孤獨癥智能治療頭盔的設計

王果 李立國 董獻文 趙永紅 李恩耀

【摘要】目的：研制具有無創、集成、移動便攜、可家用特征的孤獨癥智能治療頭盔。方法：開發了能夠集成模擬電針刺激模塊、藥物離子導入模塊、生物反饋模塊和網絡信息模塊功能。結果：頭盔安全性高，療效佳，可實現家庭化、便攜化。結論：現代科技與先進通訊技術將傳統針刺技術廣泛傳播，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。

【關鍵詞】孤獨癥；治療頭盔；穴位注射；藥物導入

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

孤獨癥譜系障礙（autism spectrum disorder， ASD）是一類兒童神經發育障礙引起的疾病， 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]。正在并將持續給家庭和社會帶來巨大的負擔。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訓練如應用行為分析訓練、結構化教學或注射修復神經藥物等方法對患兒的行為及語言等問題進行干預，改善患兒癥狀，但效果欠佳。研究表明，運用傳統醫學和現代醫學相結合的方式進行綜合干預能夠取得較好療效，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合現代康復醫學理論技術，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提供干預信號，激發人體自身調節系統，轉變機體狀態方向。針刺可能通過軀體自主反射，對穩態產生影響。這種涉及自主神經系統的交感神經和副交感神經分支的體內平衡經常被認為是陰陽平衡概念的科學基礎[4]。現代的影像學技術（PET/CT/MRI）已經證實經絡系統實際上是一個非常復雜的信號傳導系統， 雖然大腦的各個功能區域之間存在的關聯目前尚不明確， 但針刺頭部不同穴位以經證實可以調節大腦不同區域的功能[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，引起相關聯腦區的部分功能核團的活化，該區域的血流量增大，進而釋放出相關調節進行靶器官的調節，實現大腦的活化[6]。Ping Wu等人在進行對腦卒中中風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構重組，提高運動和認知功能的恢復[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發育受阻的神經纖維進行二次發育，從而增加大腦皮質神經突觸的質與量；還會加快沖動在神經纖維中的傳導速度，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，促使內源性干細胞遷移和神經系統適應性變化，啟用潛伏通路，得以在腦部對應部位建立新功能區或進行系統間重組，調節局部功能。

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、蛋白質三大營養物質在體內的代謝速度，加快三羧酸循環產生能量的速度； 維生素B12作為常規的神經營養類藥物， 對部分受損神經髓鞘有一定的修復作用，維生素B12還參與有髓鞘神經代謝，并在其中起重要作用。

擬采用現代網絡信息技術、模擬電刺激、藥物離子導入、生物反饋和健康監測技術研制具有無創、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 總體設計

頭盔整體包括電路控制板塊、電刺激板塊、藥物離子導入板塊、生物反饋和健康監測板塊、人機交互裝置。將頭盔電源按鈕打開，指示燈亮綠燈，說明設備正常。同時藍牙處于開啟狀態，打開手機App。可以在手機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入程序。當設備電池電量不足時，指示燈亮黃燈，設備將要停止工作，提醒用戶及時更換電池或充電；監測模塊一旦發現溫度、濕度異常以及與頭皮接觸不良時，就會反饋到系統，此時頭盔指示燈亮紅燈成報警狀態，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，所有數據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測數據，醫生也可以共享數據，并對患兒的治療方案做出及時的調整。設備的整個功能框圖如圖1所示。

3 硬件設計

3.1電路設置 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，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刺激導入模塊 通過導線與電路板連接，電極導線用材防銹蝕、導電性強。表面電極主體為海綿材質，海綿電極的大小、形狀在不同腦區有所差別的矩形， 厚度均約為2㎜。電極片內側面固定于絕緣，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構，可通過粘面與電極片結合。表面電極內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境的濕度。溫度傳感器用于獲取工作區域電極表面的溫度，當溫度高于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入。濕度傳感器獲取作用區域內電極的表面濕度，當濕度>85%時，斷開電源，濕度過高不利于藥物的導入。

3.3監測模塊 腦電圖電極可由充滿電解質溶液的彈性部件形成，由國際10-20系統定義的電極排布，F3、F4、C3、C4、O1和O2。眼電圖電極也是由充滿電解質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溶液的彈性部件形成，置于前額。監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據采集。

4 軟件設計

移動終端APP的設計采用板塊化、子程序疊加的模式， 首先設計好治療的方案， 方案中包含：模擬電刺激的波幅、波形、強度、頻率、時間等， 當系統工作時， 操作者選擇患者相對應的治療方案，確認電量充足，各穴位接觸良好后，操作者依據提示按下啟動鍵。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，每次治療產生的數據都會自動存儲。在單次治療結束后，設備會自動停止并斷電，操作者只需將設備從患兒頭上取下即可。

5 結論

我國孤獨癥患者數量逐年攀升[9]，孤獨癥患兒需長期進行康復訓練，這一過程給家庭和社會帶來巨大的負擔。目前，孤獨癥的治療缺少有效治療，但經科學和臨床研究證實，針刺聯合穴位藥物注射療效較佳，反應良好。孤獨癥智能治療頭盔使傳統的穴位注射技術家庭化、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、食宿等相關費用，切實減輕患兒及其家庭的經濟負擔；孤獨癥智能治療頭盔可廣泛普及全國各個地區，減少各醫院開展水針位點注射技術培訓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、友好的環境發展模式。孤獨癥智能治療頭盔的研發與應用，利用現代科技與先進通訊技術進一步推動中國傳統醫學的現代化研究和發展。

參考文獻

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基金項目：河南省科技廳2019年科技發展計劃（編號：192102310366）；河南省衛計委醫學教育研究課題（編號：wjlx2015096）；鄭州市協同創新重大專項（編號：18XTZX12003）.