抑制帕金森病患者手部抖動便攜式治療儀的設(shè)計

李姝楊

(北京市第五十五中學(xué))

1 研究背景

帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，是一種典型的運動能力退化癥，最主要的病理改變是中腦黑質(zhì)多巴胺（dopamine, DA）能神經(jīng)元的變性死亡，由此而引起紋狀體DA含量顯著性減少而致病，多見于老年人，其平均發(fā)病年齡在60歲左右。根據(jù)2015年4月出版的《北京青年報》提供的國際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前中國帕金森病患者人數(shù)已達到約200多萬人，約占全球50%。另外，帕金森發(fā)病正呈現(xiàn)年輕化趨勢，臨床治療中不乏低于40歲發(fā)病的青年帕金森患者；75歲以上的老人患病率高達10%。2005年統(tǒng)計數(shù)據(jù)平均年齡60歲，2010年統(tǒng)計數(shù)據(jù)平均年齡58歲，2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù)平均年齡56歲。由此可見，現(xiàn)在的老年病持續(xù)年輕化。這是一個很嚴重的問題。

帕金森病人具有如下三大癥狀：1.運動障礙；2.震顫；3.強直。隨著病情的發(fā)展，穿衣、洗臉、刷牙等日常生活活動都出現(xiàn)困難。而且，有的患者還可出現(xiàn)植物神經(jīng)功能紊亂，如油脂臉、多汗、垂涎、大小便困難和直立性低血壓，也可出現(xiàn)憂郁和癡呆的癥狀。

圖1 便攜式治療儀的工作原理示意圖

根據(jù)現(xiàn)有醫(yī)學(xué)科學(xué)相關(guān)資料，約70%的帕金森患者以震顫為首發(fā)癥狀，多始于一側(cè)上肢遠端，靜止時出現(xiàn)或明顯，隨意運動時減輕或停止，精神緊張時加劇，入睡后消失。手部靜止性震顫在行走時加重。

調(diào)研表明，PD患者的預(yù)期壽命與普通人群無顯著差異。所以，有效地治療能顯著提高患者的生活質(zhì)量，不過目前尚沒有治愈該病的特效藥物或治療方法。藥物治療是帕金森病最主要的治療手段。藥物必需長期服用，一旦停止治療，病情則會復(fù)發(fā)。早期患者通過藥物治療多可很好的控制癥狀；晚期由于患者對藥物反應(yīng)差，癥狀不能得到控制，患者可全身僵硬，生活不能自理，甚至長期臥床。 雖然手術(shù)治療是藥物治療的一種有效補充，但康復(fù)治療、心理治療及良好的護理也能在一定程度上改善癥狀。目前應(yīng)用的治療手段只能改善癥狀，不能阻止病情的進展，也無法治愈疾病。

單片機控制電路原理示意圖

圖2 單片機控制電路實物圖

根據(jù)現(xiàn)有醫(yī)學(xué)科學(xué)相關(guān)資料，約70%的帕金森患者以震顫為首發(fā)癥狀，多始于一側(cè)上肢遠端，靜止時出現(xiàn)或明顯，隨意運動時減輕或停止，精神緊張時加劇，入睡后消失。手部靜止性震顫在行走時加重。

總之，帕金森患者具有如下的典型震顫特點：（1）部位：往往是最先出現(xiàn)一側(cè)上肢的遠端，隨著病情發(fā)展，可以發(fā)展到同側(cè)下肢或同時伴頭頸部、下頜、舌肌震顫，最后累及對側(cè)肢體。手部以掌指關(guān)節(jié)和大拇指震顫明顯，形成所謂“搓丸藥”動作，有時下肢亦較明顯或其他部位的震顫比較突出；（2）頻率與振幅：帕金森病的震顫率多為4～8次/秒，一般要比單純性震顫稍慢些，幅度稍大，而比動作性震顫的頻率快，幅度略小。（3）震顫具有波動性：即有時明顯，有時則明顯減輕或消失；精神緊張、情緒激動及始動時震頗明顯，隨意運動時減輕，入睡后消失。

由于病情發(fā)展緩慢不易察覺，隨著病情的加重，帕金森家庭將會面臨越來越沉重的人力和經(jīng)濟負擔(dān)?；颊邚拈_始的偶爾需要人照顧，逐步發(fā)展到需要一個甚至兩個專門的人來照顧基本生活，最終大部分帕金森患者喪失行動能力，給親友和社會造成巨大負擔(dān)。

單片機控制電路布線圖（上圖為頂層電路板；下圖為底層線路板）

圖3 軟件設(shè)計流程

針對帕金森病人無意識地抖動特點，基于機械式運動脈沖刺激帕金森病人的激肢體與皮膚進而傳導(dǎo)至病人的中樞系統(tǒng)以影響其中腦的DA（多巴胺Dopamine）能神經(jīng)元興奮性以達到提高病人自主控制能力的設(shè)計思想，本文介紹了一種抑制帕金森病患的簡易的機械力傳導(dǎo)設(shè)備的研究和實現(xiàn)過程，該設(shè)備可通過振動傳感器檢測帕金森病人的無意識且持續(xù)的抖動脈沖信號，經(jīng)單片機判斷、處理后，驅(qū)動振動電機對病人的抖動部位施加一個抓握力，實現(xiàn)病人無意識抖動狀態(tài)的緩解，設(shè)備制作成本較低，從而在一定程度上改善病人的生活質(zhì)量，緩解病患家屬的經(jīng)濟壓力。

