供稿|王美軍 / WANG Mei-jun

內容導讀

把身體的每一個動作，都調成慢速播放，循環(huán)五年、十年、二十四年，越來越慢，這就是帕金森患者的日常。他們要面對身體突然的緊繃，四肢不住地顫抖，以及周圍人異樣的眼光。帕金森患者往往伴隨震顫癥狀，嚴重者甚至無法正常進食，這嚴重影響了患者的正常生活，甚至情緒和心理狀態(tài)，同時也給家人帶來極大的困擾。因而防抖產品的問世顯得格外重要，他不僅可以使老年人實現(xiàn)自主進食，減少煩惱，提升老年人的生活質量，同時也可減輕子女的負擔，具有非常重要的實踐意義。

在科技高速發(fā)展的今天，醫(yī)療科技服務更加應該著眼于人們真正需要卻還沒有實現(xiàn)的方面，同時讓大眾感受到科技的溫暖與關懷，讓科技真正的為人民大眾服務，讓患者擁有尊嚴、自信和獨立，讓科技充滿人文關懷。

肢體震顫疾病

有這樣一小眾群體，他們每天都面臨著手抖的煎熬，手部持續(xù)的震顫雖不致命，卻極大地影響了患者吃飯、刷牙等正常生活，簡單的動作卻成為他們的奢望。造成手發(fā)抖的原因很多，其中包括遺傳性的手發(fā)抖、恐懼悲哀造成的手發(fā)抖、因疾病造成的(心臟病、腦神經失調)以及特發(fā)性震顫等手部震顫問題。

在這個群體中，帕金森綜合征患者尤為之重(圖1)，他們大多數(shù)是老年人群體。帕金森綜合征的典型表現(xiàn)是頻率為4～6 Hz的“搓丸樣”震顫，目前中國約有170萬人患病，且患病人數(shù)逐年增加。帕金森綜合征患者年齡多為六十歲以上，困擾其日常生活的主要是靜止性震顫。以手部為例，在吃飯時，手部處于靜止狀態(tài)下的抖動會將勺子或筷子夾著的食物抖落。這給老年人與贍養(yǎng)人造成了巨大的困擾，尤其是對老年人來講，不僅是生理上的困擾，更是心理上的負擔。

圖1 帕金森綜合征

常見的震顫性癥狀疾病

帕金森病(Parkinson’s disease，簡稱PD)是一種常見的神經系統(tǒng)變性疾病，其病因主要是中腦黑質部分病變導致多巴胺神經能元減少(死亡、病變)，而與多巴胺有拮抗作用的乙酰膽堿神經遞質正常，控制運動能力失調[1]。

帕金森病癥狀因人而異，最為顯著的癥狀就是靜止性震顫、運動遲緩和肌強直[1]，中晚期患者出現(xiàn)姿勢平衡障礙，發(fā)病前后還會伴隨一些非運動癥狀，包括便秘、嗅覺障礙、睡眠障礙、自主神經功能障礙及精神、認知障礙。靜止性震顫為帕金森病首發(fā)癥狀，大多開始于一側上肢遠端部位，靜止體位時出現(xiàn)或癥狀明顯。發(fā)病時拇指與屈曲的食指間呈“搓丸樣”動作。

帕金森病常見的治療方式有：

(1)藥物治療補充多巴類物質，負作用巨大。

藥物治療一方面增強多巴胺的作用，另一方面是降低乙酰膽堿的作用，以使二者的相互作用達到一種新的平衡狀態(tài)。相應的藥物主要有兩類，一類為抗膽堿受體藥，另一類為補充多巴胺，常用為左旋多巴。左旋多巴的副作用根據(jù)出現(xiàn)的時間可分為近期副作用和遠期副作用。常見近期副作用有腸胃反應、心血管副作用、睡眠障礙和精神癥狀；遠期副作用多在服藥2～5年后發(fā)生，包括異動癥、運動波動、晨僵和起效延遲。

(2)手術治療。

腦深部電刺激治療或損毀術[2]。其中腦深部電刺激治療為電極刺激大腦深部，使其釋放更多的多巴胺，特點是微創(chuàng)、安全、有效。根據(jù)病情治療費用在10～30萬元，且只有部分患者適合此類手術治療方案。

