神經(jīng)肌肉系統(tǒng)是人體最重要的動(dòng)能系統(tǒng)，一旦因各類疾病出了問(wèn)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(duì)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(guò) 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(shí)干預(yù)，可能會(huì)影響孩子一輩子的健康。

所以，我們亟需一種更有效的檢測(cè)方法，以便盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與治療。從技術(shù)角度來(lái)看，現(xiàn)有的檢測(cè)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(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，而且傳統(tǒng)超聲需要醫(yī)生按壓檢查，雖然可以用來(lái)觀察內(nèi)臟，但在檢查肌肉時(shí)，一按壓，靠近皮膚的肌肉就已經(jīng)變形了，數(shù)據(jù)就會(huì)不準(zhǔn)確。另一方面，肌電圖（EMG，Electromyography）可以檢測(cè)肌肉的電信號(hào)，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(gè)例子，對(duì)于先天性肌性斜頸來(lái)說(shuō)，早期用超聲可能看不出問(wèn)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(shí)檢測(cè)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(huì)變形的，而且目前還沒(méi)有一種設(shè)備能同時(shí)做超聲成像和肌電監(jiān)測(cè)。所以，在鄭海榮院士和李光林研究員的指導(dǎo)下，中國(guó)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(kāi)始探討：能不能設(shè)計(jì)一種新系統(tǒng)，把這兩種檢測(cè)結(jié)合起來(lái)？于是，他們開(kāi)展了這項(xiàng)研究。

圖 | 劉志遠(yuǎn)課題組（來(lái)源：劉志遠(yuǎn)）

研究團(tuán)隊(duì)希望能夠解決傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的局限性，讓它們更可靠、更實(shí)用。通過(guò)同時(shí)采集肌肉的超聲圖像和肌電信號(hào)，希望為神經(jīng)肌肉疾病的早期診斷、康復(fù)評(píng)估和健康管理提供一種更全面、更精準(zhǔn)的工具。

通過(guò)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)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(shí)檢測(cè)肌肉的結(jié)構(gòu)信息和電信號(hào)。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(duì)為貼片加了一個(gè)“應(yīng)力釋放層”。傳統(tǒng)超聲探頭一按下去肌肉就會(huì)變形，測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)就會(huì)不準(zhǔn)確。但是，本貼片則能保證成像結(jié)果真實(shí)可靠。

具體來(lái)說(shuō)，這個(gè)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(gè)電極能拉伸到原來(lái)的 5 倍，還能同時(shí)收集 10 個(gè)通道的肌電信號(hào)。更重要的是，它還能當(dāng)“緩沖層”，釋放皮膚變形時(shí)對(duì)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(cè)健康人的肌肉時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)肌肉一收縮，它的厚度和面積會(huì)變小，但是肌電信號(hào)的強(qiáng)度卻會(huì)變大。這兩者的變化是相反的，這讓研究團(tuán)隊(duì)更清楚地看到了肌肉結(jié)構(gòu)和功能之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系。

據(jù)介紹，WSFP 有望在多種場(chǎng)景發(fā)揮作用。

在醫(yī)療方面，能用于及早診斷和監(jiān)測(cè)多種神經(jīng)肌肉疾病。比如，對(duì)于先天性肌性斜頸患兒，其能更準(zhǔn)確地檢查和評(píng)估病情，給制定個(gè)性化治療方案提供依據(jù)。對(duì)于肌萎縮側(cè)索硬化、中風(fēng)等疾病患者，讓他們長(zhǎng)期戴著這個(gè)貼片，就能實(shí)時(shí)看到他們的肌肉結(jié)構(gòu)和功能的變化，方便醫(yī)生及時(shí)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(jì)劃?；颊咦隹祻?fù)訓(xùn)練的時(shí)候，這個(gè)貼片能同時(shí)監(jiān)測(cè)肌肉活動(dòng)，反饋訓(xùn)練效果，提高康復(fù)效率。

在運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)戴上它，教練和科研人員能通過(guò)監(jiān)測(cè)肌肉狀態(tài)，不僅能合理安排訓(xùn)練強(qiáng)度，預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷，還能為運(yùn)動(dòng)員的體能訓(xùn)練和技術(shù)動(dòng)作優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)的成員來(lái)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(lái)后，大家就各自行動(dòng)，籌備實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料，還和深圳市兒童醫(yī)院合作以便讓實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行。

研發(fā) WSFP 的時(shí)候，為了解決柔性超聲換能器在皮膚變形時(shí)容易脫落、成像不穩(wěn)定的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)嘗試了多種材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。做了大量實(shí)驗(yàn)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(duì)在 Ecoflex 上通過(guò)熱蒸鍍金來(lái)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(cè)點(diǎn)做了 Ag/AgCl 電鍍處理，以便能夠降低阻抗和提高信號(hào)采集質(zhì)量。

器件制備好之后，他們開(kāi)始進(jìn)行性能測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，包括全面測(cè)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(duì)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(cè)，分別對(duì)前臂、背部和頸部的肌肉進(jìn)行了雙模態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中這三個(gè)部位的形變分別達(dá)到了 7.2%、26.8%、37.5%。

WSFP 在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中表現(xiàn)優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)了完整實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的肌肉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定超聲成像和 EMG 信號(hào)的高質(zhì)量采集。通過(guò)對(duì)正常受試者的數(shù)據(jù)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)肌肉厚度變化與肌電信號(hào)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(dòng)態(tài)耦合規(guī)律。

最后是臨床驗(yàn)證階段。研究團(tuán)隊(duì)在先天性肌性斜頸患兒身上都做了實(shí)驗(yàn)，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(shí)別動(dòng)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(mén)的設(shè)備來(lái)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(duì)帶來(lái)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(shí)地采集，而設(shè)備的搬運(yùn)和調(diào)試都讓這個(gè)過(guò)程變得格外復(fù)雜。

劉志遠(yuǎn)的學(xué)生們?yōu)榱送瓿啥鄠€(gè)病人的數(shù)據(jù)采集，多次搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備往返實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)間并不固定，需要根據(jù)病人的情況隨時(shí)調(diào)整。經(jīng)過(guò)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(guò)集成的多模態(tài)可穿戴貼片進(jìn)行動(dòng)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(guó)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。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Science Advances）

基于這項(xiàng)研究，研究團(tuán)隊(duì)制定了一系列后續(xù)計(jì)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(cuò)，但研究團(tuán)隊(duì)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(guò)，這面臨著在 PZT 元件位置動(dòng)態(tài)變化時(shí)保證高質(zhì)量超聲成像的挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)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(dòng)態(tài)條件下，也能實(shí)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(cè)方面，納入血氧血流信號(hào)，更全面地了解肌肉功能狀態(tài)。同時(shí)，目前缺乏可靠的結(jié)構(gòu)和功能信號(hào)融合與處理方法，研究團(tuán)隊(duì)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(lái)說(shuō)，雖然研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(lái)，研究團(tuán)隊(duì)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(kāi)展合作。希望能通過(guò)優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)、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(xiàng)技術(shù)盡快從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用，為患者帶來(lái)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(yíng)/排版：何晨龍