《基于可穿戴微机械超声传感器的肌肉疲劳连续监测技术研究》

本研究由浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室的Mengjiao Qu、Jie Zhou、Dongze Lv团队联合浙江大学生物医学工程与仪器科学学院、中北大学动态测试技术国家重点实验室共同完成，成果发表于2024年Elsevier旗下期刊《Sensors and Actuators A: Physical》第365卷。研究聚焦生物医学工程与微机电系统（MEMS）交叉领域，针对传统肌肉疲劳评估技术的局限性，开发了一种创新型可穿戴超声监测方案。

学术背景 肌肉疲劳作为运动生理学重要指标，现有评估手段如表面肌电图（sEMG）、近红外光谱（NIRS）等存在深层组织检测不足、易受运动伪影干扰等问题。虽然超声技术具有深层穿透优势，但传统超声探头体积庞大（bulky size）严重限制了其在动态监测中的应用。本研究旨在利用压电微机械超声换能器（PMUTs）的微型化特性，结合声学透镜技术，开发可穿戴式肌肉疲劳连续监测系统，实现对上臂肌肉厚度动态变化的高精度测量。

研究流程与方法 1. PMUTs探头设计与制备 - 采用23×26阵列的PMUTs芯片（3×3 mm²），工作频率5MHz，通过定制化外壳封装形成24×16 mm²的可穿戴探头 - 创新性引入Ecoflex聚合物声学透镜：基于几何光学理论设计凸面结构（曲率半径9.51mm），通过不锈钢模具浇铸成型，显著提升声压输出（增幅>20%） - 对照实验设置平面封装探头作为基准

1. 性能表征

   • 使用针状水听器在去离子水中测量声场特性
   • 声学仿真显示凸面透镜可将声束聚焦于肱骨附近（理论焦距16mm）
   • 实测焦距14mm，虽存在制造误差但仍满足40mm检测深度需求

2. 人体实验

   • 纳入8名健康受试者（5男3女），实施肘关节115度等长收缩实验
   • 采用分级负荷方案（1.0/2.⁵⁄₅.0/7.5kg哑铃）
   • 使用25V方波脉冲驱动（PRF=5kHz），NI数据采集卡（采样率125MHz）记录回波信号

3. 信号处理

   • 创新性肌肉厚度算法：基于皮下脂肪-肌肉界面与肌肉-肱骨界面的回波时间差计算厚度
   • 提出新型离群值消除方法：结合移动窗口（8秒分析窗+3秒重叠）与迭代均值滤波，有效克服运动伪影
   • 分段线性拟合提取疲劳特征参数：初始变形率k1、次级变形率k2、转换时间t0

关键结果 1. 声学性能验证 - 凸面透镜使轴向声压提升8-25kPa（较平面封装） - 实测焦距12-14mm，满足上臂肌肉成像需求（平均厚度1.6-2.5cm）

1. 肌肉疲劳动力学特征

   • 发现典型的双阶段增厚模式：快速初始增长（k1=0.0058-0.0202 mm/s）后接缓慢增长（k2=0.0008-0.0055 mm/s）
   • 负荷依赖性：7.5kg时k1达最大值0.0202 mm/s，t0最短（34秒）
   • 肌肉收缩末期出现厚度波动（SEMG验证为疲劳特征）

2. 定量评估参数

   • 初始变形率k1与负荷强度呈正相关（r²=0.89-0.96）
   • 转换时间t0可作为疲劳起始标志物（重负荷下提前出现）

科学价值与应用前景 本研究首次实现PMUTs技术在肌骨动态监测中的临床应用，其核心创新在于： 1. 微型化设计（重量<5g）突破传统超声探头体积限制 2. 声学透镜优化使检测灵敏度提升20%以上 3. 建立基于肌肉厚度动力学的定量评估体系

在运动医学领域，该系统可实时监控训练负荷与疲劳累积；在康复工程中，为神经肌肉疾病患者提供客观评估工具。研究团队已通过国家重点研发计划（2022YFB3204300）和国家自然科学基金（52175552）支持后续研究。

技术亮点 1. 材料创新：Ecoflex封装层（声阻抗970m/s）实现皮肤-探头声阻抗匹配 2. 算法突破：移动窗口迭代滤波算法使离群值识别准确率提升40% 3. 生理发现：验证Henneman大小原则在厚度变化中的表现——快肌纤维激活对应k1-k2转换点

局限性 当前声学透镜制造精度导致焦距偏差2mm，未来将通过纳米压印工艺改进。研究样本量较小（n=8），下一步计划开展多中心临床试验。论文数据可通过通讯作者Jin Xie（xiejin@zju.edu.cn）获取。