一种青少年骨量峰值促进系统及方法与流程

本发明涉及骨质发育促进方法领域，具体是一种青少年骨量峰值促进系统和方法。

背景技术：

骨质疏松(osteoporosis)是一种以骨量低下，骨微结构破坏，导致骨脆性增加，易发生骨折为特征的一种全身性骨病。我国60岁以上人群中发病率为56％，其中女性发病率高达60％至70％。骨质疏松的严重后果是骨质疏松性骨折，即在日常生活或受到轻微创伤时发生脆性骨折，造成沉重的家庭、社会和经济负担。决定老年期是否发展为骨质疏松症在很大程度上取决于两个因素：(1)在成年早期达到的骨量峰值(peakbonemass,pbm)水平；(2)随后的年龄和激素相关的骨丢失速率。应对骨质疏松的最佳策略是预防，因此，提高在成年早期获得的pbm对骨质疏松防治意义重大。

峰值骨量指人体矿物质在骨骼成熟期沉积于骨骼中的最大值，广义上是指由骨量(bonemass)、骨密度(bonemineraldensity,bmd)、骨微结构、骨尺寸等形成的个体骨骼强度峰值，是人一生中骨骼最为坚硬的时期。pbm受遗传和环境因素相互作用的影响，能否达到遗传因素控制下的最佳峰值骨量受生活方式因素的影响，故通过改善影响骨量的可控因素，如加强运动、均衡饮食、避免不良的嗜好等方式可以使峰值骨量达到最高的理想值。运动是提高pbm的有效手段之一，但在不同时期进行体育运动，骨所产生的适应性变化存在差异。近年来的研究结果揭示，在青春期骨骼快速增长期进行很短时间的运动即可以使骨量发生显著性变化。对处于不同生长期的群体进行运动干预的研究揭示，青春期早期和中期是运动对骨量累计影响最为关键的时期，也是运动提高峰值骨量的最佳时期,这一阶段被称为运动对骨构建作用的“机会之窗”。另一方面，在青少年成长发育过程中，骨量增长速度往往超过骨矿化速度，统计学研究发现多达一半的男孩和三分之一女孩在18岁以下会发生一次骨折，大约五分之一会发生两次或多次骨折。青少年，特别是处于发育期的青少年，发生骨折后对其骨折部位的骨骼肌肉发育的影响是长期的。超出青少年个体骨质可承受的应力强度的运动往往对青少年骨骼发育产生不利影响。可见，实现适宜青少年骨质发育阶段和个体体质状况的干预方法对于青少年的长远健康具有重大意义。

基于国内外文献的检索，专利《一种智能化人体健康测评与促进服务管理系统》(cn201510039028.0)中提出了通过人体体质测试并通过运动干预来促进人体健康的方法，其他提到了骨质健康促进，其主要提出是人体健康促进的信息化手段，未提供提升骨质的具体方法和算法，未提及针对青少年骨量峰值的促进方法。专利《一种基于应力调控的骨质健康促进系统》(cn201711385605.7)中提出了一种基于运动应力促进骨质的方法，但是没有提及青少年如何提升骨量峰值。本发明基于前期的研究成果，即在青少年发育期，骨骼发育紧随着人体瘦体重发育后，肌肉的发育对骨骼的发育起到引导作用这一理论成果，创新性的提出一种基于青少年骨骼发育阶段识别的骨量峰值促进方法，融合运动、营养、生活方式为一体的青少年骨量峰值干预模型，为青少年的骨骼发育提供了一种系统和方法。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种青少年骨量峰值促进系统及方法，达到安全有效的提升骨质健康水平的目标，为骨质健康促进提供了量化的推理方法，增强的骨质健康促进方法的个性化和科学性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种青少年骨量峰值促进系统，其特征在于包括：建档模块、问卷模块、信息采集模块、推理模块和执行反馈模块；

