帕金森病（Parkinson’s disease）是當(dāng)前全球發(fā)病率增長最快的神經(jīng)退行性疾病之一，被稱為“沉默的殺手”、“慢性癌癥”。其典型表現(xiàn)包括震顫、肌肉強(qiáng)直和運(yùn)動(dòng)遲緩，以及認(rèn)知功能損害、癡呆等，這些癥狀不僅嚴(yán)重影響 1000 萬患者的行動(dòng)能力，也顯著降低了他們的生活質(zhì)量。此外，被認(rèn)為只有老年人才會(huì)得的帕金森病，現(xiàn)在也“盯上”了越來越多的年輕人。

長期以來，帕金森病的診斷與病情監(jiān)測主要依賴對這些運(yùn)動(dòng)癥狀的觀察，這種方法不僅高度依賴操作者本身，效率低下，還缺乏客觀、量化的診斷標(biāo)準(zhǔn)。而且在低收入國家，神經(jīng)科醫(yī)生更為稀缺——每 10 萬人中僅有 0.03 至 0.13 名，進(jìn)一步限制了帕金森病的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與管理。

盡管此前研究發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)癥狀出現(xiàn)前，機(jī)體可能已發(fā)生一系列生物學(xué)變化，如病理性 α- 突觸核蛋白積累、腦脊液中相關(guān)酶水平變化及視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)異常等，但這類生物標(biāo)志物的檢測多依賴復(fù)雜設(shè)備和專業(yè)技術(shù)，難以在基層醫(yī)療場景中廣泛推廣。

因此，開發(fā)一種兼具定量能力、成本低、可廣泛獲取的帕金森病診斷工具，仍是一項(xiàng)尚未滿足的臨床需求。

如今，只需一支筆，即可以高達(dá) 95% 以上的準(zhǔn)確率實(shí)現(xiàn)帕金森病早期輔助檢測。

據(jù)介紹，這一裝有磁性墨水的“診斷筆”出自加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）生物工程系終身教授 Jun Chen 實(shí)驗(yàn)室，通過人工智能（AI）技術(shù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)分析，能夠識別帕金森病患者與健康人群手寫特征的差異，有望實(shí)現(xiàn)更早診斷。

相關(guān)研究論文以“Neural network-assisted personalized handwriting analysis for Parkinson’s disease diagnostics”為題，已發(fā)表在 Nature 子刊 Nature Chemical Engineering 上。論文通訊作者為加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的生物工程系終身教授、生物電子實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人 Jun Chen。

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論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44286-025-00219-5

研究團(tuán)隊(duì)表示，這種診斷筆可能代表一種低成本、準(zhǔn)確且易于大規(guī)模分發(fā)的技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)早期、廣泛的篩查，在未來具備廣泛推廣的潛力，有望填補(bǔ)當(dāng)前臨床診斷中的關(guān)鍵空白。

手寫識別帕金森病？AI 來幫忙

據(jù)論文描述，這款診斷筆主要由磁彈性筆尖和鐵磁流體墨水兩部分組成。筆尖中的磁性顆粒嵌入硅膠基底，可感知書寫過程中的壓力變化并產(chǎn)生磁場，而鐵磁流體墨水對這些磁場變化產(chǎn)生響應(yīng)，進(jìn)而生成可記錄的電壓信號。

從材料微觀結(jié)構(gòu)到功能響應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)對磁彈性筆尖和鐵磁流體墨水的性能進(jìn)行了系統(tǒng)測試，并發(fā)現(xiàn)其在長期使用后仍能保持穩(wěn)定的磁性與黏度，不存在顯著衰減。

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圖｜磁彈性診斷筆的設(shè)計(jì)和工作原理。

診斷筆的結(jié)構(gòu)與組成：

a. 用于個(gè)性化書寫分析和帕金森病（帕金森病）診斷的診斷筆示意圖。

b. 診斷筆由磁彈性筆尖和鐵磁流體墨水組成，筆尖由嵌入硅膠基質(zhì)中的磁性顆粒構(gòu)成。

c. 鐵磁流體墨水由單域納米磁體組成。

材料的微觀結(jié)構(gòu)與形貌：

d、e. 磁彈性筆尖材料在兩種不同狀態(tài)下的微計(jì)算機(jī)斷層掃描（Micro-CT）圖像：原始狀態(tài)（拉伸前）和變形狀態(tài)（拉伸后）。標(biāo)尺，1.5 毫米。

