抑制帕金森病患者手部抖动便携式治疗仪的设计

李姝杨

(北京市第五十五中学)

1 研究背景

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一种常见的神经系统变性疾病，是一种典型的运动能力退化症，最主要的病理改变是中脑黑质多巴胺（dopamine, DA）能神经元的变性死亡，由此而引起纹状体DA含量显著性减少而致病，多见于老年人，其平均发病年龄在60岁左右。根据2015年4月出版的《北京青年报》提供的国际统计数据，目前中国帕金森病患者人数已达到约200多万人，约占全球50%。另外，帕金森发病正呈现年轻化趋势，临床治疗中不乏低于40岁发病的青年帕金森患者；75岁以上的老人患病率高达10%。2005年统计数据平均年龄60岁，2010年统计数据平均年龄58岁，2015年统计数据平均年龄56岁。由此可见，现在的老年病持续年轻化。这是一个很严重的问题。

帕金森病人具有如下三大症状：1.运动障碍；2.震颤；3.强直。随着病情的发展，穿衣、洗脸、刷牙等日常生活活动都出现困难。而且，有的患者还可出现植物神经功能紊乱，如油脂脸、多汗、垂涎、大小便困难和直立性低血压，也可出现忧郁和痴呆的症状。

图1 便携式治疗仪的工作原理示意图

根据现有医学科学相关资料，约70%的帕金森患者以震颤为首发症状，多始于一侧上肢远端，静止时出现或明显，随意运动时减轻或停止，精神紧张时加剧，入睡后消失。手部静止性震颤在行走时加重。

调研表明，PD患者的预期寿命与普通人群无显著差异。所以，有效地治疗能显著提高患者的生活质量，不过目前尚没有治愈该病的特效药物或治疗方法。药物治疗是帕金森病最主要的治疗手段。药物必需长期服用，一旦停止治疗，病情则会复发。早期患者通过药物治疗多可很好的控制症状；晚期由于患者对药物反应差，症状不能得到控制，患者可全身僵硬，生活不能自理，甚至长期卧床。 虽然手术治疗是药物治疗的一种有效补充，但康复治疗、心理治疗及良好的护理也能在一定程度上改善症状。目前应用的治疗手段只能改善症状，不能阻止病情的进展，也无法治愈疾病。

单片机控制电路原理示意图

图2 单片机控制电路实物图

根据现有医学科学相关资料，约70%的帕金森患者以震颤为首发症状，多始于一侧上肢远端，静止时出现或明显，随意运动时减轻或停止，精神紧张时加剧，入睡后消失。手部静止性震颤在行走时加重。

总之，帕金森患者具有如下的典型震颤特点：（1）部位：往往是最先出现一侧上肢的远端，随着病情发展，可以发展到同侧下肢或同时伴头颈部、下颌、舌肌震颤，最后累及对侧肢体。手部以掌指关节和大拇指震颤明显，形成所谓“搓丸药”动作，有时下肢亦较明显或其他部位的震颤比较突出；（2）频率与振幅：帕金森病的震颤率多为4～8次/秒，一般要比单纯性震颤稍慢些，幅度稍大，而比动作性震颤的频率快，幅度略小。（3）震颤具有波动性：即有时明显，有时则明显减轻或消失；精神紧张、情绪激动及始动时震颇明显，随意运动时减轻，入睡后消失。

由于病情发展缓慢不易察觉，随着病情的加重，帕金森家庭将会面临越来越沉重的人力和经济负担。患者从开始的偶尔需要人照顾，逐步发展到需要一个甚至两个专门的人来照顾基本生活，最终大部分帕金森患者丧失行动能力，给亲友和社会造成巨大负担。

单片机控制电路布线图（上图为顶层电路板；下图为底层线路板）

图3 软件设计流程

针对帕金森病人无意识地抖动特点，基于机械式运动脉冲刺激帕金森病人的激肢体与皮肤进而传导至病人的中枢系统以影响其中脑的DA（多巴胺Dopamine）能神经元兴奋性以达到提高病人自主控制能力的设计思想，本文介绍了一种抑制帕金森病患的简易的机械力传导设备的研究和实现过程，该设备可通过振动传感器检测帕金森病人的无意识且持续的抖动脉冲信号，经单片机判断、处理后，驱动振动电机对病人的抖动部位施加一个抓握力，实现病人无意识抖动状态的缓解，设备制作成本较低，从而在一定程度上改善病人的生活质量，缓解病患家属的经济压力。