建档模块：对青少年基本信息进行调查，将调查结果传输至推理模块，所述用户基本信息包括：姓名、年龄、性别、种族、身高、体重、父母身高；

问卷模块：调查青少年运动习惯、生活方式信息、青少年发育状况(首次遗精(男)时间、初潮(女)时间、变声时间、身高增长率、肩宽)，将调查结果传输至推理模块；所述青少年发育状况包括首次遗精(男)时间、初潮(女)时间、变声时间、身高增长率、肩宽；

信息采集模块：采集人体成分，所述人体成分包括人体瘦体重(ffm)和脂肪量(fm)和骨质发育状况，所述骨质健康状况包括骨强度ρ和骨质评价z值，信息采集传送至推理模块和执行情况评价模块，作为推理模块和执行情况评价模块的依据；

推理模块：获取问卷模块中的青少年发育状况，信息采集模块中的人体瘦体重ffm和骨质评价z值，按照骨质发育推理模型确定当前的骨质发育阶段；基于建档模块、问卷模块和信息采集模块传输的数据，根据骨质发育促进模型，生成青少年具体执行的骨质健康促进执行方案，所述骨质健康促执行方案包括锻炼的总时间、每周锻炼次数、每次锻炼时间、锻炼时的强度范围以及促进骨质发育的膳食和生活方式建议；所述骨质发育阶段为五个阶段，包括儿童期、青春期早期、青春期中期、青春期晚期、成熟期；

执行反馈模块：基于推理模块生成的骨质发育促进执行方案和信息采集模块传输的定期测试数据，对骨质发育状况进行总体评估，当评估获得的骨质评价z值大于预期增长值则不改变方案，否则分析方案执行情况，并针对性的优化方案。

所述信息采集模块中，人体成分采用生物电阻抗技术，获取人体瘦体重ffm和脂肪fm。

所述人体骨质状况，采用超声测量人体跟骨超声骨密度ρ。

所述推理模块中，骨质发育推理模型，模型遵循以下结构：

输入参数为年龄、人体瘦体重ffm、青少年骨密度ρ和青少年发育状况；

输出参数为骨质发育阶段(儿童期、青春期早期、青春期中期、青春期晚期和成熟期)；

计算过程为：首先根据年龄和青少年发育状况近似确定青少年的发育阶段，然后根据判定方法：s1＝(ffmt-ffm0)/t)-а；

s2＝(ρt-ρ0)/t-в；

如果s1或s2大于该阶段的阈值，则确定为该发育阶段，其中ffm0为初始阶段的人体瘦体重、ffmt为下次测试的人体瘦体重，ρ0为初始阶段的骨密度，ρt下次测试的骨密度，t为两次测试的时间间隔，以天为单位，а表示瘦体重变化阈值，в为骨密度变化阈值。

所述推理模块中，输入参数为骨质发育阶段，输出为运动促进方案、膳食建议、生活方式改善建议，推理模块内置专家知识库，知识库存储青少年不同骨质发育阶段的干预方案，推理过程依据骨质的不同发育阶段，基于知识库形成青少年骨质促进的运动促进方案、膳食建议、生活方式改善建议。

所述执行反馈模块依据如下的过程实现：

(1)依据推理模块给出的骨质发育促进执行方案执行一个周期后，通过信息采集模块获取最新骨质评价z值，与推理模块给出的青少年骨质发育预测z值进行对比；

(2)通过对比，如果z值大于或者等于骨质发育预测z值，则不改变干预方案，如z值小于或者等于骨质发育预测z值，则分析青少年干预方案执行情况，如执行情况不良，则提醒依照干预方案执行，如执行情况良好，则调整干预方案。

本发明的一种青少年骨量峰值促进方法，包含以下步骤：

步骤1：青少年建档，建档基本信息包括姓名、年龄、性别、种族、身高、体重、父母身高；

步骤2：青少年发育状况问卷调查，调查青少年运动习惯、生活方式信息、青少年发育状况(首次遗精(男)、初潮(女)、变声时间、肩宽)；

步骤3：通过信息采集模块中的人体成分测量进行人体成分测定，人体成分测量采用人体生物电阻抗技术测量人体阻抗(resistance)，测试时候首先测量人体体重(bw)，并根据如下公式测定人体的瘦体重ffm和脂肪fm：

