動處方中，著重通過運動干預改善可能導致脊柱側彎的全身各環節力學異常。

3、使用方法

“青少年脊柱小衛士”依托微信小程序。用戶首次使用進入小程序后，將會進行初次脊柱側彎自我評估篩查，可根據語音及圖文提示完成一系列生物力學評估，如圖3所示，系統會自動根據用戶評估的過程給出相對應的評估結果。評估結束后，若用戶已經確診并且有在醫院進行影像學的檢查可根據提示上傳自己的影像學資料，若沒有方可跳過，見圖4。一系列評估結束后小程序通過AIS影像學識別系統中獲取的多維度信息，可推送更加符合用戶的個性化運動處方。進入主界面，通過隨即便可以進入訓練界面進行個性化運動治療，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外脊柱側彎專家提供的科普預防講座，幫助用戶進一步多維度了解青少年特發性脊柱側彎。

圖3 評估界面

圖4 上傳資料界面

圖5 運動干預界面

4、“青少年脊柱小衛士”特點

“青少年脊柱小衛士”是一個青少年特發性脊柱側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，其核心為體醫工融合，即體育、醫療、人工智能三者跨學科融合。體醫融合模式是圍繞疾病防治為導向、解決健康促進為目的，以研究群體化及個體化運動處方為手段，建立并完善體醫結合的理論及人才培養體系，為生命全周期提供健康運動和醫療保障各要素的實踐活動。《健康中國2030規劃綱要》提出，要從“醫療健康干預”向“非醫療健康干預”轉變，則需要強調運動治療與運動預防的作用。平臺的運動干預形式，實現了針對于青少年脊柱側彎從傳統醫療手術干預向非醫療健康干預的轉型。同時借助人工智能技術的融合，以小程序為平臺，實現了居家一站式脊柱側彎全周期干預。不僅改善青少年特發性脊柱側彎，還降低脊柱側彎給家庭和社會帶來的經濟負擔，更加提升了效率。

4.1、輔助診查、評估

“青少年脊柱小衛士”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，在國內醫療資源不均衡的情況下，依然有許多地區對于脊柱側彎的認知過于表面，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，并能及時給出評估報告包括程度分型及誘因分析。其中人工智能團隊研發的AIS影像學識別系統在提升推送干預方案的效率方面有顯著貢獻，將采集的用戶影像學信息識別，精準定位重要骨性結構，測量側彎程度，再經過后臺綜合處理，立即推送評估結果及運動處方。

4.2、個性化運動處方

“青少年脊柱小衛士”面向廣大青少年，用戶數量非常龐大，但是平臺推送給用戶的運動處方仍然是個性化的，這依賴于后臺技術對于用戶各方面信息的綜合處理。根據Sosort指南中的建議，給予不同年齡、側彎角度以及骨盆愈合程度時應推薦的干預方式，這些指標均從AIS影像學識別系統中獲取；另外加上評估測試中的下肢生物力學測試結果，給予個性化力學糾正，生成綜合運動處方。框架如圖6所示。運動治療對于脊柱側彎的優勢遠遠大于傳統治療，傳統治療多數為定期復查、輔具治療及手術治療。定期復查除了保持良好坐姿習慣外無積極主動的應對方案。輔具的佩戴每天長達12h，青少年多數都難以堅持，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。手術治療也是最普遍的傳統治療，但會給家庭帶來較重的經濟負擔，且風險大，但痊愈的成功率只達70%。運動治療是更為積極主動的干預治療方案，從很大程度上改善脊柱健康。

圖6

4.3、跟蹤復查實現動態監測

目前國內外康復醫學的發展趨勢，是將康復進度量化，因為這將有利于患者體會發現自身的功能進展提高運動治療的積極性和主動性，也可使康復治療的全過程更具科學性。這些需要評估系統完善標準化并且進行密切跟蹤實現動態監測。我國目前進入人口老齡化日益增長的階段，醫療資源緊缺，青少年脊柱側彎的人群不斷增漲，要想讓青少年特發性脊柱側彎得到動態監測，目前來說較為困難。“青少年脊柱小衛士”平臺會每個月進行居家再評估，當用戶有去醫院進行復診也可以隨時在平臺上更新上傳影像學資料，平臺會保存每次的評估記錄與影像學資料，實時更新推送運動處方，讓用戶體會到一站式綜合管理脊柱側彎服務，從根本上實現真是的動態監測。

4.4、數據收集

通過平臺的普及使用，大量用戶的動態監測情況，可以獲得我國兒童青少年脊柱側彎的類型及程度分類。那么更深層的數據也可從平臺評估系統中通過一系列力學評估分析出脊柱側彎誘因，統計出我國兒童青少年引起脊柱側彎的原因，如，呼吸異常引起、足弓異常引起等。這些大數據能讓我國青少年特發性脊柱側彎更好的得以預防，優化治療方案。

