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用于診斷帕金森病的3D打印筆

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帕金森病是一種神經退行性疾病，影響著全球約1000萬人，是僅次于阿爾茨海默病的第二大常見神經退行性疾病。然而，對于如此普遍的疾病來說，診斷卻十分困難。然而，某些檢查，例如核磁共振成像或血液檢查，可以確診該病或排除其他類似疾病。相反，該病需要“臨床”診斷，這意味著醫生會根據患者的病史、癥狀和體格檢查來確定他們是否患有該病。然而，這些方法通常無效，并且缺乏客觀的定量標準。

加州大學洛杉磯分校(UCLA)的一支研究團隊正在開發一種替代方案：3D打印診斷筆。帕金森病的癥狀因人而異，但最常見的癥狀包括震顫、動作遲緩和僵硬。書寫是一個融合認知、感知和精細運動技能的過程，而這些技能都會受到帕金森病的影響。通過分析筆跡模式，用戶可以獲得診斷所需的重要信息和定量生物特征標記。

帕金森病患者用3D打印筆寫字（圖片來源：Jun Chen via The Guardian）

用于檢測帕金森病的3D打印工具

加州大學洛杉磯分校的研究人員并非首批設想開發帕金森診斷筆的人。傳統的筆跡分析工具，例如數字手寫板，已被廣泛使用。這些工具專門用于追蹤和分析筆跡軌跡，但它們往往會忽略書寫過程中出現的運動癥狀。此外，這些工具價格昂貴且安裝復雜，難以在非臨床環境中廣泛實施和使用。研究人員還考慮到了低收入國家，因為他們面臨著帕金森診斷專科資源有限以及神經科醫生數量不足的問題。

因此，加州大學洛杉磯分校的團隊著手設計一種更易于使用的工具，以提供更定量的結果。最終成果是一支診斷筆，它采用磁彈性筆尖和磁流體墨水，能夠靈敏地將筆跡表面和空中的細微書寫動作轉換為高保真傳感信號，用于自供電筆跡分析。考慮到可擴展性，他們為筆身設計了一個簡單的筆身結構，可以通過3D打印高效生產。團隊使用Stratasys F123 Composite-Ready FDM 3D打印機打印了筆身。

這支筆如何使用？

當用戶用筆書寫時，壓力會使筆尖變形，從而通過磁致彈性效應（磁致彈性是指材料在應力作用下磁性的變化）導致磁通量發生偏移。磁通量的變化，加上書寫過程中磁流體墨水的運動，會在筆簧中產生電壓信號。其原理是，當帕金森病患者用筆書寫時，電壓信號會顯示出正常書寫中不存在的異常——手部震顫會導致額外的微小尖峰。換句話說，筆跡被轉換成電信號，以量化書寫中的不規則性。

加州大學洛杉磯分校的研究團隊利用這支筆進行了一項初步研究，共有16名參與者參與，其中3人患有帕金森病。參與者在平面和空中書寫文字，并畫出波浪線和螺旋線來捕捉動作。之后，研究人員利用機器學習模型對參與者的筆跡信號進行分類。經過訓練，其中一個模型能夠區分帕金森病患者，平均準確率高達96.22%。

3D打印筆的圖形表示（圖片來源：UCLA）

后續步驟Next steps

為了將這支3D打印筆投入實際使用，研究人員需要進行進一步測試。由于加州大學洛杉磯分校的研究僅涉及16名參與者，因此需要對更大、更多樣化的群體進行測試，以驗證這支筆作為診斷工具的有效性。此外，《衛報》援引牛津大學臨床神經科學副教授克里斯塔利娜·安東尼亞德斯（Chrystalina Antoniades，未參與這項研究）的話稱，雖然這支筆可以作為帕金森病的良好指標，但臨床醫生應該使用多種生物標志物進行診斷。她解釋說：“這支筆可以診斷書寫問題，這只是我們在患者身上看到的眾多癥狀之一。但它可以補充我們已有的發現，檢測出一些可能難以察覺的癥狀。”

雖然顯然還需要進一步研究，但該設備似乎有望成為一種促進帕金森病更早、更準確診斷的工具。點擊此處閱讀加州大學洛杉磯分校的完整研究。