摘要：神经肌肉疾病（NMDs）是一类由外周神经（如神经病、肌萎缩侧索硬化症、中风）、肌肉（如先天性肌性斜颈、肌病）或神经肌肉接头（如肌无力症状）引起的多样化疾病。尽管这些疾病的发病机制各异，但它们有一些共同的症状，如肌肉无力、抽搐、麻痹和痉挛，导致运动障碍、语言障碍
01 导读
神经肌肉疾病（NMDs）是一类由外周神经（如神经病、肌萎缩侧索硬化症、中风）、肌肉（如先天性肌性斜颈、肌病）或神经肌肉接头（如肌无力症状）引起的多样化疾病。尽管这些疾病的发病机制各异，但它们有一些共同的症状，如肌肉无力、抽搐、麻痹和痉挛，导致运动障碍、语言障碍和自理困难。理解肌肉结构与功能之间的复杂相互作用对于促进相关疾病的诊断和治疗手段的发展有重要的意义。
由于在复杂动态场景下，皮肤和底层组织的大形变引起的伪影和噪声难以去除，研究肌肉结构与功能之间的复杂相互作用一直是一个重大挑战。为了解决这一问题，中科院深圳先进技术研究院的刘志远研究员研究团队会同东华大学朱美芳院士/严威教授团队开发了一种结构-功能传感织物形态贴片（WSFP）。WSFP由柔性超声传感器阵列（FUT）和软性电极阵列（用于EMG监测）组成，能够实现大形变深层组织的高清成像，并进行结构成像与功能信号的综合监测，助力疾病机制的研究。在运动状态下可实现72小时长周期成像及监测。
02 成果展示
近日，Science Advances发表了题为In-situ Structural-functional Synchronous Dissection of Dynamic Neuromuscular System via an Integrated Multimodal Wearable Patch 的论文，报道了一种结构-功能传感贴片（WSFP），其可以实现深层肌肉结构与功能多模态、长时程监测，为神经肌肉系统的监测提供了一种创新的解决方案。通讯作者为中科院深圳研究院刘志远、东华大学严威等。
大形变深层组织的高清成像：研究团队开发了一种可穿戴的结构-功能传感贴片（WSFP），由柔性超声传感器阵列（FUT）和软性电极阵列（用于EMG监测）组成，超声传感器阵列具有128个铅锆钛酸盐（PZT）元件，频率为7.5 MHz，带宽为65%，这种设计保证了高灵敏度和高分辨率的超声成像能力。此外，FUT的柔性封装和特殊基底材料能够有效缓解皮肤与肌肉形变，使超声贴片在大形变情况下仍然能够维持声学性能稳定。
结构功能一体化，研究疾病机制：WSFP通过同步采集超声成像和EMG信号，克服了单模态方法的局限性，在动作识别和疾病评估方面显示了更高的准确性。设备在动态肌肉运动（如握拳、伸展手掌、弯腰等）过程中，能够实时捕捉肌肉的结构变化（如厚度变化）和功能变化（如EMG信号的变化），并且通过双模态数据提高了动作分类的精度。以CMT（先天性肌性斜颈疾病）为例，超声成像显示受影响的肌肉出现肌肉弯曲加剧、边缘模糊、肌肉纤维化和肌肉厚度增加等变化，这些结构性变化提示肌肉的病理性改变，有助于识别CMT早期症状。
运动状态下长周期成像和监测深层组织：WSFP采用高伸展性和低阻抗的Ecoflex材料作为应力释放（SR）层，这一层材料能够有效地分散和吸收皮肤变形过程中产生的应力，确保超声传感器阵列（FUT）在动态运动中与皮肤保持紧密接触。在经受150次颈部旋转的测试中，带SR层的FUT仍能保持良好的附着性，而没有SR层的FUT则在6次旋转后就会脱落。这表明SR层能够显著增强设备在剧烈运动中的稳定性和附着力。在前臂和背部皮肤的表面应变分别为7.2%和26.8%，在颈部皮肤的旋转过程中，皮肤的变形达到37.5%，但WSFP依然能够保持牢固的附着状态。这说明设备的设计能够有效应对动态运动时皮肤的极大变形，而不脱落。
03 论文主要结果概览
图1 可穿戴集成结构功能传感贴片的概述，用于肌肉超声成像和功能信号的原位同步监测
图2 通过WSFP进行超声成像的优势以及SR层对成像和耐性的贡献
图3 柔性超声换能器和软电极在 WSFP 中的性能
图4 正常受试者前臂桡肌肌肉结构和肌电信号的双模态同步监测
图5 WSFP对先天性肌性斜颈（CMT）患儿的结构功能同步监测。
04 总结与展望
本文开发的可穿戴结构-功能织物传感贴片（WSFP）为运动状态下的长周期成像和功能信号的多模态监测提供了一种创新的解决方案。通过结合柔性超声传感器阵列（FUT）和可伸缩的EMG电极，WSFP能够实时监测肌肉的结构变化（超声成像）和功能变化（肌电图，EMG），并且能够在皮肤变形的情况下保持稳定的附着力和高质量的成像。
WSFP已在神经肌肉疾病的临床研究中，如先天性肌性斜颈（CMT）等，展现了极高的诊断精度。通过进一步提高超声阵列的柔软性和伸展性、实现更多传感模态的集成、开发更高效的数据融合和处理算法，WSFP能够提供更精确的疾病评估，特别是在肌肉纤维化等早期病理变化的检测中具有重要应用价值。
来源：信融论科学