2 研究目的

通过对帕金森震颤的实测和文献资料， 考虑到手及手臂的抖动对帕金森患者的日常生活影响明显，结合震颤特点，设计一款可戴在病人抖动的胳膊上（成熟后可附着于病人的腿上，甚至脖子上）用于抑制震颤的便携式治疗仪，利用接近帕金森病人震颤的频率，对患者施加逆向抖动，以达到减缓病人抖动的目的。

确定软件、硬件和制作样件方案：

（1）单片机的性能分析与选型；

（2）采用WAVE编译软件编辑调试程序；

（3）将编译好的程序下载单片机；

（4）将单片机和振动电机、振动传感器、电池等相关元部件焊接并测试。

3 研究方法

采取了文献调研、理论分析、软硬件设计相融合的研究方法，理论指导实践，并通过实验测试验证初始的设计方法，进而优化系统设计。

4 研究过程

根据帕金森病患的特点，细化设计思路，确定抑制帕金森手震颤的便携治疗仪的试制方案。根据试制方案，确定传感器、单片机在此试制设备上的作用，制定更可行的制作流程，选择电子元器件，完成硬件系统的焊接与软件调试。样件试制完成后，进行实验测试，分析实验结果，并撰写了研究报告。

5 系统研制

5.1 方案设计

图1示出了机械式减缓帕金森病人抖动的治疗仪的工作示意图。该设备由用于佩戴在帕金森病人抖动部位的可携带式制动板、电池和固定携带装置组成。可携带式制动板上安装有振动传感器F、单片机控制电路及振动电机M，其中，振动传感器F用于检测帕金森病人的抖动或停止（检测外部振动信号），通过单片机控制电路控制振动电机M的开启或关闭。

5.2 硬件实现

（1）制作仪器：

单片机， 振动电机， 振动传感器，电脑，电池，电烙铁，焊锡丝，焊锡油等。

（2）实物制作过程

基于图1所示的系统工作原理框图，进行硬件设计与制作。

图4(a) 无振动时示波器初始状态

图4(b) 有振动时示波器检测到的脉冲信号

图2为对应的单片机控制电路实物图,尺寸为：长×宽=55mm×22.5mm。

5.3 软件设计

图3给出了本设备的软件设计流程图。结合该流程图可知，佩戴于帕金森病人的颤动部位（如胳膊、腿、手）的机械传导部件，当病人抖动时，振动传感器F检测到持续抖动信号, 单片机接收到振动脉冲后，首先滤掉短时间的脉冲，排除干扰和瞬间的振动，然后通过判断振动是否持续2（根据临床实验改变）秒以上，低于此值不做处理，高于此值时认为是病态振动，单片机发出指令打开振动电机5秒后关闭电机，再等待2秒以上重新检测是否有新的振动信号，等待2秒是防止电机自身的振动被传感器检测到从而产生误判。通过单片机控制电路控制振动电机M，振动电机M产生振动，通过电路中的上拉电阻把机械振动转变为脉冲信号，传送给单片机处理,带动可携带式制动板振动，对帕金森病人的抖动部位产生了一个类似抓握的力，从而有效地缓解了病人的无意识抖动，提高了病人的生活质量。当病人不抖动时，通过单片机控制电路关闭振动电机M即可。

6 实验分析

6.1 功能实验（图4）

测试工具：示波器UTD2052CL；0-5V可调直流电源，电源在3V、5V分别测试。

实验结果分析：无振动时，示波器输出的直流电压为0V，有振动时，示波器输出为不规则脉冲序列信号，其中，高电平为电源电压值。

6.2 临床病患测试（图5）

病人A，手指抖动，吃饭时会握不住餐具：

病人B，颈部僵直，影响活动和视物：

图5(a) 实验测试（腕部）

病人C，腿部抖动，走路时会突然出现小步抖动：

图5(c) 实验测试(腿部)

检测结论：从示波器测试显示的图像能看出，没有振动时，开启治疗仪，治疗仪没有捕捉到振动脉冲信号，不工作；当抖动发生，且持续2秒钟以上，治疗仪抖动开始工作，并驱动电机工作以抑制帕金森病人的抖动。

小范围临床结论：从三名病患者不同部位的抖动，获取的实际效果，A病人持物能力有所增加；B病人的僵直形状改变不明显；C病人腿部抖动减缓。与实验室模拟帕金森病人抖动产生效果基本相同。虽然采集数据较少，但病患的症状很具有代表性，因此，对治疗仪的效果提供一定的佐证。

结论：该治疗仪的主要贡献在于用非介入方法，解决手术和药物治疗给帕金森病人损伤较大的问题。为帕金森病患提供可穿戴的治疗设备提供了可行性，该治疗仪在家庭康复医疗领域的推广应用，应该有良好的市场前景。