(1)ffm＝7.7435+(0.4542×height²/resistance)+(0.119×bw)+(0.0455×reactance)

(2)fm＝bw-ffm；

其中，height为青少年身高，从青少年建档信息中获取，reactance通过人体生物电阻抗技术获取，在实际使用前，需进行重复性和准确性验证；

步骤4：通过信息采集模块中的骨质健康状况模块进行骨质测定，骨质测定采用透射法测量超声在跟骨传播过程的超声速度sos以及宽带衰减速度bua，通过公式计算获得骨强度指数si(si＝0.67×bua+0.28×sos-420)和骨质健康状况z值，受试者的骨骼发育z>0，表示骨骼发育好于同年龄段平均水平，z<0表示骨骼发育低于同年龄段平均水平；

步骤5：确定骨骼发育阶段，骨骼发育阶段分为儿童期、青春期早期、青春期中期、青春期晚期和成熟期，依据青少年发育状况、瘦体重变化和骨密度变化确定青少年骨骼发育阶段；

步骤6：推理生成阶段性青少年骨量峰值促进方法，促进方法包括阶梯式的运动干预方案、膳食建议和生活方式建议；运动干预方案，根据骨骼的发育阶段和当前骨质的z值，给出适合青少年骨骼发育的运动项目，如跳绳、单脚跳跃、少年篮球等项目，强度为中等及以上强度级别，阶梯性体现在，如z值小于0,则先开展3个月的中等强度运动，z值大于等于0后，可开展中高强度运动，膳食建议是通过建议青少年补充富含钙质、维生素d的食物为主，生活方式建议则主要建议改善户外活动时间、日照时间、睡眠时长等；

步骤7：执行骨量峰值促进方法，完成锻炼周期，根据推理生成的运动方案，运动执行运动方案内容，执行结束后，重新通过采集模块测试骨质状况等，进行骨质评级；

步骤8：判断骨质发育是否正常，通过信息采集模块中的骨质健康状况模块进行骨质测定，并基于骨质测定的z值评价骨质发育情况，若骨质z值大于或者等于0，则评价为骨质发育正常；若z值小于0，骨质发育不良，如执行一个阶段后，骨骼发育仍然不正常，则继续执行步骤2，直至发育正常；

步骤9：干预方案维持阶段，如使用者骨质发育已恢复正常，良好的生活方式已经形成，则维持当前干预方案。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

(1)本发明所提出的一种青少年骨量峰值促进系统和方法，基于青少年骨骼发育状况阶段，识别骨骼成长发育的关键时期进行干预，更具科学性。

(2)本发明所提出的一种青少年骨量峰值促进系统和方法，根据个体实际的骨质状况，给出符合个体骨质状况的阶段性的运动、膳食和生活方式干预，干预方法更全面有效。

(3)本发明所提出的一种青少年骨量峰值促进系统和方法，考虑了青少年骨骼发育过程中的人体肌肉和骨骼的关系，量化肌肉收缩对骨骼促进作用的力量范围，保证干预方法的安全性。

附图说明

图1为本发明系统组成框图；

图2为本发明的骨质促进方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种青少年骨量峰值促进系统包括：建档模块、问卷模块、信息采集模块、推理模块和执行反馈模块；

建档模块：对青少年基本信息进行调查，将调查结果传输至推理模块，所述用户基本信息包括：姓名、年龄、性别、种族、身高、体重、父母身高；

问卷模块：调查青少年运动习惯、生活方式信息、青少年发育状况(首次遗精(男)时间、初潮(女)时间、变声时间、身高增长率、肩宽)，将调查结果传输至推理模块；所述青少年发育状况包括首次遗精(男)时间、初潮(女)时间、变声时间、身高增长率、肩宽；

