帕金森病（PD）是一種快速發(fā)展的神經(jīng)退行性疾病，全球約有1,000萬患者。其癥狀包括震顫、僵硬和運動遲緩，嚴重影響患者的生活質(zhì)量。目前，PD的診斷主要依賴于對運動癥狀的觀察，這些方法主觀性強、效率低，且缺乏客觀的定量標準。此外，PD診斷資源在低收入國家嚴重不足，每10萬人口中神經(jīng)科醫(yī)生數(shù)量僅為0.03-0.13人。因此，開發(fā)一種低成本、可廣泛推廣的PD診斷方法是亟待解決的臨床需求。
成果簡介
近日，加州大學(xué)洛杉磯分校陳俊課題組開發(fā)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助的個性化書寫分析技術(shù)，用于帕金森病的診斷。該技術(shù)通過一款特制的診斷筆，能夠?qū)鴮憚幼鬓D(zhuǎn)化為高保真信號，并借助一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D CNN）成功區(qū)分PD患者和健康人群，平均準確率高達96.22%。這一技術(shù)具有低成本、易于推廣和可靠的特點，有望改善全球范圍內(nèi)的PD診斷現(xiàn)狀，尤其是在資源有限的地區(qū)。
示意圖
設(shè)計與工作原理
該診斷筆由磁彈性筆尖和磁流體墨水組成，通過3D打印技術(shù)制造而成。磁彈性筆尖在外部機械壓力下會發(fā)生形變，導(dǎo)致磁通量變化；磁流體墨水則在磁場變化下動態(tài)移動，兩者結(jié)合在周圍線圈中感應(yīng)出電壓信號。研究團隊通過微計算機斷層掃描（CT）和磁性測量，驗證了筆尖和墨水的磁性特性及其穩(wěn)定性。
圖 | 磁彈性診斷筆的設(shè)計和工作原理
可擴展制造與表征
診斷筆的設(shè)計便于通過3D打印實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，且磁流體墨水可通過自動化設(shè)備填充，確保了制造的可擴展性和成本效益。實驗結(jié)果表明，即使在長期使用后，磁流體墨水的粘度和磁性特性也保持穩(wěn)定，證明了該筆在實際應(yīng)用中的可靠性。
書寫到電信號的轉(zhuǎn)換
研究團隊通過模擬書寫過程中的水平和垂直運動，驗證了診斷筆能夠?qū)鴮憚幼鬓D(zhuǎn)化為高保真電信號。實驗結(jié)果表明，隨著書寫加速度和頻率的增加，感應(yīng)電流信號也相應(yīng)增強。此外，該筆還能在不同書寫角度和濕度條件下穩(wěn)定工作，進一步證明了其在實際應(yīng)用中的適應(yīng)性。
個性化書寫分析
在一項包含3名PD患者和13名健康參與者的試點研究中，診斷筆準確記錄了參與者的書寫信號。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)PD患者的書寫信號中存在額外的小峰值，這可能是由于手部震顫引起的。這些信號特征為PD的早期診斷提供了潛在的生物標志物。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助PD診斷
研究團隊比較了多種機器學(xué)習(xí)模型，包括1D CNN、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）以及傳統(tǒng)方法（如隨機森林和邏輯回歸）。結(jié)果顯示，1D CNN模型在區(qū)分PD患者和健康人群方面表現(xiàn)最佳，準確率達到96.22%，F(xiàn)1分數(shù)為0.9266。這一結(jié)果表明，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷筆技術(shù)在PD診斷中具有較高的準確性和可靠性。
小結(jié)
該研究開發(fā)的診斷筆技術(shù)為帕金森病的診斷提供了一種創(chuàng)新且低成本的解決方案。通過將書寫動作轉(zhuǎn)化為可分析的電信號，并借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分析，該技術(shù)能夠有效區(qū)分PD患者和健康人群。這一成果不僅為PD的早期診斷提供了新的思路，還為在資源有限的地區(qū)推廣PD診斷技術(shù)提供了可能。未來，隨著更多臨床數(shù)據(jù)的積累和技術(shù)的進一步優(yōu)化，該診斷筆有望在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，改善帕金森病患者的診斷和治療現(xiàn)狀。
參考文獻：
Chen, G., Tat, T., Zhou, Y. et al. Neural network-assisted personalized handwriting analysis for Parkinson’s disease diagnostics. Nat Chem Eng (2025).
https://doi.org/10.1038/s44286-025-00219-5
