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A hemispherical latitude-gradient sensor for closed-loop monitoring and management of scoliosis correction

计算机科学 脊柱侧凸 压力传感器 限制 可视化 软件部署 曲率 剪切力 腰椎 特发性脊柱侧凸 物理医学与康复 加速度计 分散注意力 模拟 生物医学工程 远程病人监护 医学 口腔正畸科 高斯分布 生物力学 高斯曲率 补偿(心理学) 压力(语言学)
作者
Enming Song,Yuyu Gao,Xinxin He,Haoyu Wang,Jianpeng Zhang,Weibin Zhu,Yuan Guo,Zhenlin Chen,Binbin Zhang,Shengxin Jia,Kuanming Yao,Yiming Liu,Xinge Yu
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:12 (31): eaeh1421-eaeh1421 被引量:2
标识
DOI:10.1126/sciadv.aeh1421
摘要

Conservative treatment of scoliosis relies on physiotherapy and bracing, yet both approaches lack tools for quantitative, real-time monitoring of corrective forces. Here, we introduce a hemispherical latitude-gradient (HS-LG) sensor as a previously unknown sensing paradigm for soft, curved-body interfaces, using scoliosis as a clinical exemplar. Leveraging a nonzero Gaussian curvature ([Formula: see text]) geometry, the device acts as a spatiotemporal mechanical filter, converting normal pressure into in-plane tensile forces to overcome shear and stress artifacts limiting conventional sensors. Integrated into a wireless platform, the HS-LG sensor enables immediate visualization of spatiotemporal pressure dynamics during therapy. In physiotherapy, bilateral deployment established the first quantitative, closed-loop Schroth regimen. Real-time visual feedback amplified targeted asymmetric breathing by ∼40% and decoupled nontargeted regional effort, transforming subjective instruction into data-driven neuromuscular internalization. In bracing, embedded sensors mapped pressures during daily activities, uncovering highly dynamic, posture-specific force redistributions, including transient pressure gradient reversals during ambulation, that challenge conventional static orthotic paradigms. Furthermore, age ([Formula: see text]) and body mass index (BMI; [Formula: see text]) emerged as strong predictors of daily wear compliance in the lumbar cohort, while BMI consistently drove interfacial mechanical loading across both spinal regions (lumbar [Formula: see text]; thoracic [Formula: see text]). Together, these results establish the HS-LG sensor design as a versatile, patient-ready platform that links geometry-driven sensing design to personalized, data-informed scoliosis management, while broadly advancing the development of wearable mechanosensing technologies for soft, curved biological surfaces.
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