神經核損毀術常用靶點為丘腦腹中核(Vim，與震顫有關)及蒼白球腹后部(PVP，與僵直有關)，特點是費用低，但操作不當可能引起更嚴重病變，且僅對部分患者有效。

根據(jù)“帕金森病的康復治療現(xiàn)狀”顯示[3]，中國50歲以上PD發(fā)病率為0.5%，60歲是1%。由于人口老齡化問題日益嚴重，而此病的發(fā)病率又隨著年齡的增高而增加，因此帕金森病患者人數(shù)有逐年增加的趨勢。目前國內帕金森病患者人數(shù)約300萬，每年新增人數(shù)達10萬以上。有家族遺傳背景的患者，40歲不到就會發(fā)病，稱為青少年型帕金森病，這群患者約占帕金森病所有患者的10%。2018年，國家老年疾病臨床醫(yī)學研究中心主任陳彪曾對《21世紀經濟報道》表示，目前中國80歲以上的老年人口2000萬，帕金森病人數(shù)量在250萬到300萬之間，預測到2030年有500萬的帕金森病人。

除帕金森病外，震顫癥狀也表現(xiàn)在其他的一些病癥中：

(1)甲狀腺功能亢進癥。

因甲狀腺激素產生過多引起的臨床綜合征，表現(xiàn)為身體的代謝亢進，系統(tǒng)興奮性增高，有消瘦、心慌、手抖、脖子粗、煩躁等不適癥狀。中華醫(yī)學會內分泌學會進行的“社區(qū)居民甲狀腺疾病流行病學調查”顯示，我國甲亢患病率為1.3%，約1700萬患者。

(2)特發(fā)性震顫。

特發(fā)性震顫又稱原發(fā)性震顫、家族性震顫，是一種常染色體顯性遺傳病，臨床主要表現(xiàn)為上、下肢或頭、面部的不自主震顫，有時候也有聲音震顫。典型的特發(fā)性震顫可在兒童、青少年、中老年人群中發(fā)現(xiàn)，在普通人群中發(fā)病率為0.3%～1.7%，并且隨年齡增長而增加，中國特發(fā)性震顫患者高達1200萬人。

(3)慢性酒精病毒。

慢性酒精中毒指由于長期過量飲酒導致的中樞神經系統(tǒng)嚴重中毒。因體內酒精濃度下降反復出現(xiàn)戒斷癥狀，常見手、足、四肢和軀干震顫、共濟失調、反應遲鈍及食欲不振等癥狀。

醫(yī)工結合的行業(yè)背景

國務院印發(fā)的“中國制造2025”中，建設制造強國“三步走”戰(zhàn)略目標的第一個10年目標明確了制造業(yè)發(fā)展的10大重點領域，生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械位列其中[4]。智能型康復輔具以及配套所屬的健康檢測產品是醫(yī)療器械的發(fā)展重點。因此，在國家推動醫(yī)學和健康事業(yè)發(fā)展、智能技術突飛猛進的重要歷史機遇期，智能型康復輔具的研發(fā)正是深化了醫(yī)工交叉融合的理念，順應了時代和人民對美好健康生活的向往和需求。

數(shù)字化醫(yī)療滲透至醫(yī)療行業(yè)的各個分支，“大數(shù)據(jù)+人工智能”是未來醫(yī)療器械行業(yè)發(fā)展的方向。醫(yī)院通過診斷不同疾病患者，積累了龐大的數(shù)據(jù)資源。大數(shù)據(jù)技術能搜集、篩選、整理不同類型的海量數(shù)據(jù)，通過智能算法探尋和疾病有關的客觀規(guī)律，在醫(yī)護人員起主要作用的前提下，提升患者和對應的疾病以及醫(yī)療措施的匹配程度，提升診斷的效率，節(jié)約患者的時間和精力。

患者和醫(yī)療系統(tǒng)也呈現(xiàn)出互動趨勢。在信息技術的幫助下，醫(yī)療設備能隨時搜集患者信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)療系統(tǒng)“云端”，實現(xiàn)實時監(jiān)控患者病癥情況，方便醫(yī)護人員及時和患者溝通。同時，患者也可以利用醫(yī)療APP接觸到網(wǎng)絡上公開的醫(yī)學常識，加深對疾病的認識和理解。

綜上，醫(yī)療器械的智能化，精準化和人性化是時代發(fā)展的反映，在切實解決震顫癥患者的身體問題之余，其附加的信息服務使得醫(yī)患雙方有所互動，符合醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展方向。隨著中國老齡化的加劇，以帕金森病為代表的老年神經性系統(tǒng)退行性疾病在老齡人口中蔓延。這也意味著醫(yī)工結合的養(yǎng)老產品有機會打入這一細分市場，減輕患者子女的負擔，方便老人的日常生活[2]。

醫(yī)療器械的市場需求

(1)老齡化。

在快節(jié)奏的社會下，科技也在迅猛發(fā)展。中國處在一個前所未有的歷史階段，社會快速發(fā)展、經濟崛起，給社會帶來很多新的變化。同時我國也面臨著嚴重老齡化的社會，很多老人的健康醫(yī)療、養(yǎng)老等服務等都得不到完善?，F(xiàn)有社會的發(fā)展速度與社會壓力，讓大多數(shù)贍養(yǎng)者要么沒有足夠的經濟能力雇傭護工，要么沒有足夠的時間親自進行照料，使其成為了一個社會問題。

