神經(jīng)肌肉系統(tǒng)是人體最重要的動能系統(tǒng)，一旦因各類疾病出了問題，如中風(fēng)、肌萎縮側(cè)索硬化（ALS，Amyotrophic Lateral Sclerosis）以及先天性肌性斜頸等，對于患者造成的影響不容小覷。
中風(fēng)是導(dǎo)致成年人殘疾的主要原因之一，全球有超過 1 億人因此殘疾；ALS 在早期很難被發(fā)現(xiàn)；而先天性肌性斜頸雖然發(fā)病率不高，但如果不及時干預(yù)，可能會影響孩子一輩子的健康。
所以，我們亟需一種更有效的檢測方法，以便盡早發(fā)現(xiàn)問題與治療。從技術(shù)角度來看，現(xiàn)有的檢測方法類似“單打獨(dú)斗”。比如，傳統(tǒng)超聲設(shè)備可以看肌肉的結(jié)構(gòu)，但它又大又硬，不適合長時間監(jiān)測，而且傳統(tǒng)超聲需要醫(yī)生按壓檢查，雖然可以用來觀察內(nèi)臟，但在檢查肌肉時，一按壓，靠近皮膚的肌肉就已經(jīng)變形了，數(shù)據(jù)就會不準(zhǔn)確。另一方面，肌電圖（EMG，Electromyography）可以檢測肌肉的電信號，但它只能反映功能信息，看不到結(jié)構(gòu)變化。
如果兩種方法單獨(dú)使用，很可能因信息不全面而導(dǎo)致誤診。舉個例子，對于先天性肌性斜頸來說，早期用超聲可能看不出問題，但肌電圖能發(fā)現(xiàn)異常。等到后期，超聲又能看到肌肉纖維化的細(xì)節(jié)。所以，如果能同時檢測結(jié)構(gòu)和功能信息，就能更全面地了解肌肉的狀態(tài)。
但是，肌肉是會變形的，而且目前還沒有一種設(shè)備能同時做超聲成像和肌電監(jiān)測。所以，在鄭海榮院士和李光林研究員的指導(dǎo)下，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的劉志遠(yuǎn)研究員、馬騰研究員、田瓊副研究員開始探討：能不能設(shè)計一種新系統(tǒng)，把這兩種檢測結(jié)合起來？于是，他們開展了這項研究。
研究團(tuán)隊希望能夠解決傳統(tǒng)檢測技術(shù)的局限性，讓它們更可靠、更實用。通過同時采集肌肉的超聲圖像和肌電信號，希望為神經(jīng)肌肉疾病的早期診斷、康復(fù)評估和健康管理提供一種更全面、更精準(zhǔn)的工具。
通過本次研究他們研發(fā)出一種“可穿戴結(jié)構(gòu)-功能傳感貼片”（WSFP，Wearable Structural-Functional Sensing Patch）。簡單來說，它是一個貼在皮膚上的小設(shè)備，能把柔性超聲換能器和柔軟可拉伸電極集成在一起，可以同時檢測肌肉的結(jié)構(gòu)信息和電信號。最厲害的是，即使皮膚變形 40%，它也能穩(wěn)穩(wěn)地工作，數(shù)據(jù)采集完全不受影響。
研究團(tuán)隊為貼片加了一個“應(yīng)力釋放層”。傳統(tǒng)超聲探頭一按下去肌肉就會變形，測出來的數(shù)據(jù)就會不準(zhǔn)確。但是，本貼片則能保證成像結(jié)果真實可靠。
具體來說，這個貼片大約有 4.5 毫米厚，其中 2 毫米是柔軟可拉伸的電極。這個電極能拉伸到原來的 5 倍，還能同時收集 10 個通道的肌電信號。更重要的是，它還能當(dāng)“緩沖層”，釋放皮膚變形時對超聲換能器的壓力，以便讓設(shè)備更加穩(wěn)定。
研究中，課題組還發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象。比如，在監(jiān)測健康人的肌肉時，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)肌肉一收縮，它的厚度和面積會變小，但是肌電信號的強(qiáng)度卻會變大。這兩者的變化是相反的，這讓研究團(tuán)隊更清楚地看到了肌肉結(jié)構(gòu)和功能之間的動態(tài)聯(lián)系。
據(jù)介紹，WSFP 有望在多種場景發(fā)揮作用。
