针对面肌痉挛的闭环可穿戴神经调控系统：一项集成摩擦电传感的创新研究
一、 研究团队与发表信息
本研究由清华大学临床医学院、清华大学北京清华长庚医院医学研究中心、清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室、清华大学生物医学工程系、烟台大学机电汽车工程学院、山东大学控制科学与工程学院、中国地质大学（北京）工程技术学院以及清华大学玉泉医院神经外科等多个机构的研究人员共同合作完成。主要作者包括 Xuecheng Qu, Jiahao Wan, Haohan Zhao 等，通讯作者为 Jinting Wu, Zhou Li, Jia Cheng 和 Chong Li。该研究成果以题为“Closed-loop wearable neurostimulation system with triboelectric sensing to alleviate hemifacial spasms”的论文形式，于2025年发表在学术期刊 Nature Communications 上（卷16，文章号11148）。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于生物医学工程与神经工程交叉领域，聚焦于一种常见的神经系统疾病——面肌痉挛（Hemifacial Spasm， HFS）的诊断与治疗。面肌痉挛表现为一侧面部肌肉不自主、间歇性收缩，严重影响患者的生活质量。目前，HFS的诊断主要依赖主观的临床表现评估，而客观的电生理监测工具如肌电图（Electromyography， EMG）则受限于设备庞大、无法连续监测以及易受干扰等问题。在治疗方面，主流手段包括短期有效的肉毒毒素注射和具有较高风险的微血管减压手术，两者均存在患者依从性低的问题。
经皮神经电刺激作为一种非侵入性神经调控技术，理论上具有抑制异常神经活动的潜力，但将其应用于HFS治疗面临重大挑战：传统基于EMG的闭环系统在电刺激时，其传感信号极易被电伪迹污染，导致实时控制困难。因此，开发一种能够同时进行无干扰传感和刺激的集成解决方案，实现对面部肌肉活动的连续、精确追踪与即时干预，具有迫切的临床需求。
本研究旨在解决上述问题，其核心目标是研发并验证一种新型的、基于摩擦电传感技术的闭环可穿戴面神经刺激系统。该系统集成于眼镜框架中，能够实时、无创地监测微小的面部肌肉动态信号，并在检测到痉挛发作时，自动触发精准的电刺激进行神经调控，从而为HFS提供一种便捷、无创、可长期使用的治疗新方案。
三、 详细研究流程与方法
本研究是一项集器件开发、系统集成与初步临床验证于一体的综合性研究，其工作流程可分为以下几个关键步骤：
1. 高性能摩擦电面肌痉挛传感器的设计与优化 研究首先设计并制造了一种专用于监测面部细微运动的柔性摩擦电传感器。该传感器的核心创新在于其材料和结构设计。研究人员选择聚二甲基硅氧烷作为基底材料，并掺入了高介电常数的钛酸铜钙颗粒，以增强器件的输出性能。更重要的是，他们在PDMS表面构建了微米级的半球形结构阵列，进一步增大了有效接触面积和摩擦电荷密度。实验通过系统改变CCTO的掺杂比例（1wt%， 5wt%， 10wt%， 15wt%， 20wt%）并测试其开路电压输出，发现当掺杂比例优化至10wt%时，传感器的输出电压相比未修饰的纯PDMS结构提升了约2.3倍，达到了性能峰值。此外，研究还通过改变传感器尺寸、对摩擦层进行砂纸打磨以增加粗糙度等方式，全面表征了传感器的电输出性能、频率响应、机械响应特性（输出与施加力的线性关系）、响应时间（上升时间38.7毫秒，下降时间42.9毫秒）以及耐久性。疲劳测试表明，经过13，000次循环后，传感器的平均输出电压衰减小于6%，浸泡6天后性能无明显下降，证明了其优异的稳定性和可靠性。
2. 硬件系统开发与集成 研究团队自主开发了完整的硬件系统，主要包括三个部分： * 传感与信号采集模块： 为HFSS定制了专用的信号采集电路，集成了模拟前端和16位模数转换器，并包含数字滤波功能，确保了从传感器捕获信号的精度。该模块通过蓝牙无线传输数据，并集成于眼镜镜腿中，实现了隐蔽且舒适的佩戴监测。 * 电刺激模块： 开发了一个多参数可调的电刺激器。该模块能够产生多种波形，并允许精细调节输出电流、脉冲宽度和频率。表征实验证实，在模拟人体阻抗下，该刺激器能稳定输出设定的电流。刺激参数中，频率设定为1 kHz，这是基于高频电刺激可暂时阻断外周神经传导的理论；刺激强度则根据每位参与者的个体耐受阈值进行个性化设置，以确保有效且舒适。 * 智能终端与闭环控制算法： 在计算机终端开发了数据处理与控制程序。系统实时接收HFSS信号，并采用滑动窗口峰峰值分析算法进行处理。研究人员为每位患者手动校准设定了个体化的痉挛检测阈值。当实时信号幅度超过该阈值时，系统判定为痉挛发作，并立即通过无线通信向电刺激模块发送触发指令，启动电刺激。刺激靶点位于乳突尖下方，对应于面神经主干的体表投影区。
