孤獨癥智能治療頭盔的設(shè)計

王果 李立國 董獻文 趙永紅 李恩耀

【摘要】目的：研制具有無創(chuàng)、集成、移動便攜、可家用特征的孤獨癥智能治療頭盔。方法：開發(fā)了能夠集成模擬電針刺激模塊、藥物離子導(dǎo)入模塊、生物反饋模塊和網(wǎng)絡(luò)信息模塊功能。結(jié)果：頭盔安全性高，療效佳，可實現(xiàn)家庭化、便攜化。結(jié)論：現(xiàn)代科技與先進通訊技術(shù)將傳統(tǒng)針刺技術(shù)廣泛傳播，為廣大孤獨癥患兒提供有效、便捷的治療與幫助，使更多患兒及家庭獲益。

【關(guān)鍵詞】孤獨癥；治療頭盔；穴位注射；藥物導(dǎo)入

[中圖分類號]R749.94； R493 [文獻標(biāo)識碼]A [文章編號]2096-5249（2021）05-0227-02

孤獨癥譜系障礙（autism spectrum disorder， ASD）是一類兒童神經(jīng)發(fā)育障礙引起的疾病， 主要特征為社交障礙、刻板行為、言語障礙、興趣狹窄[1]。目前孤獨癥的發(fā)病機制仍不清楚， 但是患病率卻逐年攀升， 最新研究顯示美國8 歲兒童的孤獨癥患病率已經(jīng)達到1/59[2]。因為病因不明，很大一部分孤獨癥患者無法得到有效的治療，依然有50%～70%的患者長期依賴家人的照顧，無法獨立生活[3]。正在并將持續(xù)給家庭和社會帶來巨大的負擔(dān)。同時孤獨癥的病因病機目前尚不清楚，治療也缺乏有效手段。臨床目前主要通過綜合康復(fù)訓(xùn)練如應(yīng)用行為分析訓(xùn)練、結(jié)構(gòu)化教學(xué)或注射修復(fù)神經(jīng)藥物等方法對患兒的行為及語言等問題進行干預(yù)，改善患兒癥狀，但效果欠佳。研究表明，運用傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合的方式進行綜合干預(yù)能夠取得較好療效，并越來越受到研究者重視。針刺和穴位注射療法在孤獨癥治療中取得較好療效，水針位點注射療法綜合運用針刺和穴位注射療法并結(jié)合現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)理論技術(shù)，在孤獨癥治療中取得了良好療效。

1 主要原理

1.1針刺原理 針灸刺激通過人體自動控制系統(tǒng)提供干預(yù)信號，激發(fā)人體自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變機體狀態(tài)方向。針刺可能通過軀體自主反射，對穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生影響。這種涉及自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)分支的體內(nèi)平衡經(jīng)常被認為是陰陽平衡概念的科學(xué)基礎(chǔ)[4]?，F(xiàn)代的影像學(xué)技術(shù)（PET/CT/MRI）已經(jīng)證實經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)實際上是一個非常復(fù)雜的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)， 雖然大腦的各個功能區(qū)域之間存在的關(guān)聯(lián)目前尚不明確， 但針刺頭部不同穴位以經(jīng)證實可以調(diào)節(jié)大腦不同區(qū)域的功能[5]。腦功能磁共振成像（fMRI）顯示：針刺的作用機制很大可能是由于針刺對穴位的物理刺激，引起相關(guān)聯(lián)腦區(qū)的部分功能核團的活化，該區(qū)域的血流量增大，進而釋放出相關(guān)調(diào)節(jié)進行靶器官的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)大腦的活化[6]。Ping Wu等人在進行對腦卒中中風(fēng)后遺癥患者使用針灸治療的試驗中，也證明了針灸可以顯著地使腦結(jié)構(gòu)重組，提高運動和認知功能的恢復(fù)[7]。張全明團隊通過患者治療前后P3電位的變化情況證實針刺不僅可以加速曾經(jīng)發(fā)育受阻的神經(jīng)纖維進行二次發(fā)育，從而增加大腦皮質(zhì)神經(jīng)突觸的質(zhì)與量；還會加快沖動在神經(jīng)纖維中的傳導(dǎo)速度，即：加快對外界信息的加工。于是從根本上提高孤獨癥患兒的專注力[8]。

1.2位點及穴位原理 通過對不同穴位或位點的刺激，改變軸突離子通道，更新或改變突觸連接，促使內(nèi)源性干細胞遷移和神經(jīng)系統(tǒng)適應(yīng)性變化，啟用潛伏通路，得以在腦部對應(yīng)部位建立新功能區(qū)或進行系統(tǒng)間重組，調(diào)節(jié)局部功能。

