孤独症智能治疗头盔的设计

王果 李立国 董献文 赵永红 李恩耀

【摘要】目的：研制具有无创、集成、移动便携、可家用特征的孤独症智能治疗头盔。方法：开发了能够集成模拟电针刺激模块、药物离子导入模块、生物反馈模块和网络信息模块功能。结果：头盔安全性高，疗效佳，可实现家庭化、便携化。结论：现代科技与先进通讯技术将传统针刺技术广泛传播，为广大孤独症患儿提供有效、便捷的治疗与帮助，使更多患儿及家庭获益。

【关键词】孤独症；治疗头盔；穴位注射；药物导入

[中图分类号]R749.94； R493 [文献标识码]A [文章编号]2096-5249（2021）05-0227-02

孤独症谱系障碍（autism spectrum disorder， ASD）是一类儿童神经发育障碍引起的疾病， 主要特征为社交障碍、刻板行为、言语障碍、兴趣狭窄[1]。目前孤独症的发病机制仍不清楚， 但是患病率却逐年攀升， 最新研究显示美国8 岁儿童的孤独症患病率已经达到1/59[2]。因为病因不明，很大一部分孤独症患者无法得到有效的治疗，依然有50%～70%的患者长期依赖家人的照顾，无法独立生活[3]。正在并将持续给家庭和社会带来巨大的负担。同时孤独症的病因病机目前尚不清楚，治疗也缺乏有效手段。临床目前主要通过综合康复训练如应用行为分析训练、结构化教学或注射修复神经药物等方法对患儿的行为及语言等问题进行干预，改善患儿症状，但效果欠佳。研究表明，运用传统医学和现代医学相结合的方式进行综合干预能够取得较好疗效，并越来越受到研究者重视。针刺和穴位注射疗法在孤独症治疗中取得较好疗效，水针位点注射疗法综合运用针刺和穴位注射疗法并结合现代康复医学理论技术，在孤独症治疗中取得了良好疗效。

1 主要原理

1.1针刺原理 针灸刺激通过人体自动控制系统提供干预信号，激发人体自身调节系统，转变机体状态方向。针刺可能通过躯体自主反射，对稳态产生影响。这种涉及自主神经系统的交感神经和副交感神经分支的体内平衡经常被认为是阴阳平衡概念的科学基础[4]。现代的影像学技术（PET/CT/MRI）已经证实经络系统实际上是一个非常复杂的信号传导系统， 虽然大脑的各个功能区域之间存在的关联目前尚不明确， 但针刺头部不同穴位以经证实可以调节大脑不同区域的功能[5]。脑功能磁共振成像（fMRI）显示：针刺的作用机制很大可能是由于针刺对穴位的物理刺激，引起相关联脑区的部分功能核团的活化，该区域的血流量增大，进而释放出相关调节进行靶器官的调节，实现大脑的活化[6]。Ping Wu等人在进行对脑卒中中风后遗症患者使用针灸治疗的试验中，也证明了针灸可以显著地使脑结构重组，提高运动和认知功能的恢复[7]。张全明团队通过患者治疗前后P3电位的变化情况证实针刺不仅可以加速曾经发育受阻的神经纤维进行二次发育，从而增加大脑皮质神经突触的质与量；还会加快冲动在神经纤维中的传导速度，即：加快对外界信息的加工。于是从根本上提高孤独症患儿的专注力[8]。

1.2位点及穴位原理 通过对不同穴位或位点的刺激，改变轴突离子通道，更新或改变突触连接，促使内源性干细胞迁移和神经系统适应性变化，启用潜伏通路，得以在脑部对应部位建立新功能区或进行系统间重组，调节局部功能。

1.3药效原理 采用局部给药的方式，使药物直达病变部位。研究显示，维生素B1对人体的作用非常强大，它可以加速脂肪、糖、蛋白质三大营养物质在体内的代谢速度，加快三羧酸循环产生能量的速度； 维生素B12作为常规的神经营养类药物， 对部分受损神经髓鞘有一定的修复作用，维生素B12还参与有髓鞘神经代谢，并在其中起重要作用。

拟采用现代网络信息技术、模拟电刺激、药物离子导入、生物反馈和健康监测技术研制具有无创、集成、移动便携、可家用特征的孤独症智能治疗头盔，以便能够进一步推广和发展水针位点注射疗法，更好地满足孤独症患者家庭化、远程化治疗需求。