2 研究目的

通過對帕金森震顫的實測和文獻資料， 考慮到手及手臂的抖動對帕金森患者的日常生活影響明顯，結(jié)合震顫特點，設(shè)計一款可戴在病人抖動的胳膊上（成熟后可附著于病人的腿上，甚至脖子上）用于抑制震顫的便攜式治療儀，利用接近帕金森病人震顫的頻率，對患者施加逆向抖動，以達到減緩病人抖動的目的。

確定軟件、硬件和制作樣件方案：

（1）單片機的性能分析與選型；

（2）采用WAVE編譯軟件編輯調(diào)試程序；

（3）將編譯好的程序下載單片機；

（4）將單片機和振動電機、振動傳感器、電池等相關(guān)元部件焊接并測試。

3 研究方法

采取了文獻調(diào)研、理論分析、軟硬件設(shè)計相融合的研究方法，理論指導(dǎo)實踐，并通過實驗測試驗證初始的設(shè)計方法，進而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。

4 研究過程

根據(jù)帕金森病患的特點，細化設(shè)計思路，確定抑制帕金森手震顫的便攜治療儀的試制方案。根據(jù)試制方案，確定傳感器、單片機在此試制設(shè)備上的作用，制定更可行的制作流程，選擇電子元器件，完成硬件系統(tǒng)的焊接與軟件調(diào)試。樣件試制完成后，進行實驗測試，分析實驗結(jié)果，并撰寫了研究報告。

5 系統(tǒng)研制

5.1 方案設(shè)計

圖1示出了機械式減緩帕金森病人抖動的治療儀的工作示意圖。該設(shè)備由用于佩戴在帕金森病人抖動部位的可攜帶式制動板、電池和固定攜帶裝置組成?？蓴y帶式制動板上安裝有振動傳感器F、單片機控制電路及振動電機M，其中，振動傳感器F用于檢測帕金森病人的抖動或停止（檢測外部振動信號），通過單片機控制電路控制振動電機M的開啟或關(guān)閉。

5.2 硬件實現(xiàn)

（1）制作儀器：

單片機， 振動電機， 振動傳感器，電腦，電池，電烙鐵，焊錫絲，焊錫油等。

（2）實物制作過程

基于圖1所示的系統(tǒng)工作原理框圖，進行硬件設(shè)計與制作。

圖4(a) 無振動時示波器初始狀態(tài)

圖4(b) 有振動時示波器檢測到的脈沖信號

圖2為對應(yīng)的單片機控制電路實物圖,尺寸為：長×寬=55mm×22.5mm。

5.3 軟件設(shè)計

圖3給出了本設(shè)備的軟件設(shè)計流程圖。結(jié)合該流程圖可知，佩戴于帕金森病人的顫動部位（如胳膊、腿、手）的機械傳導(dǎo)部件，當病人抖動時，振動傳感器F檢測到持續(xù)抖動信號, 單片機接收到振動脈沖后，首先濾掉短時間的脈沖，排除干擾和瞬間的振動，然后通過判斷振動是否持續(xù)2（根據(jù)臨床實驗改變）秒以上，低于此值不做處理，高于此值時認為是病態(tài)振動，單片機發(fā)出指令打開振動電機5秒后關(guān)閉電機，再等待2秒以上重新檢測是否有新的振動信號，等待2秒是防止電機自身的振動被傳感器檢測到從而產(chǎn)生誤判。通過單片機控制電路控制振動電機M，振動電機M產(chǎn)生振動，通過電路中的上拉電阻把機械振動轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，傳送給單片機處理,帶動可攜帶式制動板振動，對帕金森病人的抖動部位產(chǎn)生了一個類似抓握的力，從而有效地緩解了病人的無意識抖動，提高了病人的生活質(zhì)量。當病人不抖動時，通過單片機控制電路關(guān)閉振動電機M即可。

6 實驗分析

6.1 功能實驗（圖4）

測試工具：示波器UTD2052CL；0-5V可調(diào)直流電源，電源在3V、5V分別測試。

實驗結(jié)果分析：無振動時，示波器輸出的直流電壓為0V，有振動時，示波器輸出為不規(guī)則脈沖序列信號，其中，高電平為電源電壓值。

6.2 臨床病患測試（圖5）

病人A，手指抖動，吃飯時會握不住餐具：

病人B，頸部僵直，影響活動和視物：

圖5(a) 實驗測試（腕部）

病人C，腿部抖動，走路時會突然出現(xiàn)小步抖動：

圖5(c) 實驗測試(腿部)

檢測結(jié)論：從示波器測試顯示的圖像能看出，沒有振動時，開啟治療儀，治療儀沒有捕捉到振動脈沖信號，不工作；當抖動發(fā)生，且持續(xù)2秒鐘以上，治療儀抖動開始工作，并驅(qū)動電機工作以抑制帕金森病人的抖動。

小范圍臨床結(jié)論：從三名病患者不同部位的抖動，獲取的實際效果，A病人持物能力有所增加；B病人的僵直形狀改變不明顯；C病人腿部抖動減緩。與實驗室模擬帕金森病人抖動產(chǎn)生效果基本相同。雖然采集數(shù)據(jù)較少，但病患的癥狀很具有代表性，因此，對治療儀的效果提供一定的佐證。

結(jié)論：該治療儀的主要貢獻在于用非介入方法，解決手術(shù)和藥物治療給帕金森病人損傷較大的問題。為帕金森病患提供可穿戴的治療設(shè)備提供了可行性，該治療儀在家庭康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，應(yīng)該有良好的市場前景。