神經肌肉系統是人體最重要的動能系統，一旦因各類疾病出了問題，如中風、肌萎縮側索硬化（ALS，Amyotrophic Lateral Sclerosis）以及先天性肌性斜頸等，對于患者造成的影響不容小覷。

中風是導致成年人殘疾的主要原因之一，全球有超過 1 億人因此殘疾；ALS 在早期很難被發現；而先天性肌性斜頸雖然發病率不高，但如果不及時干預，可能會影響孩子一輩子的健康。

所以，我們亟需一種更有效的檢測方法，以便盡早發現問題與治療。從技術角度來看，現有的檢測方法類似“單打獨斗”。比如，傳統超聲設備可以看肌肉的結構，但它又大又硬，不適合長時間監測，而且傳統超聲需要醫生按壓檢查，雖然可以用來觀察內臟，但在檢查肌肉時，一按壓，靠近皮膚的肌肉就已經變形了，數據就會不準確。另一方面，肌電圖（EMG，Electromyography）可以檢測肌肉的電信號，但它只能反映功能信息，看不到結構變化。

如果兩種方法單獨使用，很可能因信息不全面而導致誤診。舉個例子，對于先天性肌性斜頸來說，早期用超聲可能看不出問題，但肌電圖能發現異常。等到后期，超聲又能看到肌肉纖維化的細節。所以，如果能同時檢測結構和功能信息，就能更全面地了解肌肉的狀態。

但是，肌肉是會變形的，而且目前還沒有一種設備能同時做超聲成像和肌電監測。所以，在鄭海榮院士和李光林研究員的指導下，中國科學院深圳先進技術研究院的劉志遠研究員、馬騰研究員、田瓊副研究員開始探討：能不能設計一種新系統，把這兩種檢測結合起來？于是，他們開展了這項研究。

圖 | 劉志遠課題組（來源：劉志遠）

研究團隊希望能夠解決傳統檢測技術的局限性，讓它們更可靠、更實用。通過同時采集肌肉的超聲圖像和肌電信號，希望為神經肌肉疾病的早期診斷、康復評估和健康管理提供一種更全面、更精準的工具。

通過本次研究他們研發出一種“可穿戴結構-功能傳感貼片”（WSFP，Wearable Structural-Functional Sensing Patch）。簡單來說，它是一個貼在皮膚上的小設備，能把柔性超聲換能器和柔軟可拉伸電極集成在一起，可以同時檢測肌肉的結構信息和電信號。最厲害的是，即使皮膚變形 40%，它也能穩穩地工作，數據采集完全不受影響。

研究團隊為貼片加了一個“應力釋放層”。傳統超聲探頭一按下去肌肉就會變形，測出來的數據就會不準確。但是，本貼片則能保證成像結果真實可靠。

具體來說，這個貼片大約有 4.5 毫米厚，其中 2 毫米是柔軟可拉伸的電極。這個電極能拉伸到原來的 5 倍，還能同時收集 10 個通道的肌電信號。更重要的是，它還能當“緩沖層”，釋放皮膚變形時對超聲換能器的壓力，以便讓設備更加穩定。

研究中，課題組還發現了一些有趣的現象。比如，在監測健康人的肌肉時，研究團隊發現肌肉一收縮，它的厚度和面積會變小，但是肌電信號的強度卻會變大。這兩者的變化是相反的，這讓研究團隊更清楚地看到了肌肉結構和功能之間的動態聯系。

據介紹，WSFP 有望在多種場景發揮作用。

在醫療方面，能用于及早診斷和監測多種神經肌肉疾病。比如，對于先天性肌性斜頸患兒，其能更準確地檢查和評估病情，給制定個性化治療方案提供依據。對于肌萎縮側索硬化、中風等疾病患者，讓他們長期戴著這個貼片，就能實時看到他們的肌肉結構和功能的變化，方便醫生及時調整治療方案。在康復治療上，能幫康復師了解患者肌肉恢復情況，優化康復訓練計劃。患者做康復訓練的時候，這個貼片能同時監測肌肉活動，反饋訓練效果，提高康復效率。

在運動科學領域，運動員訓練時戴上它，教練和科研人員能通過監測肌肉狀態，不僅能合理安排訓練強度，預防運動損傷，還能為運動員的體能訓練和技術動作優化提供數據支持。

據介紹，研究團隊的成員來自材料科學、電子工程、生物醫學等不同領域。課題定下來后，大家就各自行動，籌備實驗設備和材料，還和深圳市兒童醫院合作以便讓實驗能順利進行。

研發 WSFP 的時候，為了解決柔性超聲換能器在皮膚變形時容易脫落、成像不穩定的問題，研究團隊嘗試了多種材料和結構設計方案。做了大量實驗后，最后使用 Ecoflex 材料做應力緩解層，并確定了 2mm 的最佳厚度。