3. 临床验证与患者测试 研究招募了3名单侧面肌痉挛患者进行初步临床验证。实验流程包括： * 个性化参数设定： 实验前，为每位参与者确定其最大耐受且不引起可见肌肉收缩的电刺激强度。 * 实验设计： 参与者交替接受对照组（无干预，仅监测）和刺激组（闭环电刺激）的测试。实验中，患者需在感到痉挛发生时举手示意，以便与系统检测结果进行后续比对分析。 * 数据记录： 同步记录HFSS传感信号、电刺激触发信号、患者举手标记的时间点以及面部视频数据。 * 痉挛检测准确性评估： 通过将系统自动检测到的痉挛事件与临床医生根据同步视频标注的“金标准”进行对比，来评估系统的识别准确率。基于数百次痉挛事件的分析，系统对痉挛识别的平均准确率达到98.0%，触发信号识别的准确率约为95.9%。 * 疗效客观量化： 为了客观评估刺激效果，研究开发了一套基于计算机视觉的量化指标。利用MediaPipe库实时识别人脸关键点，计算并比较痉挛侧与正常侧四个面部特征的距离或面积差异，包括：口至鼻距离、眼至鼻距离、眼至口距离以及眼区面积。通过对比刺激组与对照组在这些指标上的统计学差异，来量化面部对称性的改善程度。
四、 主要研究结果
1. HFSS传感器性能卓越： 优化后的HFSS传感器表现出高灵敏度、宽动态范围和快速响应能力，能够清晰区分并记录正常眨眼、轻微眨眼和用力眨眼等不同强度的眼周活动。其自供电、零功耗、高信噪比的特性，使其特别适合长期、动态监测微小的面部肌肉活动，且理论上比传统EMG更不易受正常眨眼等活动的干扰。
2. 系统实现有效闭环控制： 在患者0的预实验中，系统成功验证了其闭环功能：能够实时监测HFS的发作，并在检测到异常信号后迅速（响应时间满足要求）触发预定的电刺激，形成了有效的“感知-决策-干预”闭环。
3. 临床验证显示症状改善： 对两位主要患者（患者1和患者2）的数据分析表明，闭环电刺激能够改善HFS发作期间的面部对称性。 * 患者1： 在四个面部特征指标上，闭环刺激组相比非干预组均显示出统计学上的显著改善。例如，眼至鼻距离和眼区面积的改善具有显著性。 * 患者2： 在口至鼻距离和眼至鼻距离两个指标上表现出显著改善，但在眼区面积和眼至口距离指标上未观察到明确变化。这反映了患者个体间痉挛表现和对治疗反应的差异性。 综合来看，初步临床结果为该闭环系统缓解面肌痉挛症状提供了积极的证据，表明其治疗潜力。
4. HFSS具备心率监测潜能： 研究还将HFSS置于颞浅动脉位置，成功监测到了脉搏波变化。与专业心电图设备记录的心率相比，HFSS设备显示出高度一致性。更值得注意的是，在一位患者中，HFSS记录到在痉挛发作前出现短暂的心率上升，这与之前心电图心率变异性研究中关于HFS发作前自主神经活动变化的报告一致。这提示HFSS未来或可用于监测与HFS发作相关的自主神经活动，为疾病预警研究提供了新的工具和思路。
五、 研究结论与价值
本研究成功开发并初步验证了一种集成于眼镜的、基于摩擦电传感的闭环面神经刺激系统。该系统能够高精度（98%识别率）实时监测面肌痉挛，并自动触发个性化参数的电刺激进行干预，在两名患者中观察到了面部对称性的改善。
其科学价值在于：第一，创新性地将高性能摩擦电传感器应用于神经系统疾病的动态监测，为解决传统EMG在闭环刺激中易受干扰的难题提供了新思路。第二，构建了一个完整的“传感-决策-刺激”闭环神经调控平台原型，为其他运动障碍疾病的非侵入性治疗研究提供了可借鉴的技术框架。第三，初步揭示了将生理信号监测与神经调控相结合，实现疾病状态动态管理的可行性。
其应用价值显著：该系统提供了一种非侵入性、可穿戴、潜在可长期居家使用的HFS管理方案。相比现有疗法，它避免了药物的副作用和手术的风险，有望提高患者治疗的便捷性和依从性，改善生活质量。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究团队对系统的局限性也进行了客观讨论。例如，指出HFSS在信号处理和系统集成方面尚未达到商用EMG系统的成熟度；其信号可能受压力、位移等机械因素影响，且使用前需手动定位。这些为未来研究指明了改进方向，如通过改进机械设计、采用更先进的信号处理算法来提升性能。此外，论文明确规划了未来工作，包括扩大患者队列以增强结论的普适性、进行长期随访和佩戴舒适性评估、研究刺激参数的动态优化以及整合多模态数据以实现更个性化的闭环刺激策略，展现了持续研究的清晰路径。