信息采集模块：采集人体成分，所述人体成分包括人体瘦体重(ffm)和脂肪量(fm)和骨质发育状况，所述骨质健康状况包括骨强度ρ和骨质评价z值，信息采集传送至推理模块和执行情况评价模块，作为推理模块和执行情况评价模块的依据；

推理模块：获取问卷模块中的青少年发育状况，信息采集模块中的人体瘦体重ffm和骨质评价z值，按照骨质发育推理模型确定当前的骨质发育阶段；基于建档模块、问卷模块和信息采集模块传输的数据，根据骨质发育促进模型，生成青少年具体执行的骨质健康促进执行方案，所述骨质健康促执行方案包括锻炼的总时间、每周锻炼次数、每次锻炼时间、锻炼时的强度范围以及促进骨质发育的膳食和生活方式建议；所述骨质发育阶段为五个阶段，包括儿童期、青春期早期、青春期中期、青春期晚期、成熟期；

执行反馈模块：基于推理模块生成的骨质发育促进执行方案和信息采集模块传输的定期测试数据，对骨质发育状况进行总体评估，当评估获得的骨质评价z值大于预期增长值则不改变方案，否则分析方案执行情况，并针对性的优化方案。

所述信息采集模块中，人体成分采用生物电阻抗技术，获取人体瘦体重ffm和脂肪fm。

所述人体骨质状况，采用超声测量人体跟骨超声骨密度ρ。

所述推理模块中，骨质发育推理模型，模型遵循以下结构：

输入参数为年龄、人体瘦体重ffm、青少年骨密度ρ和青少年发育状况；

输出参数为骨质发育阶段(儿童期、青春期早期、青春期中期、青春期晚期和成熟期)；

计算过程为：首先根据年龄和青少年发育状况近似确定青少年的发育阶段，然后根据判定方法：s1＝(ffmt-ffm0)/t)-а；

s2＝(ρt-ρ0)/t-в；

如果s1或s2大于该阶段的阈值，则确定为该发育阶段，其中ffm0为初始阶段的人体瘦体重、ffmt为下次测试的人体瘦体重，ρ0为初始阶段的骨密度，ρt下次测试的骨密度，t为两次测试的时间间隔，以天为单位，а表示瘦体重变化阈值，в为骨密度变化阈值。

所述推理模块中，输入参数为骨质发育阶段，输出为运动促进方案、膳食建议、生活方式改善建议，推理模块内置专家知识库，知识库存储青少年不同骨质发育阶段的干预方案，推理过程依据骨质的不同发育阶段，基于知识库形成青少年骨质促进的运动促进方案、膳食建议、生活方式改善建议。

所述执行反馈模块依据如下的过程实现：

(1)依据推理模块给出的骨质发育促进执行方案执行一个周期后，通过信息采集模块获取最新骨质评价z值，与推理模块给出的青少年骨质发育预测z值进行对比；

(2)通过对比，如果z值大于或者等于骨质发育预测z值，则不改变干预方案，如z值小于或者等于骨质发育预测z值，则分析青少年干预方案执行情况，如执行情况不良，则提醒依照干预方案执行，如执行情况良好，则调整干预方案。

如图2的示，本发明的一种青少年骨量峰值促进方法，包含以下步骤：

步骤1：青少年建档，建档基本信息包括姓名、年龄、性别、种族、身高、体重、父母身高；

步骤2：青少年发育状况问卷调查，调查青少年运动习惯、生活方式信息、青少年发育状况(首次遗精(男)、初潮(女)、变声时间、肩宽)；

步骤3：通过信息采集模块中的人体成分测量进行人体成分测定，人体成分测量采用人体生物电阻抗技术测量人体阻抗(resistance)，测试时候首先测量人体体重(bw)，并根据如下公式测定人体的瘦体重ffm和脂肪fm：

