Nature子刊：加州大學(xué)推出低成本3D打印人工智能磁筆，可用于診斷早期帕金森病

2025年6月4日，南極熊獲悉，加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的研究人員發(fā)明了一支 3D 打印筆，可以檢測(cè)筆跡中的細(xì)微震顫，為診斷帕金森病提供了潛在的工具。

整體裝置由陳俊教授領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)，依靠磁性粒子和電信號(hào)記錄與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。陳教授解釋說(shuō)，這支筆通過(guò)測(cè)量書寫時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)來(lái)量化書寫過(guò)程中的震顫。

研究團(tuán)隊(duì)的成果以題為“Neural network-assistedpersonalized handwriting analysis for Parkinson’s disease diagnostics”的論文發(fā)表在《自然化學(xué)工程》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44286-025-00219-5

研究表明，這種低成本的筆式系統(tǒng)可能是一種實(shí)用的診斷選擇，尤其是在缺乏先進(jìn)醫(yī)療檢測(cè)的地區(qū)。陳教授表示，3D 打印筆系統(tǒng)非常經(jīng)濟(jì)高效，低收入國(guó)家也能完全使用，他預(yù)計(jì)這套系統(tǒng)最終將與智能手機(jī)應(yīng)用程序連接，以簡(jiǎn)化分析。

△磁致彈性診斷筆的設(shè)計(jì)和工作原理。圖片來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校。

重新思考全球疾病的診斷

帕金森病影響著全球超過(guò)1000萬(wàn)人，其癥狀包括震顫、肌肉僵硬和動(dòng)作遲緩，這些癥狀通常出現(xiàn)得比較慢。加州大學(xué)洛杉磯分校的研究團(tuán)隊(duì)表示，早期發(fā)現(xiàn)是獲得更好治療和支持的關(guān)鍵，但診斷通常依賴于主觀評(píng)估或昂貴的生物標(biāo)志物檢測(cè)，而這些檢測(cè)需要先進(jìn)的設(shè)備和訓(xùn)練有素的專業(yè)人員。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款3D打印筆，特點(diǎn)是柔軟的硅膠筆尖內(nèi)嵌磁性顆粒，并搭配了一種含有細(xì)小顆粒的墨水，這些顆粒在筆尖移動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)磁場(chǎng)做出反應(yīng)。當(dāng)人們書寫或繪畫時(shí)，筆尖的磁性會(huì)發(fā)生變化，從而在筆內(nèi)的線圈中產(chǎn)生電壓。

這些電壓變化會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，追蹤書寫時(shí)手部的運(yùn)動(dòng)。在研究中，參與者在表面和空中繪制波浪線、螺旋線等形狀，或書寫字母，同時(shí)筆會(huì)記錄下精確的運(yùn)動(dòng)模式。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型分析記錄的信號(hào)，并識(shí)別可能指向帕金森病的模式。在一項(xiàng)有16名參與者（其中3名患有帕金森病）參與的小型試點(diǎn)研究中，其中一個(gè)模型在識(shí)別健康參與者和帕金森病患者方面的平均準(zhǔn)確率超過(guò)96.22%。

雖然這些初步結(jié)果看起來(lái)很有希望，但一些專家認(rèn)為需要更多的數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)智能磁筆作為診斷工具的潛力。

牛津大學(xué)臨床神經(jīng)科學(xué)副教授克里斯塔利娜·安東尼亞德斯博士指出，雖然筆跡變化可能是帕金森病的征兆，但也必須考慮其他癥狀。她表示，這支筆可以作為一種額外的診斷工具，而非一個(gè)完整的解決方案。

此外，英國(guó)帕金森協(xié)會(huì)研究傳播經(jīng)理貝基·瓊斯表示，這種筆式方法令人鼓舞，但她指出這項(xiàng)研究的規(guī)模較小。她指出，目前還沒(méi)有針對(duì)帕金森病的單一檢測(cè)方法，而筆跡變化可以作為早期線索。瓊斯呼吁開展更大規(guī)模、更多樣化的研究，以更好地了解這種方法如何幫助更早、更準(zhǔn)確地診斷。

△神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助個(gè)性化筆跡分析用于帕金森病診斷，并進(jìn)行了人體試驗(yàn)研究。圖片來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校。

帕金森病治療中的3D打印研究

除了加州大學(xué)洛杉磯分校的研究之外，3D 打印技術(shù)還被應(yīng)用于帕金森病的其他研究中，研究其如何增強(qiáng)治療和藥物輸送。

2020年，英國(guó)工程公司雷尼紹與制藥專家Herantis Pharma完成了1-2期臨床試驗(yàn)，以研究一種治療帕金森病的新型藥物輸送裝置。裝置采用3D打印鈦金屬端口和植入式導(dǎo)管，旨在將腦多巴胺神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（CDNF）直接輸送至大腦。當(dāng)時(shí)，共有17名患者參與，他們接受安慰劑或每月一次的CDNF治療，持續(xù)六個(gè)月。初步結(jié)果表明，該裝置安全精準(zhǔn)，為治療提供了一種頗具前景的方案。

幾年前，諾丁漢大學(xué)的科學(xué)家和葛蘭素史克（GSK）證明，噴墨3D打印與紫外線固化相結(jié)合可以生產(chǎn)固體口服劑型藥物。在他們的研究中，他們使用改進(jìn)的Dimatix Materials 打印機(jī) DMP-2850制作了 25 片鹽酸羅匹尼羅（一種用于治療不安腿綜合征 (RLS) 和帕金森病的藥物）片劑。這種方法可以精確、低成本地生產(chǎn)具有控釋特性的片劑。研究團(tuán)隊(duì)表示，這種方法可以為個(gè)性化醫(yī)療和小規(guī)模臨床試驗(yàn)打開大門，并且可以更輕松地調(diào)整片劑形狀和藥物輸送特性。