5、基于“青少年脊柱小衛士”的干預效果

青少年脊柱小衛士中生成的個性運動處方為多名專家共同制定的PSSE脊柱側彎特定性矯正運動。多維度多角度干預，涵蓋施羅德脊柱訓練、SPS螺旋鏈訓練、呼吸訓練、脊柱穩定性訓練等。視頻錄制為4k畫質，模特為體醫融合人才培養計劃人、北京體能協會健康體能訓練師，高度體現體醫融合思想。

青少年脊柱小衛士產品本身對于AIS的改善效果進行了臨床干預實驗。下文將結合兩個具體案例，即福建省廈門市思明區兩所中學部分初一至初三在校學生分別進行的兩組隨即對照試驗。分別對結構改善以及功能改善兩方面（表2）進行研究。納入標準：（1）經軀干 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 青少年脊柱側小衛士療效評定內容

5.1、對Cobb角度改善率

Cobb角通常作為評判脊柱側彎嚴重程度的參考標準之一。在臨床干預實驗中，為一個月內拍攝過影像學資料并且Cobb角度在15°-40°的22名年齡在12-15歲的青少年進行了不同干預時長的“青少年脊柱小衛士”個性化干預，每周進行4次，每次20min。觀察干預后的Cobb角度是否改善。3次干預試驗效果如表3所示，干預后影像學資料中的Cobb角度全部有所改善。

表3 青少年脊柱側小衛士個性化治療對Cobb角度的改善情況

5.2、對ATR的改善

2021年4月選取42例符合納入標準的AIS患者，隨機分為實驗組與對照組各21人。實驗組進行每周4次，每次20min的青少年脊柱小衛士個性化治療，持續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，實驗組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

記錄上一段內容中同一實驗中實驗組與對照組干預前后的中文版SRS問卷評分。實驗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，且現在隨著兒童青少年體力活動減少以及不正確的姿勢習慣，現已成為兒童青少年最為常見的疾病之一。傳統的支架治療、定期觀察或在患者AIS的自然發展過程中，其結局具有不確定性，一些患者可能出現停止惡化或有所減輕，一些患者可能出現惡化甚至達到手術指征。討論不確定性的原因，我們認為一些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致脊柱穩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，而是在遠端的部位，如，功能性長短腿導致的骨盆傾斜，當存在骨盆傾斜的情況下，未將其視為治療重點，僅進行支具治療，則不會出現積極的反饋。同樣可能會出現Burwell所提出的惡性循環，即已發生脊柱側彎的處于發育階段的兒童青少年患者會存在脊柱兩側不對稱的負重，不對稱的負重造成的不對稱的應力會產生不對稱的骨骼生長，不對稱的生長會進一步造成脊柱側彎惡化，從而更加導致不對稱的負重，如此惡性循環。

青少年脊柱小衛士的個性化運動處方是根據用戶的體態、生物力線、影像學情況定制的運動康復療法。包括發現并改善用戶的生物力學異常誘因、呼吸模式糾正以及脊柱穩定性訓練等，同時進行根本問題的處理、教用戶學會在日常生活中保持正確的脊柱運動模式以及穩定性加強鞏固成果。因此，取得了顯著的改善效果。

6、結語

截至2022年5月，“青少年脊柱小衛士”以累積了上萬名青少年用戶，與多省份中小學合作，對青少年進行脊柱側彎的治療與預防。“青少年脊柱小衛士”在用戶滿意度調查中得到青少年、家長以及校方的多方好評，得益于青少年脊柱側彎患者在監測后，對于運動治療的訴求，在以非手術治療干預的同時，還可以根據用戶隨時更新的評估結果生成新的運動處方，實現了居家完成全周期康復。

今后，“青少年脊柱小衛士”會在不斷提升科學性的基礎上，不斷對平臺進行完善。技術層面，訓練云人工智能實驗室團隊將持續更新AIS影像學識別系統圖像識別數據集，進一步提升精準度；與此同時，研發新的智能化技術。例如，影像捕捉系統，進行鏡頭前的體態捕捉，分別于冠狀面、矢狀面抓取如面部對稱、高低肩、骨盆傾斜等數據，進一步使個性化運動處方貼合用戶具體情況。

技術變革不斷影響著社會的發展，通過體育—醫療—人工智能三融合的智能化工具，可以極大程度降低醫療資源的不平衡以及降低國家醫保負擔。未來，體育—醫療—人工智能三融合的應用與傳播將會更加迅速。