(1)ffm＝7.7435+(0.4542×height²/resistance)+(0.119×bw)+(0.0455×reactance)

(2)fm＝bw-ffm；

其中，height为青少年身高，从青少年建档信息中获取，reactance通过人体生物电阻抗技术获取，在实际使用前，需进行重复性和准确性验证；

步骤4：通过信息采集模块中的骨质健康状况模块进行骨质测定，骨质测定采用透射法测量超声在跟骨传播过程的超声速度sos以及宽带衰减速度bua，通过公式计算获得骨强度指数si(si＝0.67×bua+0.28×sos-420)和骨质健康状况z值，受试者的骨骼发育z>0，表示骨骼发育好于同年龄段平均水平，z<0表示骨骼发育低于同年龄段平均水平；

步骤5：确定骨骼发育阶段，骨骼发育阶段分为儿童期、青春期早期、青春期中期、青春期晚期和成熟期，依据青少年发育状况、瘦体重变化和骨密度变化确定青少年骨骼发育阶段；

步骤6：推理生成阶段性青少年骨量峰值促进方法，促进方法包括阶梯式的运动干预方案、膳食建议和生活方式建议；运动干预方案，根据骨骼的发育阶段和当前骨质的z值，给出适合青少年骨骼发育的运动项目，如跳绳、单脚跳跃、少年篮球等项目，强度为中等及以上强度级别，阶梯性体现在，如z值小于0,则先开展3个月的中等强度运动，z值大于等于0后，可开展中高强度运动，膳食建议是通过建议青少年补充富含钙质、维生素d的食物为主，生活方式建议则主要建议改善户外活动时间、日照时间、睡眠时长等；

步骤7：执行骨量峰值促进方法，完成锻炼周期，根据推理生成的运动方案，运动执行运动方案内容，执行结束后，重新通过采集模块测试骨质状况等，进行骨质评级；

步骤8：判断骨质发育是否正常，通过信息采集模块中的骨质健康状况模块进行骨质测定，并基于骨质测定的z值评价骨质发育情况，若骨质z值大于或者等于0，则评价为骨质发育正常；若z值小于0，骨质发育不良，如执行一个阶段后，骨骼发育仍然不正常，则继续执行步骤2，直至发育正常；

步骤9：干预方案维持阶段，如使用者骨质发育已恢复正常，良好的生活方式已经形成，则维持当前干预方案。

所述骨骼发育推理模型中在确认青少年骨质发育阶段采用了如下方法：

通过问卷模块获取青少年各个阶段的关键性指标和证据，如身高增长幅度、体重增长幅度、肩宽增加、变声、第二性征发育、女孩月经初潮、男孩遗精等指标、事件和证据，利用d-s证据理论来明确个体的发育阶段，降低骨骼发育阶段划分的不确定性。将骨骼阶段划分作为识别框架，建立基本信任分配函数，对多种途径的信息融合决策进行证据融合，得到融合的信任度。

(1)m(φ)＝0

其中m()表示信任分配函数，a表示事件，m(φ)表示初始值，φ表示独立不相干事件，θ表示识别框架，

假设识别框架θ下的多个证据ε1，ε2，..,εn，其相应的分配函数为m1和m2，焦元分别为ai和bj，

则证据合成规则为：

其中，

系数k为正则化因子，k的范围为[0，1]，φ表示独立不相干事件。

依据以上公式对数据进行融合计算，获得融合后的信任度，针对d-s证据理论中存在的高冲突证据推理失效问题，采用增加数据源维度的方法来降低冲突，如出现证据之间高度冲突，首先对数据的来源有效性就行验证，如数据有效，再通过增加测试的方法，如增加数据复查等，将再次获得的数据也纳入计算体系，降低证据冲突。

通过上述计算，对发育过程中的身体指标变化和事件作为证据，准确的获得个体当前所处的发育阶段。

提供以上实施例仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。