Хвороба Паркінсона може бути важко діагностованою, але одним із найпоширеніших симптомів зростального нейродегенеративного захворювання є невеликий частий тремор рук.
Задля можливості тестування та раннього виявлення захворювання, дослідники розробили те, що вони називають діагностичною ручкою, щоб виявити ці рухи руки. Ця ручка не пише у традиційному сенсі. Натомість гнучкий магнітний наконечник і феромагнітні чорнила перетворюють рух у коливання свого магнітного поля, використовуючи так званий магнітопружний ефект. Магнітний потік створює електричний струм у провідній котушці, вбудованій у корпус ручки.
У невеликому пілотному дослідженні цей електричний сигнал використовувався для навчання нейронної згорткової мережі для точного розрізнення писання пацієнтів з хворобою Паркінсона та здорової групи. Діагностична ручка та дослідження на людях були представлені в журналі Nature Chemical Engineering.
"Хоча основні механізми сприйняття добре відомі, справжня сила цієї роботи полягає в тому, як автори винахідливо інтегрували їх у функціональний пристрій", - говорить Прадіп Шарма, інженер з університету Х'юстона, який вивчає м'які магнітні матеріали, схожі на ті, що використовуються в наконечнику нового стилуса; він не брав участі у поточному дослідженні.
Хто створив діагностичну ручку?
Оскільки пристрій здатний виявляти невеликі високочастотні рухи, він добре підходить для вивчення тремору рук, каже Гері Чен, провідний автор дослідження та кандидат наук у Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі. Автори в основному працюють у дослідній групі біоінженерів під керівництвом Цзюнь Чена, яка вивчає можливості використання магнітопружного ефекту вже близько п'яти років.
"Ми розглядаємо це як дуже перспективну технологію", - говорить Гері Чен, - "але, як ми вказали в нашій статті, наше поточне дослідження має деякі недоліки". В основному, для відповіді на питання про пристрій та його потенційне застосування необхідні більш масштабні подальші дослідження з більш різноманітним пулом суб'єктів. У пілотному дослідженні дані для навчання були отримані лише від двох пацієнтів із хворобою Паркінсона та 10 здорових контрольних учасників, а валідація додала ще чотирьох учасників, включаючи одного із хворобою Паркінсона.
Крім підтвердження ранніх результатів, подальші дослідження також можуть допомогти визначити, чи здатна ручка розрізняти хворобу Паркінсона та інші стани з симптомами тремору, і чи вона може визначати різні стадії одного і того ж захворювання. На додаток, дослідники хочуть вивчити, чи впливають на результати рідна мова суб'єкта чи домінантна рука, що може бути важливим для клінічного застосування.
Як працює діагностична ручка?
Наконечник нової ручки виготовлений з невеликих неодимових магнітів, змішаних з Ecoflex, маркою силіконової гуми, що рекламується для виробництва протезів та реквізиту для кіно. Корпус містить резервуар з феромагнітним «чорнилом», який оточений циліндром з вбудованою котушкою з електропровідної пряжі.
Коли користувач малює або пише стилусом, деформації наконечника змінюють магнітне поле, а рух феромагнітної рідини робить ручку чутливою до руху як на поверхні, так і в повітрі. Незначні магнітні коливання створюють струм у котушці, і зміни цього струму аналізувалися, чи це результати експериментальних завдань писання, чи малювання на папері, як це зазвичай робиться у сучасних неврологічних оцінках.
Учасникам було запропоновано виконати кілька завдань, включаючи малювання закарлючок та написання літер. Нормалізовані дані використовувалися для навчання кількох типів алгоритмів машинного навчання, і найбільш ефективний аналіз був отриманий за допомогою одновимірної нейронної згорткової мережі, яка досягла понад 96 відсотків точності в ідентифікації суб'єктів з хворобою Паркінсона.
Токові коливання при тестуванні іноді були меншими за мікроампер, а дослідницька версія ручки підключалася до підсилювача струму за допомогою кабелю. Зрештою група хотіла б передавати дані щодо бездротового зв'язку з ручки на комп'ютер або смартфон, каже Чен.
Інші застосування магнітопружних матеріалів
М'які магнітні матеріали, схожі на ті, що використовуються для наконечника ручки, іноді звані магнітореологічними еластомерами, досліджуються для різних цілей, включаючи те, як їх властивості змінюються під впливом зовнішнього магнітного поля. Дослідницька група Цзюнь Чена також розглядала можливість використання магнітопружних матеріалів для носіння на шиї для мовної допомоги та більш загальних інтерфейсів людина-машина серед інших застосувань.
Раніше цього року дослідження показало, що у світі близько 12 мільйонів людей живуть із хворобою Паркінсона, і до 2050 року це число подвоїться.
Чен наголошує на важливості більш масштабних досліджень для оцінки корисності ручки. "Не визнання цього не ставить під загрозу обіцянку", - каже він, - "хоча можуть знадобитися багато років або десятиліття, щоб вона нарешті була виконана".