f. 磁性納米顆粒的透射電子顯微鏡圖像。標(biāo)尺，25 納米。

g. 鐵磁流體墨水在不同外部磁場下的表面形貌，由表面張力、重力和電磁應(yīng)力的平衡所決定。標(biāo)尺，3 毫米。

磁場分布與材料性能：

h. 磁彈性筆尖沿垂直方向的磁場分布。

i. 鐵磁流體墨水的黏度（紅色）和磁彈性筆尖–鐵磁流體墨水系統(tǒng)的磁性特性（藍(lán)色）在長期使用前后樣品之間沒有明顯變化。數(shù)據(jù)以均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差表示；黏度實(shí)驗(yàn) n=3，磁通量測試點(diǎn) n=5。通過雙尾 t 檢驗(yàn)確定顯著性。NS，不顯著。

j. 在施加力的情況下，磁彈性筆尖不同垂直距離處的磁通量變化的絕對值。

為驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)用性，研究團(tuán)隊(duì)在 UCLA 的 Ronald Reagan 醫(yī)療中心開展了初步人體研究。參與者包括帕金森病患者與健康志愿者，所有人均簽署知情同意書后，完成了一系列書寫任務(wù)：1. 繪制連續(xù)波浪線；2. 繪制連續(xù)螺旋線； 3. 書寫六個(gè)大寫字母“MEGPEN”。以上三項(xiàng)任務(wù)分別在紙面和空中完成，同時(shí)采集相關(guān)電流信號。

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圖｜個(gè)性化書寫分析。

a. 用診斷筆做個(gè)性化書寫分析的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

b. 用診斷筆在紙上連續(xù)畫波浪線（任務(wù)1），畫了三輪，記錄下來的電流信號。

c. 用診斷筆在紙上畫螺旋線（任務(wù)2），也是畫了三輪，記錄下來的電流信號。

d. 用診斷筆在紙上寫字母（任務(wù)3），同樣畫了三輪，記錄下來的電流信號。

（A.U.代表“任意單位”）

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基于積累的傳感信號，研究團(tuán)隊(duì)得出以下結(jié)論：

診斷筆可高保真記錄紙面和空中書寫運(yùn)動(dòng)信號，尤其是紙面書寫會(huì)因筆尖變形與墨水流動(dòng)引起電流值上升；

與繪制波浪線或螺旋線相比，書寫字母時(shí)的峰值電流更高，因其涉及更復(fù)雜的動(dòng)態(tài)交互；

可以從這些任務(wù)中提取定量書寫參數(shù)，可提取出諸如峰值電流周期等量化參數(shù)，這些變化與個(gè)體書寫經(jīng)驗(yàn)和動(dòng)作差異密切相關(guān)。

最后，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)施了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助分析，以區(qū)分帕金森病患者的書寫信號和健康人群的書寫信號。他們評估了三種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型：

一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D CNN）

帶有長短期記憶結(jié)構(gòu)的 1D CNN + LSTM

三種傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法（隨機(jī)森林、XGBoost、邏輯回歸）

數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后被分割為均勻片段，為避免訓(xùn)練與測試數(shù)據(jù)污染，研究者使用了來自不同個(gè)體的信號進(jìn)行分組測試。最終實(shí)驗(yàn)共重復(fù) 10 次，每次采用不同隨機(jī)種子，比較各模型在準(zhǔn)確率、精確率、召回率和 F1 分?jǐn)?shù)上的表現(xiàn)。

作者：錦鯉結(jié)果顯示，1D CNN 模型在各項(xiàng)指標(biāo)上表現(xiàn)最佳，準(zhǔn)確率達(dá) 0.9622 ± 0.0251，F(xiàn)1 分?jǐn)?shù)為 0.9266 ± 0.0523，表明其在提取局部特征方面尤為出色。該模型對健康參與者的召回率為 0.9795，精確率為 0.9701；對帕金森病患者的召回率為 0.9150，精確率為 0.9432，既能有效避免漏診（假陰性），也能降低誤診（假陽性）率。