1.3藥效原理 采用局部給藥的方式，使藥物直達病變部位。研究顯示，維生素B1對人體的作用非常強大，它可以加速脂肪、糖、蛋白質(zhì)三大營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)的代謝速度，加快三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量的速度； 維生素B12作為常規(guī)的神經(jīng)營養(yǎng)類藥物， 對部分受損神經(jīng)髓鞘有一定的修復(fù)作用，維生素B12還參與有髓鞘神經(jīng)代謝，并在其中起重要作用。

擬采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、模擬電刺激、藥物離子導(dǎo)入、生物反饋和健康監(jiān)測技術(shù)研制具有無創(chuàng)、集成、移動便攜、可家用特征的孤獨癥智能治療頭盔，以便能夠進一步推廣和發(fā)展水針位點注射療法，更好地滿足孤獨癥患者家庭化、遠程化治療需求。

2 總體設(shè)計

頭盔整體包括電路控制板塊、電刺激板塊、藥物離子導(dǎo)入板塊、生物反饋和健康監(jiān)測板塊、人機交互裝置。將頭盔電源按鈕打開，指示燈亮綠燈，說明設(shè)備正常。同時藍牙處于開啟狀態(tài)，打開手機App?？梢栽谑謾C上選擇個性化治療方案，選擇完成后，確認所選穴位與頭皮接觸良好，點擊運行，頭盔就會進行模擬針刺以及藥物導(dǎo)入程序。當(dāng)設(shè)備電池電量不足時，指示燈亮黃燈，設(shè)備將要停止工作，提醒用戶及時更換電池或充電；監(jiān)測模塊一旦發(fā)現(xiàn)溫度、濕度異常以及與頭皮接觸不良時，就會反饋到系統(tǒng)，此時頭盔指示燈亮紅燈成報警狀態(tài)，同時自動斷電，停止工作。在整個治療的過程中，生物反饋板塊會采集患者的腦電、眼電、血氧的指標(biāo)，所有數(shù)據(jù)都會在移動終端顯示，用戶可以通過APP， 查看患者的治療方案與治療記錄及各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，醫(yī)生也可以共享數(shù)據(jù)，并對患兒的治療方案做出及時的調(diào)整。設(shè)備的整個功能框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

3.1電路設(shè)置 充電口與電池相連，藍牙與單片機相連，電流采集電路與電極和單片機相連，恒流源與單片機及放大器電路相連，存儲模塊與單片機相連，電極溫度與濕度檢測電路與警報裝置、電極、單片機相連，監(jiān)測反饋裝置與單片機相連，腦電、眼電裝置與濾波裝置及放大器電路相連。殼體外安裝控制裝備運行的開關(guān)，包括控制藍牙的部分。有指示燈，指示燈在正常運行、缺電、警報情況分別顯示綠、黃、紅三種顏色。

3.2刺激導(dǎo)入模塊 通過導(dǎo)線與電路板連接，電極導(dǎo)線用材防銹蝕、導(dǎo)電性強。表面電極主體為海綿材質(zhì)，海綿電極的大小、形狀在不同腦區(qū)有所差別的矩形， 厚度均約為2㎜。電極片內(nèi)側(cè)面固定于絕緣，貼近頭部的一面為粘面，可與藥液浸墊粘合，藥液浸墊大小與電極片基本一致的橢圓形，由紗布包裹著海綿的獨立結(jié)構(gòu)，可通過粘面與電極片結(jié)合。表面電極內(nèi)部還有溫度傳感器測量電極表面溫度、濕度傳感器獲取電極工作環(huán)境的濕度。溫度傳感器用于獲取工作區(qū)域電極表面的溫度，當(dāng)溫度高于40°時，則需要斷開電路，一方面保護用戶免于電灼傷，另一方面，溫度過高不利于藥物的導(dǎo)入。濕度傳感器獲取作用區(qū)域內(nèi)電極的表面濕度，當(dāng)濕度>85%時，斷開電源，濕度過高不利于藥物的導(dǎo)入。

3.3監(jiān)測模塊 腦電圖電極可由充滿電解質(zhì)溶液的彈性部件形成，由國際10-20系統(tǒng)定義的電極排布，F(xiàn)3、F4、C3、C4、O1和O2。眼電圖電極也是由充滿電解質(zhì)溶液的彈性部件形成，位于太陽穴處。腦、眼電圖的參考由充滿電解質(zhì)溶液的彈性部件形成，置于前額。監(jiān)測大腦皮層血氧飽和度的傳感器也是置于前額，由釋放660 nm波長以及釋放905 nm、910 nm或者940 nm波長的兩個二極管組成的監(jiān)測探頭。從血氧對不同波長光波吸收率得差異來進行血氧情況的數(shù)據(jù)采集。

