3D打印多感覺提示系統(tǒng)改善帕金森病患者步行能力的作用及多模態(tài)腦機(jī)制

單佳桐

研究背景

中國約有200萬帕金森?。≒D）患者，且每年新增10萬人以上，其中一半以上有“凍結(jié)步態(tài)”和行走困難，嚴(yán)重影響患者日常生活，也給患者家庭帶來沉重負(fù)擔(dān)。

我在生活中對患帕金森病親人的行走狀態(tài)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)患者在前面有人用腳給予視覺提示的情況下（踩前面人的腳）， “凍結(jié)”的腳步容易邁出，行走的速度和穩(wěn)定性也有改善。后看到類似報道，當(dāng)?shù)匕迳腺N上一系列平行間隔的條帶，通過視覺提示引導(dǎo)患者邁步（踩條帶）可以提高患者步行能力。另有研究表明，用有節(jié)律性的聲音或者聲音與視覺提示（踩地上條帶）一起訓(xùn)練患者，均可以改善帕金森病患者的步行能力。體感刺激也可能促進(jìn)帕金森病患者平衡和運動功能的提高。

然而，目前尚未見把視覺、聽覺、體感刺激提示整合在一起改善帕金森病患者邁步的報道。因此，研發(fā)一個方便操作、可穿戴的“視聽體感”多感覺整合的提示系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地幫助帕金森病邁步困難患者在家庭和社區(qū)自由地行走，意義重大。此外，腦電和腦功能成像技術(shù)已廣泛用于揭示腦病患者功能障礙的腦機(jī)制。因此，利用腦電和腦功能成像揭示視聽提示線索促進(jìn)帕金森病患者步行能力改善的腦機(jī)制，有利于發(fā)現(xiàn)帕金森病患者凍結(jié)步態(tài)及邁步困難的深層機(jī)制，為進(jìn)一步創(chuàng)新基于機(jī)制的效果更佳的康復(fù)干預(yù)手段奠定基礎(chǔ)。

研究方法

通過把激光器（視覺提示）、錄放模塊（聽覺提示）、振動馬達(dá)（體感提示）和控制模塊組裝到3D打印機(jī)殼內(nèi)形成多感覺提示系統(tǒng);檢測15例PD邁步困難者穿戴該系統(tǒng)前后步幅、3米“起立行走”時間及10米步行時間的變化;借助腦電事件相關(guān)電位（ERP）和功能性磁共振成像（fMRI）反映視覺提示下腦區(qū)活動變化。

可穿戴式“視一聽一體感”多感覺提示系統(tǒng)的研發(fā)

功能模塊的選購

本產(chǎn)品的功能如下：發(fā)射2條“一字型”激光，2個激光器間的角度可調(diào)節(jié)，可以錄制并播放聲音，可以振動產(chǎn)生體感刺激。因此，本產(chǎn)品選購了以下零部件。

激光器：選購2個工程上常用于定標(biāo)、測量的“一字型”激光器，可發(fā)射橫線激光，并選購激光器的驅(qū)動電路板。

ISD1820錄放模塊：選擇具有實時錄放功能的ISD1820錄放模塊，該模塊還具有循環(huán)播放功能，并可外接功放模塊。

PAM8403功放模塊及揚聲器：經(jīng)初步調(diào)試，ISD1820錄放模塊輸出功率太小導(dǎo)致?lián)P聲器聲音太小，考慮到實際需求，選購PAM8403功放模塊對輸出功率進(jìn)行放大，并選購4Ω3W喇叭。

振動馬達(dá)：為增加體感刺激以達(dá)到多感覺整合提示，本設(shè)計在視聽提示基礎(chǔ)上加入振動模塊，使用時振動模塊隨節(jié)律性樂音同步振動，選購HW738振動馬達(dá)。

控制模塊：選用體積小、編程簡單的Arduino UNO單片機(jī)進(jìn)行控制。

供電裝置：選用6F22的電池盒，dc頭輸出。

電路的搭建與程序編寫

◇將上述零件進(jìn)行連接，連接后各個模塊由ArdLuno UNO單片機(jī)供電，ArdLuno UNO單片機(jī)由6F22的電池盒供電。

本設(shè)計的程序編寫使用Arduin0 1.8.7，在本程序中，開發(fā)板供電后，將引腳7置為高電平，將引腳4置為Is高電平、Is低電平循環(huán)，3.3V和5V的引腳持續(xù)輸出。

機(jī)構(gòu)的設(shè)計、加工與裝配

機(jī)構(gòu)的設(shè)計與加工

各元器件尺寸的測量：將選購的各個部件進(jìn)行尺寸測量，使用Pro/E軟件進(jìn)行逆向建模，得到所有元器件的三維模型。

對元器件進(jìn)行布局：使用Pro/E的裝配功能把所有元器件進(jìn)行初步裝配，需考慮的元素有節(jié)省空間、避免干涉、方便走線、滿足功能、考慮使用性等方面。本設(shè)計將喇叭放在裝配體上方以得到最好的聲音效果，將振動器附在外殼內(nèi)部以獲得良好的振動效果，將開關(guān)放在外殼上方以方便患者操作。

