3D打印多感覺提示系統改善帕金森病患者步行能力的作用及多模態腦機制

單佳桐

研究背景

中國約有200萬帕金森病（PD）患者，且每年新增10萬人以上，其中一半以上有“凍結步態”和行走困難，嚴重影響患者日常生活，也給患者家庭帶來沉重負擔。

我在生活中對患帕金森病親人的行走狀態進行觀察，發現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”的腳步容易邁出，行走的速度和穩定性也有改善。后看到類似報道，當地板上貼上一系列平行間隔的條帶，通過視覺提示引導患者邁步（踩條帶）可以提高患者步行能力。另有研究表明，用有節律性的聲音或者聲音與視覺提示（踩地上條帶）一起訓練患者，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，研發一個方便操作、可穿戴的“視聽體感”多感覺整合的提示系統，能夠實時地幫助帕金森病邁步困難患者在家庭和社區自由地行走，意義重大。此外，腦電和腦功能成像技術已廣泛用于揭示腦病患者功能障礙的腦機制。因此，利用腦電和腦功能成像揭示視聽提示線索促進帕金森病患者步行能力改善的腦機制，有利于發現帕金森病患者凍結步態及邁步困難的深層機制，為進一步創新基于機制的效果更佳的康復干預手段奠定基礎。

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（體感提示）和控制模塊組裝到3D打印機殼內形成多感覺提示系統;檢測15例PD邁步困難者穿戴該系統前后步幅、3米“起立行走”時間及10米步行時間的變化;借助腦電事件相關電位（ERP）和功能性磁共振成像（fMRI）反映視覺提示下腦區活動變化。

可穿戴式“視一聽一體感”多感覺提示系統的研發

功能模塊的選購

本產品的功能如下：發射2條“一字型”激光，2個激光器間的角度可調節，可以錄制并播放聲音，可以振動產生體感刺激。因此，本產品選購了以下零部件。

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

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

PAM8403功放模塊及揚聲器：經初步調試，ISD1820錄放模塊輸出功率太小導致揚聲器聲音太小，考慮到實際需求，選購PAM8403功放模塊對輸出功率進行放大，并選購4Ω3W喇叭。

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

控制模塊：選用體積小、編程簡單的Arduino UNO單片機進行控制。

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

◇將上述零件進行連接，連接后各個模塊由ArdLuno UNO單片機供電，ArdLuno UNO單片機由6F22的電池盒供電。

本設計的程序編寫使用Arduin0 1.8.7，在本程序中，開發板供電后，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，3.3V和5V的引腳持續輸出。

機構的設計、加工與裝配

機構的設計與加工

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

對元器件進行布局：使用Pro/E的裝配功能把所有元器件進行初步裝配，需考慮的元素有節省空間、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部以獲得良好的振動效果，將開關放在外殼上方以方便患者操作。

在初步設計完成后，將其轉換成工程視圖，可初步估計整個設備的內部尺寸。因為設備固定在腰部，可以適當增加外殼的寬度以降低設備的厚度。然后進行外觀設計。

對外殼進行三維建模，首先對外殼的外觀進行建模，內部的設計參考壁厚、螺絲安裝、皮帶安裝、穿戴舒適度、激光旋轉的結構，對各部件進行細節設計，包括抽殼、導圓角、旋轉結構設計、裝配設計等;使用keyshot渲染軟件快速給以材質和光照進行效果圖制作，以驗證視覺感受和配色效果。最終完成功能開發并進行3D打印。

元件的裝配

為了減小內部的體積，本設計內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進行裝配。

可穿戴式“視一聽一體感”多感覺提示系統整合應用

將“視聽體感”多感覺提示系統穿戴后，通過角度調節機構調節“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、音量大小的節律性樂音，并將其燒錄到系統的錄放模塊內。振動馬達的振動隨節律性樂音而同步啟動。因此，視覺激光、聽覺節律性樂音、節律性振動體感整合一起組成“視聽體感”多感覺提示系統，促使帕金森病患者在合適間距的2條激光線、節律性樂音、同步振動3種感覺提示下能夠從容安全地邁步。

實驗結果

與佩戴前相比，佩戴多感覺提示系統給予視覺、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%，均有統計學意義（P<0. 001）。以上3種指標在視聽聯合提示條件下優于單純視覺提示。僅10米步行時間在“視聽體感”聯合提示條件下優于視聽聯合提示。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，可以在帕金森病患者步行時提供簡便、穩定、實時的“視聽體感”提示信息。

使用多感覺提示系統后，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，表現為步幅明顯增加，步速明顯加快。多感覺的提示整合優于單感覺提示。患者認可和高度評價該提示系統，期待轉化為康復產品。

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

該項目獲得第34屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組生物醫學一等獎。

專家評語

該項目集合了3種方式共同對患者進行干預，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步伐，有較強的應用性。同時該項目探索了可能的分子機制。建議對分子機制進行更深入的研究，并可大規模用于患者觀察療效。