Science Advances | 柔性超声-电生理 “膏药贴”：实现人体“结构与功能”同步原位监测的柔性贴片

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在全球范围内，神经肌肉系统异常已经成为人类致病致残的首要原因，对肌肉组织的结构与功能的原位实时监测是实现神经肌肉疾病诊断与功能康复的重要手段。然而，传统可穿戴式监测系统鲜少实现实时原位的人体组织“结构与功能”的原位监测，与此同时，对于超声结构成像而言，传统硬质超声设备在成像工程中需要给探头施加外力，以保障探头与皮肤在耦合剂的作用下紧密接触，保证成像质量，这对于内脏结构成像影响不大，但对于肌肉组织情况则大大不同：肌肉在压力下会产生较大形变，此时对肌肉的结构成像已经不是其本来的结构（如视频1所示）。而且，肌肉在动态运动中有着高达40%的形变，硬质传感器难以共形随动监测，为病因病程的评估带来了巨大的挑战。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）刘志远研究员、马腾研究员、田琼副研究员及东华大学严威教授联合开发了一种适用于动态神经肌肉系统的结构功能双模态信息监测的柔性贴片，为这一难题提供了创新解法；其中，马腾研究员专注柔性超声贴片与多功能成像技术的深入研究，刘志远研究员致力于可拉伸电极的界面材料与器件结构的研发。该工作以“In situ structural-functional synchronous dissection of dynamic neuromuscular system via an integrated multimodal wearable patch”为题发表于Science Advances，深圳先进院博士生赵行、陈伟岑、李沅衡（宁波诺丁汉大学联合培养）为本论文的共同第一作者，深圳先进院为第一单位。该研究由国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金计划资助，并获得朱美芳院士、郑海荣院士、李光林研究员的大力指导与支持！

视频1 传统刚性超声探头成像需要对皮肤施加压力，可见肌肉结构改变

同步监测结构与功能信息的可穿戴传感贴

该研究开发了一种可穿戴结构-功能双模态传感贴（WSFP），融合了柔性超声成像阵列与柔软可拉伸电极。该贴片创新设计了形变缓冲层结构（如视频2和3所示），不仅实现了肌肉结构的高保真成像，还能同步捕获动态肌肉电生理信号（EMG），实现了真正意义上的生理结构信息与功能信息的双模态同步监测（如视频4和5所示）。无论是长达72小时的佩戴，还是应对皮肤高达37.5%的动态形变，它都表现出色！

视频2 颈部旋转过程中2毫米缓冲层柔性超声阵列的动态稳定成像

视频3 颈部旋转过程中没有缓冲层的柔性超声成像失败

视频4 健康人弯腰过程中背部竖脊肌的结构与功能双模态同步监测

视频5 健康人多种颈部运动过程中胸锁乳突肌的结构与功能双模态同步监测

图1 用于原位同步监测肌肉超声结构成像与肌电功能信号的可穿戴贴片概述：(a) 图片展示了针对胸锁乳突肌（SCM）的双模态监测：该肌肉在日常生活中会出现约30%的较大变形；结构-功能同步监测有助于精确诊断该肌肉的纤维化疾病。(b) WSFP的集成（i）和分层（ii）结构展示，以及单独的应力释放（SR）层（iii）和柔性超声换能器（FUT）（iv）的实物图像；比例尺：1 cm。 (c) WSFP贴附在颈部的图片（皮肤形变高达37%），比例尺：1 cm。(d)前臂肱桡肌、背部竖脊肌和颈部胸锁乳突肌在变形7.2%、26.8%和37.5%下的超声成像，比例尺：5 mm。(e) 带有2 mm SR层的WSFP经过150次颈部旋转（i）和没有SR层时经过6次颈部旋转（ii）后的贴附状态，比例尺：1 cm。(f) 传统商用超声探头用于肌肉结构成像，需要施加压力，压迫肌肉结构和正常血流（i），即商用超声探头无法真实反映肌肉运动；而FUT在不需要施加压力的情况下用于肌肉结构与深层血流的影像监测，且肌肉厚度明显大于商用探头所采集到的图像（ii）；比例尺：5 mm。(g) 商用超声探头在压缩成像过程中会引起21.1%的组织变形，而柔性超声探头直接附着用于成像时仅引起1.4%的组织变形。

临床应用：辅助诊断儿童先天性肌性斜颈（CMT）

CMT表现为儿童发育阶段胸锁乳突肌（SCM）的肌肉结构和功能变化，这一疾病会对儿童的姿势、颈部功能和生活质量产生持久甚至终生的负面影响。随着病程发展，患侧肌肉在运动任务中逐渐表现出严重的肌肉弯曲、边缘模糊、纤维化及增厚特征；同时EMG拓扑图中肌肉激活水平较低，呈现明显的非对称性。相比单模态的传统超声或电生理监测，WSFP双模态数据在动作识别和疾病筛查中展现了超90%的分类准确率，验证了同步采集肌肉结构与功能双模态信号对诊断和理解CMT病理机制的有效性，有望应用于早期肌肉纤维化的检测，为该类疾病的临床诊断与康复开辟新方向。

图2 使用WSFP对患有CMT的儿童进行结构-功能同步监测： (a) 通过WSFP对患CMT的儿童进行同步超声成像和肌电监测的具体案例。从上到下分别为左旋、右旋、左侧屈和右侧屈动作。虚线区域表示检测到的胸锁乳突肌（SCM）结构。圆圈代表电极位置和感知区域，直径为2mm，圆圈内的数字表示通道编号。(b) 在静止状态下，患侧的肌肉面积、亮度和大小，以及在不同动作下的肌电信号RMS之间的相关系数，包括健康侧的左旋（RMS-LR-H）、右旋（RMS-RR-H）、左侧屈（RMS-LF-H）和右侧屈（RMS-RF-H），以及患侧的左旋（RMS-LR-A）、右旋（RMS-RR-A）、左侧屈（RMS-LF-A）和右侧屈（RMS-RF-A）。其中，H代表健康侧，A代表患侧；(c) 单模态信号与双模态同步监测信号在不同动作下对CMT的识别准确度。

拓展应用：从双模态到多模态

无论是运动员肌肉训练监控，还是神经退行性疾病（如ALS、卒中后肌肉功能障碍）的动态结构性影像学评估，WSFP都具有巨大的潜力。更令人期待的是，生物医学超声还有多样的机械力学效应，有望加快药物的渗透，甚至实现肌肉的刺激，靶向药物的无创递送。未来可以进一步整合光学成像、生物机械信号等多种传感技术，为临床医生提供更丰富的诊断信息。

合作与展望

尽管深圳先进院已成功研发出前端柔性超声与电生理传感贴片，实现了双模态同步采集肌肉结构与功能信息的技术突破，但目前的肌电与超声采集设备仍为独立运行，且设备体积较大。未来，深圳先进院期待与临床专家、工程师及产业界的同行们展开更加深入的合作，通过优化硬件设计、开发专用芯片等多方面的努力，共同推动双模态同步采集设备的小型化与集成化。此外，深圳先进院还将在柔性超声传感贴片的基础上，集成多模态能量的激发和传输，研发诊疗一体化的柔性贴片，实现基于可穿戴超声操控的细胞治疗等前沿应用。深圳先进院希望这一技术能够早日从实验室走向临床应用，为患者提供更高效、更精准的诊断与治疗手段，同时为医疗科技的发展贡献一份微薄之力。