在醫(yī)療方面，能用于及早診斷和監(jiān)測多種神經(jīng)肌肉疾病。比如，對于先天性肌性斜頸患兒，其能更準(zhǔn)確地檢查和評估病情，給制定個性化治療方案提供依據(jù)。對于肌萎縮側(cè)索硬化、中風(fēng)等疾病患者，讓他們長期戴著這個貼片，就能實時看到他們的肌肉結(jié)構(gòu)和功能的變化，方便醫(yī)生及時調(diào)整治療方案。在康復(fù)治療上，能幫康復(fù)師了解患者肌肉恢復(fù)情況，優(yōu)化康復(fù)訓(xùn)練計劃。患者做康復(fù)訓(xùn)練的時候，這個貼片能同時監(jiān)測肌肉活動，反饋訓(xùn)練效果，提高康復(fù)效率。
在運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域，運(yùn)動員訓(xùn)練時戴上它，教練和科研人員能通過監(jiān)測肌肉狀態(tài)，不僅能合理安排訓(xùn)練強(qiáng)度，預(yù)防運(yùn)動損傷，還能為運(yùn)動員的體能訓(xùn)練和技術(shù)動作優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。
據(jù)介紹，研究團(tuán)隊的成員來自材料科學(xué)、電子工程、生物醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域。課題定下來后，大家就各自行動，籌備實驗設(shè)備和材料，還和深圳市兒童醫(yī)院合作以便讓實驗?zāi)茼樌M(jìn)行。
研發(fā) WSFP 的時候，為了解決柔性超聲換能器在皮膚變形時容易脫落、成像不穩(wěn)定的問題，研究團(tuán)隊嘗試了多種材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。做了大量實驗后，最后使用 Ecoflex 材料做應(yīng)力緩解層，并確定了 2mm 的最佳厚度。
在優(yōu)化電極性能上，研究團(tuán)隊在 Ecoflex 上通過熱蒸鍍金來做可拉伸電極，以及使用液態(tài)金屬連接電極和柔性印刷電路板，還給電極監(jiān)測點(diǎn)做了 Ag/AgCl 電鍍處理，以便能夠降低阻抗和提高信號采集質(zhì)量。
器件制備好之后，他們開始進(jìn)行性能測試和數(shù)據(jù)分析，包括全面測試柔性超聲換能器的中心頻率和帶寬等聲學(xué)性能，還有電極的拉伸性、接觸阻抗等電學(xué)性能。
在證明 WSFP 在各方面具備優(yōu)異性能之后，研究團(tuán)隊首先在正常受試者中進(jìn)行原位雙模態(tài)結(jié)構(gòu)-功能同步監(jiān)測，分別對前臂、背部和頸部的肌肉進(jìn)行了雙模態(tài)監(jiān)測，實驗過程中這三個部位的形變分別達(dá)到了 7.2%、26.8%、37.5%。
WSFP 在整個監(jiān)測過程中表現(xiàn)優(yōu)異，實現(xiàn)了完整實驗過程中的肌肉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定超聲成像和 EMG 信號的高質(zhì)量采集。通過對正常受試者的數(shù)據(jù)分析，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)肌肉厚度變化與肌電信號均方根值之間的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，揭示了肌肉結(jié)構(gòu)與功能的動態(tài)耦合規(guī)律。
最后是臨床驗證階段。研究團(tuán)隊在先天性肌性斜頸患兒身上都做了實驗，并收集了大量數(shù)據(jù)。深入分析后發(fā)現(xiàn)，本次貼片在識別動作和診斷疾病方面很準(zhǔn)確，能夠有效反映肌肉結(jié)構(gòu)和功能的變化。
由于本次研究需要依賴一套專門的設(shè)備來采集病人的數(shù)據(jù)，但這套設(shè)備既笨重又精密，因此給研究團(tuán)隊帶來了不小的挑戰(zhàn)。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，他們需要多次前往醫(yī)院實地采集，而設(shè)備的搬運(yùn)和調(diào)試都讓這個過程變得格外復(fù)雜。