根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，就人口年齡結構而言，我國60歲及以上老年人口占總人口的比重已經從2000年的10.33%上升到2020年的18.70%[3]，如圖2所示。根據(jù)世界銀行預測，預計2030年這一比重將上升到24.8%，更有甚者預計到2050年這一比重將進一步上升到32.6%，我國的人口老齡化日益嚴重。

圖2 歷次人口普查年齡構成

(2)傳統(tǒng)治療的不足帶來的需求。

傳統(tǒng)治療方式主要為藥物治療、手術治療、心理治療等。帕金森病群體因震顫導致無法自理進食的問題尚未解決，現(xiàn)有產品的價格較高且技術不成熟，再加上宣傳程度不到位等問題，消費者群體也無法信任這類新興產品，對當前消費者欲望滿足程度較低，市場的空缺為醫(yī)療器械的發(fā)展提供了巨大的生存空間。

(3)用戶心理。

對于老年人來說，因為手抖無法順利進餐，會出現(xiàn)進食艱難、進食時間延長導致飯菜變涼、食物灑落在桌面等情況，從而大大降低用餐的愉悅感、增加負面情緒和心理負擔。而對于子女來說，必須要養(yǎng)家糊口的他們沒有過多的時間和精力滿足老人的生理和心理的多方面需求，對他們而言需要一個降低時間成本，可以有效代替他們照顧老人且價格在可接受范圍內的工具，以此來滿足子女對父母的孝心。防抖產品的設計能夠減少老年人進食的煩惱，實現(xiàn)自主進食，重拾信心。根據(jù)老年人群的生活居住環(huán)境等進行分析，秉承人文情懷去設計出一款適老化產品，提升老年人的生活質量[3]。

(4)用戶的規(guī)模和市場規(guī)模。

根據(jù)調查數(shù)據(jù)，僅在中國市場，帕金森病、甲狀腺功能亢進、慢性酒精中毒、特發(fā)性震顫患者人數(shù)已經超過3000萬。我國2020年人均GDP達到1.13萬美元，同時新興服務業(yè)迎來快速發(fā)展，家庭用品及服務和醫(yī)療保健消費占比持續(xù)升高，在對生活質量日益重視的情況下，消費者對提升生活質量和生活水平的商品更加青睞。

防抖餐具的解決方案

面對帕金森群體這樣一個龐大的數(shù)字和無奈的現(xiàn)實，一款致力于從患者自身出發(fā)解決問題的“睿羹CalmSpoon”防抖餐具應運而生。

“億”點點改動

當你展開設想，如果有一把勺子，分成兩半，中間加一個濾波，不就可以濾掉勺柄抖動，實現(xiàn)勺頭平穩(wěn)了嗎？基于這個思路，再進行了“億”點點改動，“睿羹CalmSpoon”團隊最終研發(fā)出一款不到200 g的手持防抖餐具，如圖3所示。

圖3 防抖餐具結構圖

勺柄：勺柄主要由勺柄上殼、勺柄下殼組成，其內部裝有電路板。為了增大帕金森患者手部與勺柄的抓握力，整體采用長直設計，在保證內部電路容納的同時，可以使患者更穩(wěn)當?shù)匚杖　?/p>

勺把：勺把主要由電機組組成，具體包括電機上殼、電機下殼，用來安放減速電機，同時與勺柄相連接構成整體；勺頭左殼與減速電機的輸出軸固定，并通過一個微型軸承與電機下殼的凸軸相連，且與勺頭左殼對稱，由勺頭上殼將二者定位后固定；勺把姿態(tài)經由減速電機輸出軸帶動，使其內部固定的姿態(tài)傳感器運動以及時做出檢測。

勺頭：勺頭是為了適應防抖勺而相應設計的，采用了底部較平，側面較深的設計，不易因為縱向抖動而灑出勺內所盛物。遠離勺頭的一端利用安插在勺頭左右殼的4個彈簧柱塞固定，可以自由插拔，更換為牙刷頭等，以適用于不同的場景。

勺未使用或者手部較為平穩(wěn)時，整體幾乎處于水平狀態(tài)；當手柄受到外力而產生向上的抖動時，勺頭相應地向下轉動，此時傳感器接收到位置信息的改變而使得控制電路驅使電機逆時針方向旋轉，帶動勺頭上移，從而抵消由于勺柄抖動而下降的距離，達到相對平穩(wěn)的狀態(tài)；當手柄受到外力而產生向下的抖動時防抖過程與向上抖動相反(圖4)。

