Die Parkinson-Krankheit ist eine neurodegenerative Erkrankung, von der weltweit schätzungsweise zehn Millionen Menschen betroffen sind. Unter den neurodegenerativen Erkrankungen nimmt Parkinson damit gleich hinter Alzheimer den zweiten Platz ein. Für eine Krankheit, die so weit verbreitet ist, ist es jedoch immer noch schwierig, sie korrekt zu diagnostizieren. Es gibt keine Labor- oder Bildgebungstests, die eine Diagnose bestätigen können, obwohl bestimmte Tests wie MRTs oder Bluttests die Diagnose Morbus Parkinson stützen oder andere Erkrankungen, die Morbus Parkinson nachahmen, ausschließen können. Stattdessen erfordert die Krankheit eine „klinische“ Diagnose, d. h. ein Arzt prüft die Krankengeschichte, die Symptome und die körperliche Untersuchung eines Patienten, um festzustellen, ob er an der Krankheit leidet. Diese Methoden sind jedoch oft ineffizient und es fehlen objektive, quantitative Standards.
Ein Forscherteam der University of California, Los Angeles (UCLA) versucht, eine Alternative zu entwickeln: einen 3D-gedruckten Diagnosestift. Die Anzeichen für Morbus Parkinson sehen bei jedem Menschen anders aus. Zu den häufigsten Symptomen gehören (aber nicht nur) Zittern, langsame Bewegungen und Steifheit. Die Handschrift ist ein Prozess, der kognitive, wahrnehmungsbezogene und feinmotorische Fähigkeiten kombiniert, die alle von Morbus Parkinson betroffen sind. Durch die Analyse von Handschriftmustern könnten die Nutzer wichtige Erkenntnisse und quantitative biometrische Marker für die Diagnose gewinnen.
Ein Parkinson-Patient schreibt mit 3D-gedrucktem Stift. (Bild: Jun Chen in The Guardian)
Ein 3D-gedrucktes Upgrade
Die UCLA-Forscher sind nicht die ersten, die an einen Diagnosestift für Parkinson denken. Tatsächlich sind herkömmliche Handschriftanalysegeräte wie digitale Tablets weit verbreitet. Diese Geräte sind auf die Verfolgung von Handschriftverläufen und die Analyse der daraus resultierenden Schriftspuren spezialisiert, übersehen aber oft die motorischen Symptome, die beim Schreiben auftreten. Darüber hinaus sind diese Instrumente kostspielig und kompliziert einzurichten, was eine breite Einführung und Verwendung in nicht-klinischen Umgebungen erschwert. Die Forscher hatten auch einkommensschwache Länder im Blick, da sie wissen, dass sie nur begrenzten Zugang zu spezialisierten Ressourcen für die Diagnose von Morbus Parkinson haben und nicht über eine ausreichende Anzahl von Neurologen verfügen.
Also machte sich das UCLA-Team daran, ein Werkzeug zu entwickeln, das leichter zugänglich ist und mehr quantitative Ergebnisse liefert. Das Ergebnis war ein Diagnosestift mit einer magnetoelastischen Spitze und einer Ferrofluid-Tinte, die so konzipiert ist, dass sie feine Schreibbewegungen auf der Oberfläche und in der Luft empfindlich in hochgenaue Sensorsignale für eine eigenständige Handschriftenanalyse umwandelt. Mit Blick auf die Skalierbarkeit haben sie eine einfache Schaftstruktur für den Stift entwickelt, die sich effizient im 3D-Druckverfahren herstellen lässt. Das Team druckte den Schaft des Stiftes mit dem F123 Composite-Ready FDM-3D-Drucker von Stratasys.
Wie der Stift funktioniert
Wenn ein Benutzer mit dem Stift schreibt, verformt der Druck die Stiftspitze, was durch den magnetoelastischen Effekt eine Verschiebung des magnetischen Flusses bewirkt. (Der magnetoelastische Effekt bezieht sich auf die Veränderung der magnetischen Eigenschaften eines Materials unter Belastung). Die Veränderung des Magnetflusses in Verbindung mit der Bewegung der Ferrofluid-Tinte während des Schreibens erzeugt Spannungssignale in der umgebenden Spule. Wenn eine Person mit Parkinson mit dem Stift schreibt, sollen die Spannungssignale Anomalien aufweisen, die bei einer normalen Handschrift nicht vorhanden sind, d. h. ein Zittern der Hand, das als zusätzliche kleine Spitzen registriert wird. Mit anderen Worten: Die Handschrift wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, um Unregelmäßigkeiten in der Handschrift zu quantifizieren.
Das UCLA-Team führte eine Pilotstudie mit dem Stift durch, an der 16 Personen teilnahmen, von denen drei an Morbus Parkinson erkrankt waren. Auf Oberflächen und in der Luft schrieben die Teilnehmer Wörter und zeichneten Wellenlinien und Spiralen, um Bewegungen zu erfassen. Anschließend klassifizierten die Forscher mithilfe von Modellen für maschinelles Lernen die Handschriftsignale der Teilnehmer. Nach dem Training konnte eines dieser Modelle Patienten mit Parkinson mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 96,22 % unterscheiden.
Diagramm des 3D-gedruckten Stifts. (Bild UCLA)
Weitere Aussichten
Damit der 3D-gedruckte Stift in der realen Welt eingesetzt werden kann, müssen die Forscher weitere Tests durchführen. Da die UCLA-Studie nur 16 Teilnehmer umfasste, müssen Studien mit einer größeren, vielfältigeren Gruppe von Personen durchgeführt werden, um die Wirksamkeit des Stifts als Diagnoseinstrument zu überprüfen. Darüber hinaus berichtete The Guardian, dass dieser Stift zwar ein guter Indikator für Morbus Parkinson sein könnte, Kliniker jedoch mehr als einen Biomarker zur Diagnose heranziehen sollten, und zitierte Chrystalina Antoniades, eine außerordentliche Professorin für klinische Neurowissenschaften an der Universität Oxford, die nicht an der Arbeit beteiligt war. Antoniades erklärte: „Dieser [Stift] diagnostiziert das Problem mit der Handschrift, das nur eines der vielen Symptome ist, die wir bei unseren Patienten sehen. Aber er kann das ergänzen, was wir bereits gefunden haben, indem er etwas aufgreift, das vielleicht schwer zu sehen ist.“
Es ist zwar klar, dass weitere Forschung notwendig ist, aber das Gerät scheint ein vielversprechendes Instrument zu sein, um eine frühere und genauere Diagnose von Parkinson zu ermöglichen. Um die vollständige Studie der UCLA zu lesen, klicken Sie HIER.
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*Titelbildnachweis: UCLA