劉志遠(yuǎn)的學(xué)生們?yōu)榱送瓿啥鄠€病人的數(shù)據(jù)采集，多次搬運(yùn)實驗設(shè)備往返實驗室和醫(yī)院，設(shè)備的重量讓每次搬運(yùn)都耗費(fèi)大量體力，而在醫(yī)院環(huán)境中操作時，還要小心翼翼地不影響到病人的舒適和安全。除此之外，采集數(shù)據(jù)的時間并不固定，需要根據(jù)病人的情況隨時調(diào)整。經(jīng)過上述努力，最終他們完成了本次研究。
日前，相關(guān)論文以《通過集成的多模態(tài)可穿戴貼片進(jìn)行動態(tài)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的原位結(jié)構(gòu)-功能同步解析》（In situ structural-functional synchronous dissection of dynamic neuromuscular system via an integrated multimodal wearable patch）為題發(fā)在Science Advances[1]，趙行、陳偉岑、李沅衡是論文共同一作，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉志遠(yuǎn)研究員、馬騰研究員、田瓊副研究員、東華大學(xué)嚴(yán)威教授為共同通訊作者。
基于這項研究，研究團(tuán)隊制定了一系列后續(xù)計劃。首先，其將優(yōu)化柔性超聲陣列。目前的柔性超聲換能器（FUT，flexible ultrasound transducer）雖然性能不錯，但研究團(tuán)隊希望它能更柔軟、可拉伸，以便進(jìn)一步提高佩戴舒適度。
不過，這面臨著在 PZT 元件位置動態(tài)變化時保證高質(zhì)量超聲成像的挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊計劃研發(fā)真正可拉伸的超聲成像陣列，以及適配的新器件系統(tǒng)與算法，確保在極端動態(tài)條件下，也能實現(xiàn)穩(wěn)定、清晰的成像。
其次，其將增加 WSFP 的傳感模態(tài)。在結(jié)構(gòu)成像方面，考慮集成光學(xué)成像技術(shù)，獲取更多肌肉結(jié)構(gòu)信息；在功能監(jiān)測方面，納入血氧血流信號，更全面地了解肌肉功能狀態(tài)。同時，目前缺乏可靠的結(jié)構(gòu)和功能信號融合與處理方法，研究團(tuán)隊將重點(diǎn)研究這一領(lǐng)域，提高數(shù)據(jù)處理效率和分析準(zhǔn)確性。
此外，其將拓展 WSFP 在更多神經(jīng)肌肉疾病中的應(yīng)用研究，如進(jìn)一步探索其在肌萎縮側(cè)索硬化、中風(fēng)后肌肉功能恢復(fù)等方面的應(yīng)用潛力，為這些疾病的治療和康復(fù)提供更有力的支持。
總的來說，雖然研究團(tuán)隊已經(jīng)成功研制出前端柔性傳感貼片、在雙模態(tài)同步采集肌肉結(jié)構(gòu)與功能信息方面實現(xiàn)了技術(shù)突破，但仍存在一些有待完善之處。比如，現(xiàn)有的肌電與超聲采集設(shè)備各自獨(dú)立運(yùn)行，且后端硬件設(shè)備體積較大。
未來，研究團(tuán)隊非常希望能夠與臨床專家、工程師以及產(chǎn)業(yè)界的同仁開展合作。希望能通過優(yōu)化硬件設(shè)計、研發(fā)專用芯片等措施，全力推進(jìn)雙模態(tài)同步采集設(shè)備的小型化與集成化進(jìn)程，從而讓這項技術(shù)盡快從實驗室走向臨床應(yīng)用，為患者帶來更高效、精準(zhǔn)的診斷和治療方案。
參考資料：
1.Zhao,H. et al. In situ structural-functional synchronous dissection of dynamic neuromuscular system via an integrated multimodal wearable patch.Science Advances11,2(2025). DOI: 10.1126/sciadv.ads1486
運(yùn)營/排版：何晨龍
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