單佳桐

研究背景

中國(guó)約有200萬(wàn)帕金森病（PD）患者，且每年新增10萬(wàn)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(lái)沉重負(fù)擔(dān)。

我在生活中對(duì)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(jué)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(bào)道，當(dāng)?shù)匕迳腺N上一系列平行間隔的條帶，通過(guò)視覺(jué)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(jué)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(yùn)動(dòng)功能的提高。

然而，目前尚未見(jiàn)把視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、體感刺激提示整合在一起改善帕金森病患者邁步的報(bào)道。因此，研發(fā)一個(gè)方便操作、可穿戴的“視聽(tīng)體感”多感覺(jué)整合的提示系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)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(tīng)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(guò)把激光器（視覺(jué)提示）、錄放模塊（聽(tīng)覺(jué)提示）、振動(dòng)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(jué)提示系統(tǒng);檢測(cè)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(shí)間及10米步行時(shí)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(jué)提示下腦區(qū)活動(dòng)變化。

可穿戴式“視一聽(tīng)一體感”多感覺(jué)提示系統(tǒng)的研發(fā)

功能模塊的選購(gòu)

本產(chǎn)品的功能如下：發(fā)射2條“一字型”激光，2個(gè)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(dòng)產(chǎn)生體感刺激。因此，本產(chǎn)品選購(gòu)了以下零部件。

激光器：選購(gòu)2個(gè)工程上常用于定標(biāo)、測(cè)量的“一字型”激光器，可發(fā)射橫線激光，并選購(gòu)激光器的驅(qū)動(dòng)電路板。

ISD1820錄放模塊：選擇具有實(shí)時(shí)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(yáng)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(shí)際需求，選購(gòu)PAM8403功放模塊對(duì)輸出功率進(jìn)行放大，并選購(gòu)4Ω3W喇叭。

振動(dòng)馬達(dá)：為增加體感刺激以達(dá)到多感覺(jué)整合提示，本設(shè)計(jì)在視聽(tīng)提示基礎(chǔ)上加入振動(dòng)模塊，使用時(shí)振動(dòng)模塊隨節(jié)律性樂(lè)音同步振動(dòng)，選購(gòu)HW738振動(dòng)馬達(dá)。

控制模塊：選用體積小、編程簡(jiǎn)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(xiě)

◇將上述零件進(jìn)行連接，連接后各個(gè)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(jì)的程序編寫(xiě)使用Arduin0 1.8.7，在本程序中，開(kāi)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(jì)、加工與裝配

機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工

各元器件尺寸的測(cè)量：將選購(gòu)的各個(gè)部件進(jìn)行尺寸測(cè)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(duì)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(jì)將喇叭放在裝配體上方以得到最好的聲音效果，將振動(dòng)器附在外殼內(nèi)部以獲得良好的振動(dòng)效果，將開(kāi)關(guān)放在外殼上方以方便患者操作。

在初步設(shè)計(jì)完成后，將其轉(zhuǎn)換成工程視圖，可初步估計(jì)整個(gè)設(shè)備的內(nèi)部尺寸。因?yàn)樵O(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(jì)。

對(duì)外殼進(jìn)行三維建模，首先對(duì)外殼的外觀進(jìn)行建模，內(nèi)部的設(shè)計(jì)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(duì)各部件進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，包括抽殼、導(dǎo)圓角、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)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(yàn)證視覺(jué)感受和配色效果。最終完成功能開(kāi)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(jì)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(gè)電路板作絕緣處理。絕緣處理完成后，將各個(gè)元件放入外殼內(nèi)進(jìn)行裝配。

可穿戴式“視一聽(tīng)一體感”多感覺(jué)提示系統(tǒng)整合應(yīng)用

將“視聽(tīng)體感”多感覺(jué)提示系統(tǒng)穿戴后，通過(guò)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(lè)音種類、音量大小的節(jié)律性樂(lè)音，并將其燒錄到系統(tǒng)的錄放模塊內(nèi)。振動(dòng)馬達(dá)的振動(dòng)隨節(jié)律性樂(lè)音而同步啟動(dòng)。因此，視覺(jué)激光、聽(tīng)覺(jué)節(jié)律性樂(lè)音、節(jié)律性振動(dòng)體感整合一起組成“視聽(tīng)體感”多感覺(jué)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(lè)音、同步振動(dòng)3種感覺(jué)提示下能夠從容安全地邁步。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與佩戴前相比，佩戴多感覺(jué)提示系統(tǒng)給予視覺(jué)、視聽(tīng)和“視聽(tīng) 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(shí)間改善率分別為45. 11%±11. 97%、51.63%±10. 14%、51. 78%±9.81%;10米步行時(shí)間的改善率為33. 64%±12 .26%、47.23%±10.55%、47. 66%±10.61%，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0. 001）。以上3種指標(biāo)在視聽(tīng)聯(lián)合提示條件下優(yōu)于單純視覺(jué)提示。僅10米步行時(shí)間在“視聽(tīng)體感”聯(lián)合提示條件下優(yōu)于視聽(tīng)聯(lián)合提示。ERP顯示，給予視覺(jué)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(jué)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(gè)“一字型”激光器、錄放模塊、振動(dòng)模塊、控制模塊及3D打印外殼等組成的可穿戴式“視聽(tīng)體感”多感覺(jué)提示系統(tǒng)，可以在帕金森病患者步行時(shí)提供簡(jiǎn)便、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的“視聽(tīng)體感”提示信息。

使用多感覺(jué)提示系統(tǒng)后，視覺(jué)、視聽(tīng)、 “視聽(tīng)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(jué)的提示整合優(yōu)于單感覺(jué)提示?；颊哒J(rèn)可和高度評(píng)價(jià)該提示系統(tǒng)，期待轉(zhuǎn)化為康復(fù)產(chǎn)品。

視覺(jué)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(yùn)動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行（額葉）的腦網(wǎng)絡(luò)，從而有利于啟動(dòng)和執(zhí)行邁步有關(guān)。

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

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目集合了3種方式共同對(duì)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(shí)測(cè)有效，能顯著改善患者的病態(tài)步伐，有較強(qiáng)的應(yīng)用性。同時(shí)該項(xiàng)目探索了可能的分子機(jī)制。建議對(duì)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。