在初步設(shè)計完成后，將其轉(zhuǎn)換成工程視圖，可初步估計整個設(shè)備的內(nèi)部尺寸。因為設(shè)備固定在腰部，可以適當(dāng)增加外殼的寬度以降低設(shè)備的厚度。然后進(jìn)行外觀設(shè)計。

對外殼進(jìn)行三維建模，首先對外殼的外觀進(jìn)行建模，內(nèi)部的設(shè)計參考壁厚、螺絲安裝、皮帶安裝、穿戴舒適度、激光旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，對各部件進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計，包括抽殼、導(dǎo)圓角、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配設(shè)計等;使用keyshot渲染軟件快速給以材質(zhì)和光照進(jìn)行效果圖制作，以驗證視覺感受和配色效果。最終完成功能開發(fā)并進(jìn)行3D打印。

元件的裝配

為了減小內(nèi)部的體積，本設(shè)計內(nèi)部元件的連接采用杜邦線連接，并將引腳焊接，最后用絕緣膠布將各個電路板作絕緣處理。絕緣處理完成后，將各個元件放入外殼內(nèi)進(jìn)行裝配。

可穿戴式“視一聽一體感”多感覺提示系統(tǒng)整合應(yīng)用

將“視聽體感”多感覺提示系統(tǒng)穿戴后，通過角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)“一字型”激光器的投射角度，找到適合患者邁步的2條激光線的間距。并選擇適合患者邁步速度的最佳頻率、樂音種類、音量大小的節(jié)律性樂音，并將其燒錄到系統(tǒng)的錄放模塊內(nèi)。振動馬達(dá)的振動隨節(jié)律性樂音而同步啟動。因此，視覺激光、聽覺節(jié)律性樂音、節(jié)律性振動體感整合一起組成“視聽體感”多感覺提示系統(tǒng)，促使帕金森病患者在合適間距的2條激光線、節(jié)律性樂音、同步振動3種感覺提示下能夠從容安全地邁步。

實驗結(jié)果

與佩戴前相比，佩戴多感覺提示系統(tǒng)給予視覺、視聽和“視聽 體感”提示后步幅改善率分別為56. 48%±25. 78%、66. 46%±23. 34%、67.88%±23 .67%;3米“起立行走”時間改善率分別為45. 11%±11. 97%、51.63%±10. 14%、51. 78%±9.81%;10米步行時間的改善率為33. 64%±12 .26%、47.23%±10.55%、47. 66%±10.61%，均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0. 001）。以上3種指標(biāo)在視聽聯(lián)合提示條件下優(yōu)于單純視覺提示。僅10米步行時間在“視聽體感”聯(lián)合提示條件下優(yōu)于視聽聯(lián)合提示。ERP顯示，給予視覺提示后引起大腦枕、頂、額葉為主的beta頻段功率顯著增高，信息流從枕葉流向頂葉、額葉;fMRI顯示視覺提示引起大腦枕葉、頂葉和額葉激活增加。

研究結(jié)論

利用2個“一字型”激光器、錄放模塊、振動模塊、控制模塊及3D打印外殼等組成的可穿戴式“視聽體感”多感覺提示系統(tǒng)，可以在帕金森病患者步行時提供簡便、穩(wěn)定、實時的“視聽體感”提示信息。

使用多感覺提示系統(tǒng)后，視覺、視聽、 “視聽體感”提示均可以顯著改善帕金森病患者的步行能力，表現(xiàn)為步幅明顯增加，步速明顯加快。多感覺的提示整合優(yōu)于單感覺提示?；颊哒J(rèn)可和高度評價該提示系統(tǒng)，期待轉(zhuǎn)化為康復(fù)產(chǎn)品。

視覺提示線索可以顯著改善帕金森病患者步行能力，可能與其促進(jìn)了空間注意（頂葉）和運動計劃和執(zhí)行（額葉）的腦網(wǎng)絡(luò)，從而有利于啟動和執(zhí)行邁步有關(guān)。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學(xué)組生物醫(yī)學(xué)一等獎。

專家評語

該項目集合了3種方式共同對患者進(jìn)行干預(yù)，制作了帕金森病患者能佩戴的儀器，該儀器實測有效，能顯著改善患者的病態(tài)步伐，有較強的應(yīng)用性。同時該項目探索了可能的分子機(jī)制。建議對分子機(jī)制進(jìn)行更深入的研究，并可大規(guī)模用于患者觀察療效。