3D打印多感觉提示系统改善帕金森病患者步行能力的作用及多模态脑机制

单佳桐

研究背景

中国约有200万帕金森病（PD）患者，且每年新增10万人以上，其中一半以上有“冻结步态”和行走困难，严重影响患者日常生活，也给患者家庭带来沉重负担。

我在生活中对患帕金森病亲人的行走状态进行观察，发现患者在前面有人用脚给予视觉提示的情况下（踩前面人的脚）， “冻结”的脚步容易迈出，行走的速度和稳定性也有改善。后看到类似报道，当地板上贴上一系列平行间隔的条带，通过视觉提示引导患者迈步（踩条带）可以提高患者步行能力。另有研究表明，用有节律性的声音或者声音与视觉提示（踩地上条带）一起训练患者，均可以改善帕金森病患者的步行能力。体感刺激也可能促进帕金森病患者平衡和运动功能的提高。

然而，目前尚未见把视觉、听觉、体感刺激提示整合在一起改善帕金森病患者迈步的报道。因此，研发一个方便操作、可穿戴的“视听体感”多感觉整合的提示系统，能够实时地帮助帕金森病迈步困难患者在家庭和社区自由地行走，意义重大。此外，脑电和脑功能成像技术已广泛用于揭示脑病患者功能障碍的脑机制。因此，利用脑电和脑功能成像揭示视听提示线索促进帕金森病患者步行能力改善的脑机制，有利于发现帕金森病患者冻结步态及迈步困难的深层机制，为进一步创新基于机制的效果更佳的康复干预手段奠定基础。

研究方法

通过把激光器（视觉提示）、录放模块（听觉提示）、振动马达（体感提示）和控制模块组装到3D打印机壳内形成多感觉提示系统;检测15例PD迈步困难者穿戴该系统前后步幅、3米“起立行走”时间及10米步行时间的变化;借助脑电事件相关电位（ERP）和功能性磁共振成像（fMRI）反映视觉提示下脑区活动变化。

可穿戴式“视一听一体感”多感觉提示系统的研发

功能模块的选购

本产品的功能如下：发射2条“一字型”激光，2个激光器间的角度可调节，可以录制并播放声音，可以振动产生体感刺激。因此，本产品选购了以下零部件。

激光器：选购2个工程上常用于定标、测量的“一字型”激光器，可发射横线激光，并选购激光器的驱动电路板。

ISD1820录放模块：选择具有实时录放功能的ISD1820录放模块，该模块还具有循环播放功能，并可外接功放模块。

PAM8403功放模块及扬声器：经初步调试，ISD1820录放模块输出功率太小导致扬声器声音太小，考虑到实际需求，选购PAM8403功放模块对输出功率进行放大，并选购4Ω3W喇叭。

振动马达：为增加体感刺激以达到多感觉整合提示，本设计在视听提示基础上加入振动模块，使用时振动模块随节律性乐音同步振动，选购HW738振动马达。

控制模块：选用体积小、编程简单的Arduino UNO单片机进行控制。

供电装置：选用6F22的电池盒，dc頭输出。

电路的搭建与程序编写

◇将上述零件进行连接，连接后各个模块由ArdLuno UNO单片机供电，ArdLuno UNO单片机由6F22的电池盒供电。

本设计的程序编写使用Arduin0 1.8.7，在本程序中，开发板供电后，将引脚7置为高电平，将引脚4置为Is高电平、Is低电平循环，3.3V和5V的引脚持续输出。

机构的设计、加工与装配

机构的设计与加工

各元器件尺寸的测量：将选购的各个部件进行尺寸测量，使用Pro/E软件进行逆向建模，得到所有元器件的三维模型。

对元器件进行布局：使用Pro/E的装配功能把所有元器件进行初步装配，需考虑的元素有节省空间、避免干涉、方便走线、满足功能、考虑使用性等方面。本设计将喇叭放在装配体上方以得到最好的声音效果，将振动器附在外壳内部以获得良好的振动效果，将开关放在外壳上方以方便患者操作。

在初步设计完成后，将其转换成工程视图，可初步估计整个设备的内部尺寸。因为设备固定在腰部，可以适当增加外壳的宽度以降低设备的厚度。然后进行外观设计。

对外壳进行三维建模，首先对外壳的外观进行建模，内部的设计参考壁厚、螺丝安装、皮带安装、穿戴舒适度、激光旋转的结构，对各部件进行细节设计，包括抽壳、导圆角、旋转结构设计、装配设计等;使用keyshot渲染软件快速给以材质和光照进行效果图制作，以验证视觉感受和配色效果。最终完成功能开发并进行3D打印。

元件的装配

为了减小内部的体积，本设计内部元件的连接采用杜邦线连接，并将引脚焊接，最后用绝缘胶布将各个电路板作绝缘处理。绝缘处理完成后，将各个元件放入外壳内进行装配。

可穿戴式“视一听一体感”多感觉提示系统整合应用

将“视听体感”多感觉提示系统穿戴后，通过角度调节机构调节“一字型”激光器的投射角度，找到适合患者迈步的2条激光线的间距。并选择适合患者迈步速度的最佳频率、乐音种类、音量大小的节律性乐音，并将其烧录到系统的录放模块内。振动马达的振动随节律性乐音而同步启动。因此，视觉激光、听觉节律性乐音、节律性振动体感整合一起组成“视听体感”多感觉提示系统，促使帕金森病患者在合适间距的2条激光线、节律性乐音、同步振动3种感觉提示下能够从容安全地迈步。

实验结果

与佩戴前相比，佩戴多感觉提示系统给予视觉、视听和“视听 体感”提示后步幅改善率分别为56. 48%±25. 78%、66. 46%±23. 34%、67.88%±23 .67%;3米“起立行走”时间改善率分别为45. 11%±11. 97%、51.63%±10. 14%、51. 78%±9.81%;10米步行时间的改善率为33. 64%±12 .26%、47.23%±10.55%、47. 66%±10.61%，均有统计学意义（P<0. 001）。以上3种指标在视听联合提示条件下优于单纯视觉提示。仅10米步行时间在“视听体感”联合提示条件下优于视听联合提示。ERP显示，给予视觉提示后引起大脑枕、顶、额叶为主的beta频段功率显著增高，信息流从枕叶流向顶叶、额叶;fMRI显示视觉提示引起大脑枕叶、顶叶和额叶激活增加。

研究结论

利用2个“一字型”激光器、录放模块、振动模块、控制模块及3D打印外壳等组成的可穿戴式“视听体感”多感觉提示系统，可以在帕金森病患者步行时提供简便、稳定、实时的“视听体感”提示信息。

使用多感觉提示系统后，视觉、视听、 “视听体感”提示均可以显著改善帕金森病患者的步行能力，表现为步幅明显增加，步速明显加快。多感觉的提示整合优于单感觉提示。患者认可和高度评价该提示系统，期待转化为康复产品。

视觉提示线索可以显著改善帕金森病患者步行能力，可能与其促进了空间注意（顶叶）和运动计划和执行（额叶）的脑网络，从而有利于启动和执行迈步有关。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组生物医学一等奖。

专家评语

该项目集合了3种方式共同对患者进行干预，制作了帕金森病患者能佩戴的仪器，该仪器实测有效，能显著改善患者的病态步伐，有较强的应用性。同时该项目探索了可能的分子机制。建议对分子机制进行更深入的研究，并可大规模用于患者观察疗效。