在優化電極性能上，研究團隊在 Ecoflex 上通過熱蒸鍍金來做可拉伸電極，以及使用液態金屬連接電極和柔性印刷電路板，還給電極監測點做了 Ag/AgCl 電鍍處理，以便能夠降低阻抗和提高信號采集質量。

器件制備好之后，他們開始進行性能測試和數據分析，包括全面測試柔性超聲換能器的中心頻率和帶寬等聲學性能，還有電極的拉伸性、接觸阻抗等電學性能。

在證明 WSFP 在各方面具備優異性能之后，研究團隊首先在正常受試者中進行原位雙模態結構-功能同步監測，分別對前臂、背部和頸部的肌肉進行了雙模態監測，實驗過程中這三個部位的形變分別達到了 7.2%、26.8%、37.5%。

WSFP 在整個監測過程中表現優異，實現了完整實驗過程中的肌肉結構的穩定超聲成像和 EMG 信號的高質量采集。通過對正常受試者的數據分析，研究團隊發現肌肉厚度變化與肌電信號均方根值之間的顯著負相關關系，揭示了肌肉結構與功能的動態耦合規律。

最后是臨床驗證階段。研究團隊在先天性肌性斜頸患兒身上都做了實驗，并收集了大量數據。深入分析后發現，本次貼片在識別動作和診斷疾病方面很準確，能夠有效反映肌肉結構和功能的變化。

由于本次研究需要依賴一套專門的設備來采集病人的數據，但這套設備既笨重又精密，因此給研究團隊帶來了不小的挑戰。為了保證數據的完整性和準確性，他們需要多次前往醫院實地采集，而設備的搬運和調試都讓這個過程變得格外復雜。

劉志遠的學生們為了完成多個病人的數據采集，多次搬運實驗設備往返實驗室和醫院，設備的重量讓每次搬運都耗費大量體力，而在醫院環境中操作時，還要小心翼翼地不影響到病人的舒適和安全。除此之外，采集數據的時間并不固定，需要根據病人的情況隨時調整。經過上述努力，最終他們完成了本次研究。

日前，相關論文以《通過集成的多模態可穿戴貼片進行動態神經肌肉系統的原位結構-功能同步解析》（In situ structural-functional synchronous dissection of dynamic neuromuscular system via an integrated multimodal wearable patch）為題發在Science Advances[1]，趙行、陳偉岑、李沅衡是論文共同一作，中國科學院深圳先進技術研究院劉志遠研究員、馬騰研究員、田瓊副研究員、東華大學嚴威教授為共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Science Advances）

基于這項研究，研究團隊制定了一系列后續計劃。首先，其將優化柔性超聲陣列。目前的柔性超聲換能器（FUT，flexible ultrasound transducer）雖然性能不錯，但研究團隊希望它能更柔軟、可拉伸，以便進一步提高佩戴舒適度。

不過，這面臨著在 PZT 元件位置動態變化時保證高質量超聲成像的挑戰。研究團隊計劃研發真正可拉伸的超聲成像陣列，以及適配的新器件系統與算法，確保在極端動態條件下，也能實現穩定、清晰的成像。

其次，其將增加 WSFP 的傳感模態。在結構成像方面，考慮集成光學成像技術，獲取更多肌肉結構信息；在功能監測方面，納入血氧血流信號，更全面地了解肌肉功能狀態。同時，目前缺乏可靠的結構和功能信號融合與處理方法，研究團隊將重點研究這一領域，提高數據處理效率和分析準確性。

此外，其將拓展 WSFP 在更多神經肌肉疾病中的應用研究，如進一步探索其在肌萎縮側索硬化、中風后肌肉功能恢復等方面的應用潛力，為這些疾病的治療和康復提供更有力的支持。

總的來說，雖然研究團隊已經成功研制出前端柔性傳感貼片、在雙模態同步采集肌肉結構與功能信息方面實現了技術突破，但仍存在一些有待完善之處。比如，現有的肌電與超聲采集設備各自獨立運行，且后端硬件設備體積較大。

未來，研究團隊非常希望能夠與臨床專家、工程師以及產業界的同仁開展合作。希望能通過優化硬件設計、研發專用芯片等措施，全力推進雙模態同步采集設備的小型化與集成化進程，從而讓這項技術盡快從實驗室走向臨床應用，為患者帶來更高效、精準的診斷和治療方案。

參考資料：

1.Zhao,H. et al. In situ structural-functional synchronous dissection of dynamic neuromuscular system via an integrated multimodal wearable patch.Science Advances11,2(2025). DOI: 10.1126/sciadv.ads1486

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