2 总体设计

头盔整体包括电路控制板块、电刺激板块、药物离子导入板块、生物反馈和健康监测板块、人机交互装置。将头盔电源按钮打開，指示灯亮绿灯，说明设备正常。同时蓝牙处于开启状态，打开手机App。可以在手机上选择个性化治疗方案，选择完成后，确认所选穴位与头皮接触良好，点击运行，头盔就会进行模拟针刺以及药物导入程序。当设备电池电量不足时，指示灯亮黄灯，设备将要停止工作，提醒用户及时更换电池或充电；监测模块一旦发现温度、湿度异常以及与头皮接触不良时，就会反馈到系统，此时头盔指示灯亮红灯成报警状态，同时自动断电，停止工作。在整个治疗的过程中，生物反馈板块会采集患者的脑电、眼电、血氧的指标，所有数据都会在移动终端显示，用户可以通过APP， 查看患者的治疗方案与治疗记录及各项监测数据，医生也可以共享数据，并对患儿的治疗方案做出及时的调整。设备的整个功能框图如图1所示。

3 硬件设计

3.1电路设置 充电口与电池相连，蓝牙与单片机相连，电流采集电路与电极和单片机相连，恒流源与单片机及放大器电路相连，存储模块与单片机相连，电极温度与湿度检测电路与警报装置、电极、单片机相连，监测反馈装置与单片机相连，脑电、眼电装置与滤波装置及放大器电路相连。壳体外安装控制装备运行的开关，包括控制蓝牙的部分。有指示灯，指示灯在正常运行、缺电、警报情况分别显示绿、黄、红三种颜色。

3.2刺激导入模块 通过导线与电路板连接，电极导线用材防锈蚀、导电性强。表面电极主体为海绵材质，海绵电极的大小、形状在不同脑区有所差别的矩形， 厚度均约为2㎜。电极片内侧面固定于绝缘，贴近头部的一面为粘面，可与药液浸垫粘合，药液浸垫大小与电极片基本一致的椭圆形，由纱布包裹着海绵的独立结构，可通过粘面与电极片结合。表面电极内部还有温度传感器测量电极表面温度、湿度传感器获取电极工作环境的湿度。温度传感器用于获取工作区域电极表面的温度，当温度高于40°时，则需要断开电路，一方面保护用户免于电灼伤，另一方面，温度过高不利于药物的导入。湿度传感器获取作用区域内电极的表面湿度，当湿度>85%时，断开电源，湿度过高不利于药物的导入。

3.3监测模块 脑电图电极可由充满电解質溶液的弹性部件形成，由国际10-20系统定义的电极排布，F3、F4、C3、C4、O1和O2。眼电图电极也是由充满电解质溶液的弹性部件形成，位于太阳穴处。脑、眼电图的参考由充满电解质溶液的弹性部件形成，置于前额。监测大脑皮层血氧饱和度的传感器也是置于前额，由释放660 nm波长以及释放905 nm、910 nm或者940 nm波长的两个二极管组成的监测探头。从血氧对不同波长光波吸收率得差异来进行血氧情况的数据采集。

4 软件设计

移动终端APP的设计采用板块化、子程序叠加的模式， 首先设计好治疗的方案， 方案中包含：模拟电刺激的波幅、波形、强度、频率、时间等， 当系统工作时， 操作者选择患者相对应的治疗方案，确认电量充足，各穴位接触良好后，操作者依据提示按下启动键。治疗开始时，主页面上会同时显示温度、湿度、脑电、眼电、血氧情况，每次治疗产生的数据都会自动存储。在单次治疗结束后，设备会自动停止并断电，操作者只需将设备从患儿头上取下即可。

5 结论

我国孤独症患者数量逐年攀升[9]，孤独症患儿需长期进行康复训练，这一过程给家庭和社会带来巨大的负担。目前，孤独症的治疗缺少有效治疗，但经科学和临床研究证实，针刺联合穴位药物注射疗效较佳，反应良好。孤独症智能治疗头盔使传统的穴位注射技术家庭化、便携化，穴位注射疗法的人工治疗费用，降低患儿家庭来院治疗所需支出的交通、食宿等相关费用，切实减轻患儿及其家庭的经济负担；孤独症智能治疗头盔可广泛普及全国各个地区，减少各医院开展水针位点注射技术培训与传播所需支付的人力物力，减少专项财政支出，符合便捷、绿色、友好的环境发展模式。孤独症智能治疗头盔的研发与应用，利用现代科技与先进通讯技术进一步推动中国传统医学的现代化研究和发展。

参考文献

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[9] G-S Fisch. Nosology and epidemiology in autism： classification counts[J]. Am J Med Genet C Semin Med Genet， 2012， 160C（2）： 91-103.

基金项目：河南省科技厅2019年科技发展计划（编号：192102310366）；河南省卫计委医学教育研究课题（编号：wjlx2015096）；郑州市协同创新重大专项（编号：18XTZX12003）.