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可穿戴多模态贴片实现动态神经肌肉系统的原位结构与功能同步解析

1. 研究团队与发表信息

本研究由Hang Zhao（深圳先进技术研究院神经工程中心）、Weicen Chen（深圳先进技术研究院科学仪器研究所）等来自中国科学院深圳先进技术研究院、东华大学、汕头大学医学院附属深圳儿童医院等机构的联合团队完成，通讯作者为Zhiyuan Liu、Teng Ma、Qiong Tian和Wei Yan。研究成果于2025年1月8日发表在Science Advances（期刊编号：Sci. Adv. 11, eads1486）。

2. 学术背景

科学领域：本研究属于材料科学与生物医学工程交叉领域，聚焦于神经肌肉疾病的动态监测技术。
研究动机：神经肌肉疾病（Neuromuscular Diseases, NMDs）是成人致残的主要病因，但现有技术难以同步捕捉肌肉运动中的结构形变（高达40%）与功能信号（如肌电图，EMG），导致早期诊断和康复评估的局限性。例如，先天性肌性斜颈（Congenital Muscular Torticollis, CMT）的早期纤维化仅能通过EMG检测，而超声成像则需在晚期才能观察到结构变化。
研究目标：开发一种可穿戴的结构-功能同步传感贴片（Wearable Structural-Functional Patch, WSFP），实现肌肉动态形变下的高保真超声成像与电生理信号同步监测。

3. 研究流程与方法

（1）WSFP设计与制备
- 核心组件：
- 柔性超声换能器阵列（FUT）：由128个锆钛酸铅（PZT）元件组成，中心频率7.5 MHz，带宽65%，通过“切割-填充”工艺将PZT陶瓷与聚二甲基硅氧烷（PDMS）结合，形成柔性声学堆栈。
- 应力释放层（SR层）：采用超弹性材料Ecoflex（拉伸率500%，模量0.15 MPa）封装10通道可拉伸金电极，兼具EMG信号采集和吸收皮肤形变应力的双重功能。
- 创新工艺：通过液态金属连接电极与柔性印刷电路板（FPCB），实现软硬界面270%的拉伸性。

（2）性能验证实验
- 粘附稳定性测试：在颈部皮肤形变37.5%（模拟头部旋转）条件下，WSFP可持续附着72小时，而传统刚性超声探头因压力导致21.1%组织形变。
- 成像质量对比：WSFP在150次颈部旋转后仍保持稳定成像，而无SR层的FUT在6次旋转后即脱落（图1e）。
- 电生理性能：Ag/AgCl修饰的电极将皮肤接触阻抗从21.52 kΩ·cm²降至3.63 kΩ·cm²（100 Hz），EMG信号信噪比显著提升。

（3）临床前试验
- 健康受试者：在手臂肱桡肌、背部竖脊肌等部位同步监测肌肉厚度（超声）与EMG信号，发现肌肉收缩时厚度减少与EMG均方根（RMS）值升高呈负相关（图4c）。
- CMT患儿试验：对比患侧与健侧胸锁乳突肌（SCM），患侧超声显示纤维化增厚（亮度增加28%），EMG激活模式不对称（图5a），双模态数据诊断准确率达90%，显著高于单模态（超声80%，EMG 70%）。

（4）数据分析方法
- 超声参数：通过ImageJ提取肌肉厚度、面积、亮度（灰度值/255）。
- EMG特征：时域波长、过零率等结合支持向量机（SVM）分类器，双模态数据融合后动作识别准确率提升15%。

4. 主要研究结果

• 动态监测能力：WSFP在皮肤形变40%下仍能稳定成像，超声分辨率与商用探头相当，且无组织压迫伪影（图1g）。
  
• 双模态协同效应：肌肉厚度与EMG RMS的负相关性揭示了结构-功能耦合机制（图4c），为疾病进展提供新指标。
  
• 临床价值：在CMT患儿中，双模态数据通过肌肉亮度与EMG激活模式的联合分析，实现了早期纤维化筛查（图5b）。
  

5. 研究结论与价值

科学价值：
- 首次提出“应力释放层”设计，解决了柔性超声探头在动态形变下的粘附稳定性问题。
- 揭示了肌肉收缩中结构与功能的动态关联，为神经肌肉病理机制研究提供新工具。
应用价值：
- WSFP可扩展至肌萎缩侧索硬化症（ALS）、中风后康复等领域，支持长期无创监测与精准治疗。

6. 研究亮点

• 多模态集成：首次将柔性超声与可拉伸电极集成于单一贴片，实现原位同步监测。
  
• 材料创新：Ecoflex SR层兼具力学缓冲与电信号传导功能，突破传统柔性电子器件的局限性。
  
• 临床转化潜力：72小时连续监测能力满足居家康复需求，成本低于MRI等传统设备。
  

7. 其他补充

• 局限性：未来需优化PZT元件的可拉伸性，并开发适用于深度组织的多模态算法。
  
• 扩展应用：研究者建议结合光学成像与生物力学信号，进一步丰富传感维度。
  

（报告字数：约1800字）