臨床潛力與展望

研究結(jié)果表明，這款結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的書寫分析流程的診斷筆，在帕金森病診斷中展現(xiàn)出顯著潛力。研究團(tuán)隊(duì)的模型對比分析顯示，相比捕捉長距離依賴關(guān)系，識別書寫信號中的短距離相關(guān)性更為關(guān)鍵。這與臨床觀察和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致——帕金森病患者的書寫信號常表現(xiàn)為微小峰值等局部異常特征，這對精準(zhǔn)識別至關(guān)重要。

特別的是，這些發(fā)現(xiàn)基于初步人體研究所得的書寫數(shù)據(jù)，隨著未來臨床試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的積累，更復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)，如基于 Transformer 的架構(gòu)可能成為首選。

不同于傳統(tǒng)筆跡微觀測量，該診斷筆關(guān)注書寫過程中的動(dòng)作特征，能更直接反映帕金森病相關(guān)的運(yùn)動(dòng)癥狀，規(guī)避了因個(gè)體書寫風(fēng)格差異帶來的偏差，提供更聚焦于癥狀本質(zhì)的評估方式。

相較于視頻監(jiān)測，該設(shè)備在成本、易用性、隱私保護(hù)與推廣性方面更具優(yōu)勢：其設(shè)計(jì)簡潔，無需專業(yè)操作，適用于日常環(huán)境；用戶只需進(jìn)行日常書寫即可完成評估，且設(shè)備不會(huì)采集身份識別信息，保障隱私。其低成本、便攜性和易用性使其尤其適用于那些因癥狀不典型或缺乏檢測資源而未能及時(shí)確診的患者。

然而，研究團(tuán)隊(duì)也表示，當(dāng)前研究仍基于小樣本量的初步試驗(yàn)，后續(xù)應(yīng)擴(kuò)大研究對象，納入更多樣化的帕金森病患者群體，以進(jìn)一步驗(yàn)證其作為數(shù)字生物標(biāo)志物的有效性，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化臨床評估體系提升其臨床適用性。該研究通過分析 13 名健康受試者的書寫信號，成功識別出 3 名帕金森病患者，但現(xiàn)階段所用的分類模型尚不適用于縱向監(jiān)測或病情分級。后續(xù)研究應(yīng)引入不同階段、病情程度明確的患者，探索其在病程追蹤中的潛力。

該研究聚焦于帕金森病對主手的影響，這與帕金森病常呈非對稱性運(yùn)動(dòng)障礙的臨床特征相符。已有研究表明，帕金森病多首發(fā)于主手，無論左右撇子，未來也應(yīng)關(guān)注那些主要影響非主手的少數(shù)群體，進(jìn)一步分析其書寫特征差異。

診斷筆的性能依賴于鐵磁流體墨水與軟磁彈性筆尖的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性。未來可通過調(diào)控磁性顆粒間相互作用，優(yōu)化其穩(wěn)定性、靈敏度和頻率響應(yīng)范圍，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)設(shè)計(jì)。隨著實(shí)際應(yīng)用的推進(jìn)，設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)量將大幅增加，需同步提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。未來可將存儲(chǔ)模塊集成至筆內(nèi)，并加入無線同步功能，實(shí)現(xiàn)與個(gè)性化云端數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)連接，優(yōu)化使用體驗(yàn)。

當(dāng)前，書寫分析仍依賴外部終端運(yùn)行模型，未來可探索在筆內(nèi)嵌入傳感器級計(jì)算模塊，以增強(qiáng)其獨(dú)立性，提升其在資源有限環(huán)境下的適應(yīng)力。

同時(shí)，數(shù)據(jù)隱私的系統(tǒng)化管理也至關(guān)重要。建立健全的隱私機(jī)制，將有助于推動(dòng)匿名數(shù)據(jù)共享，為大規(guī)模科研或眾包健康研究提供支持，進(jìn)一步促進(jìn)帕金森病管理水平的提升。

鑒于其廣泛的科研與社會(huì)價(jià)值，這項(xiàng)診斷筆技術(shù)預(yù)計(jì)將在學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和臨床領(lǐng)域均具有潛在影響力，同時(shí)也有望促進(jìn)物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生物工程與神經(jīng)科學(xué)等鄰近學(xué)科之間的交流與合作。

作者：錦鯉

來源: 學(xué)術(shù)頭條