抑制帕金森病患者手部抖動便攜式治療儀的設計

李姝楊

(北京市第五十五中學)

1 研究背景

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一種常見的神經系統(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多巴胺（dopamine, DA）能神經元的變性死亡，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2015年4月出版的《北京青年報》提供的國際統(tǒng)計數據，目前中國帕金森病患者人數已達到約200多萬人，約占全球50%。另外，帕金森發(fā)病正呈現年輕化趨勢，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)計數據平均年齡60歲，2010年統(tǒng)計數據平均年齡58歲，2015年統(tǒng)計數據平均年齡56歲。由此可見，現在的老年病持續(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困難。而且，有的患者還可出現植物神經功能紊亂，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

根據現有醫(yī)學科學相關資料，約70%的帕金森患者以震顫為首發(fā)癥狀，多始于一側上肢遠端，靜止時出現或明顯，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。

調研表明，PD患者的預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。 雖然手術治療是藥物治療的一種有效補充，但康復治療、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

根據現有醫(yī)學科學相關資料，約70%的帕金森患者以震顫為首發(fā)癥狀，多始于一側上肢遠端，靜止時出現或明顯，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：往往是最先出現一側上肢的遠端，隨著病情發(fā)展，可以發(fā)展到同側下肢或同時伴頭頸部、下頜、舌肌震顫，最后累及對側肢體。手部以掌指關節(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濟負擔。患者從開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。

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至病人的中樞系統(tǒng)以影響其中腦的DA（多巴胺Dopamine）能神經元興奮性以達到提高病人自主控制能力的設計思想，本文介紹了一種抑制帕金森病患的簡易的機械力傳導設備的研究和實現過程，該設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，經單片機判斷、處理后，驅動振動電機對病人的抖動部位施加一個抓握力，實現病人無意識抖動狀態(tài)的緩解，設備制作成本較低，從而在一定程度上改善病人的生活質量，緩解病患家屬的經濟壓力。

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，結合震顫特點，設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、電池等相關元部件焊接并測試。

3 研究方法

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

4 研究過程

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

5 系統(tǒng)研制

5.1 方案設計

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。可攜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的開啟或關閉。

5.2 硬件實現

（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為對應的單片機控制電路實物圖,尺寸為：長×寬=55mm×22.5mm。

5.3 軟件設計

圖3給出了本設備的軟件設計流程圖。結合該流程圖可知，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產生振動，通過電路中的上拉電阻把機械振動轉變?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量。當病人不抖動時，通過單片機控制電路關閉振動電機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可調直流電源，電源在3V、5V分別測試。

實驗結果分析：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，走路時會突然出現小步抖動：

圖5(c) 實驗測試(腿部)

檢測結論：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，并驅動電機工作以抑制帕金森病人的抖動。

小范圍臨床結論：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生效果基本相同。雖然采集數據較少，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。

結論：該治療儀的主要貢獻在于用非介入方法，解決手術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備提供了可行性，該治療儀在家庭康復醫(yī)療領域的推廣應用，應該有良好的市場前景。