圖4 機械防抖過程

這是一款面向帕金森病、甲狀腺功能亢進和慢性酒精中毒等震顫癥患者的智慧醫(yī)療防抖設備?！邦８﨏almSpoon”防抖餐具采用姿態(tài)測量和伺服技術，當用戶手持餐具柄部震顫時，餐具里的食物將基本保持平穩(wěn)，不會灑落。餐具可更換餐頭，如勺、叉，未來將加入牙刷、梳子等模塊，使其可以在不同場景下使用，增加了擴展性，提高生活品味。而為了方便患者使用，“睿羹”打開開關即可進入防抖模式，學習成本低，不同于常見的相機穩(wěn)定器負載恒定，在使用防抖餐具進食過程中，餐頭中食物質量和質心會發(fā)生大幅度變化，團隊通過硬件和算法設計，創(chuàng)新了數(shù)據(jù)采集和控制算法，在低成本元器件上實現(xiàn)了較高精度的穩(wěn)定控制，使其能夠滿足帕金森病等震顫類患者的使用要求。

“億”點點關愛

隨著5G、大數(shù)據(jù)、VR等技術的變革，醫(yī)療行業(yè)也在向智慧醫(yī)療升級轉型[4]。智慧醫(yī)療的出現(xiàn)，為社區(qū)患者管理、病情評估、疾病研究帶來了極大便利，“睿羹CalmSpoon”APP應運而生圖5。隨著智能手機在老年人中的不斷普及，“睿羹CalmSpoon”防抖餐具通過APP將獲得更加豐富的增值服務。

圖5 “睿羹CalmSpoon”APP界面

“睿羹CalmSpoon”APP儲存有智能震顫評級方案，經過大量醫(yī)學數(shù)據(jù)監(jiān)督學習，可以通過防抖餐具采集患者震顫數(shù)據(jù)，并得出震顫評級，準確率與醫(yī)生評價相當。APP可接入智慧醫(yī)療系統(tǒng)，在云端記錄患者病情變化數(shù)據(jù)，在經患者同意后，其監(jiān)護人和醫(yī)生可以獲得數(shù)據(jù)讀取權限，可視化查看患者病情變化，方便患者管理。

知識圖譜是一種在計算機中記錄語義知識的人工智能技術，它以圖的形式記錄實體、屬性和關系，提供了知識存儲、知識推理的能力。團隊構建了一個包含超過9000種疾病、5.1萬實體、34萬條關系的知識圖譜，記錄著疾病、癥狀、所需檢查、藥物的知識，相當于一本“醫(yī)學知識大全”。通過自然語言處理技術，患者可以向“睿羹”APP提問，APP在知識圖譜中推理答案回答患者，相當于患者的私人醫(yī)生。

北京科技大學的“人文”

北京科技大學(簡稱北科大)始終秉承“人性化關懷、理性化培養(yǎng)”的人才培養(yǎng)理念，鼓勵學生前往基層機構，參與社會實踐，了解社會需求，在實踐中了解專業(yè)內涵，加深專業(yè)理解，踐行仁義、踏實認真。此外，北科大重視創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，自2016年開始，校團委、教務處、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心聯(lián)合開展“鼎新班”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精英人才培養(yǎng)計劃，挖掘優(yōu)秀的在校生項目和畢業(yè)生項目，以培育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為教育載體進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精英人才培養(yǎng)，將“創(chuàng)青春”全國大學生創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽作為鍛煉平臺，以授課、個性化輔導、競賽指導等形式開展項目培育工作，為創(chuàng)業(yè)團隊提供高質量的學習交流平臺，不斷提升學生的創(chuàng)新能力與時代擔當，為國家培養(yǎng)輸送創(chuàng)新型人才。

在學校的支持與鼓勵下，“睿羹CalmSpoon”團隊秉持“讓科技充滿人文關懷”的理念，與醫(yī)學專家、工程專家、患者等深入交流，了解用戶需求，協(xié)同多個學院之間的力量，進一步了解市場需求，同步推進原型機的產品化設計。

在項目推進過程中，“睿羹CalmSpoon”團隊成員發(fā)揮自身專業(yè)特點，以賽促學，提升了專業(yè)實踐能力。同時與專家、患者等交流，培養(yǎng)了團隊學科交叉意識，開拓了團隊視野，堅持讓創(chuàng)新充滿溫度的初心一路向前。團隊作品曾獲“挑戰(zhàn)杯”首都大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽金獎、“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽全國一等獎、“華為杯”中國大學生智能設計競賽全國亞軍等多項國家級、省部級獎項。參加2020年中國北京國際科技產業(yè)博覽會等展覽(圖6)，被中央電視臺(圖7)等校內外媒體多次報道，也讓越來越多的人關注到震顫類疾病患者。

圖6 中國北京國際科技產業(yè)博覽會

圖7 央視節(jié)目報道