4 軟件設(shè)計

移動終端APP的設(shè)計采用板塊化、子程序疊加的模式， 首先設(shè)計好治療的方案， 方案中包含：模擬電刺激的波幅、波形、強度、頻率、時間等， 當(dāng)系統(tǒng)工作時， 操作者選擇患者相對應(yīng)的治療方案，確認電量充足，各穴位接觸良好后，操作者依據(jù)提示按下啟動鍵。治療開始時，主頁面上會同時顯示溫度、濕度、腦電、眼電、血氧情況，每次治療產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都會自動存儲。在單次治療結(jié)束后，設(shè)備會自動停止并斷電，操作者只需將設(shè)備從患兒頭上取下即可。

5 結(jié)論

我國孤獨癥患者數(shù)量逐年攀升[9]，孤獨癥患兒需長期進行康復(fù)訓(xùn)練，這一過程給家庭和社會帶來巨大的負擔(dān)。目前，孤獨癥的治療缺少有效治療，但經(jīng)科學(xué)和臨床研究證實，針刺聯(lián)合穴位藥物注射療效較佳，反應(yīng)良好。孤獨癥智能治療頭盔使傳統(tǒng)的穴位注射技術(shù)家庭化、便攜化，穴位注射療法的人工治療費用，降低患兒家庭來院治療所需支出的交通、食宿等相關(guān)費用，切實減輕患兒及其家庭的經(jīng)濟負擔(dān)；孤獨癥智能治療頭盔可廣泛普及全國各個地區(qū)，減少各醫(yī)院開展水針位點注射技術(shù)培訓(xùn)與傳播所需支付的人力物力，減少專項財政支出，符合便捷、綠色、友好的環(huán)境發(fā)展模式。孤獨癥智能治療頭盔的研發(fā)與應(yīng)用，利用現(xiàn)代科技與先進通訊技術(shù)進一步推動中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的現(xiàn)代化研究和發(fā)展。

參考文獻

[1] 魏亞敏， 姜志梅， 郭嵐敏， 等. 環(huán)境因素與孤獨癥譜系障礙關(guān)系的研究進展[J]. 中國兒童保健雜志， 2018， 26（4）： 392-395.

[2] 張春艷， 朱路文， 王艷， 等. 推拿聯(lián)合康復(fù)訓(xùn)練治療孤獨癥脾失健運型厭食的臨床研究[J]. 針灸臨床雜志， 2019， 35（4）： 17-20.

[3] 呂瑩， 張晶宇， 張書凱， 等. 孤獨癥與正常兒童父母泛自閉癥表型特征分析[J]. 中國學(xué)校衛(wèi)生， 2015， 36（10）： 1524-1527.

[4] S Andersson， Lundeberg T. Acupuncture： from empiricism to science： functional background to acupuncture effects in pain and disease[J]. Med Hypotheses， 1995， 45（3）： 271-281.

[5] 駱杰偉， 陳慧， 王雪梅， 等. 應(yīng)用PET/CT和fMRI成像研究針刺機制的進展[J]. 現(xiàn)代中西醫(yī)結(jié)合雜志， 2007， 16（7）： 997-999.

[6] 劉力， 李曉陵， 王豐， 等. 基于fMRI技術(shù)對針刺作用機制的研究展望[J]. 中醫(yī)藥信息， 2014， 31（1）： 80-83.

[7] P Wu， Zhou Y-M， Liao C-X， et al. Structural Changes Induced by Acupuncture in the Recovering Brain after Ischemic Stroke[J]. Evid Based Complement Alternat Med， 2018， 20185179689.

[8] 張全明， 余瑞英， 龐堅， 等. 針刺引起孤獨癥語言障礙兒童事件相關(guān)電位P3潛伏期和波幅的變化[J]. 中國臨床康復(fù)， 2005， 9（20）： 10-11.

[9] G-S Fisch. Nosology and epidemiology in autism： classification counts[J]. Am J Med Genet C Semin Med Genet， 2012， 160C（2）： 91-103.

基金項目：河南省科技廳2019年科技發(fā)展計劃（編號：192102310366）；河南省衛(wèi)計委醫(yī)學(xué)教育研究課題（編號：wjlx2015096）；鄭州市協(xié)同創(chuàng)新重大專項（編號：18XTZX12003）.