神经肌肉系统是人体最重要的动能系统，一旦因各类疾病出了问题，如中风、肌萎缩侧索硬化（ALS，Amyotrophic Lateral Sclerosis）以及先天性肌性斜颈等，对于患者造成的影响不容小觑。
中风是导致成年人残疾的主要原因之一，全球有超过 1 亿人因此残疾；ALS 在早期很难被发现；而先天性肌性斜颈虽然发病率不高，但如果不及时干预，可能会影响孩子一辈子的健康。
所以，我们亟需一种更有效的检测方法，以便尽早发现问题与治疗。从技术角度来看，现有的检测方法类似“单打独斗”。比如，传统超声设备可以看肌肉的结构，但它又大又硬，不适合长时间监测，而且传统超声需要医生按压检查，虽然可以用来观察内脏，但在检查肌肉时，一按压，靠近皮肤的肌肉就已经变形了，数据就会不准确。另一方面，肌电图（EMG，Electromyography）可以检测肌肉的电信号，但它只能反映功能信息，看不到结构变化。
如果两种方法单独使用，很可能因信息不全面而导致误诊。举个例子，对于先天性肌性斜颈来说，早期用超声可能看不出问题，但肌电图能发现异常。等到后期，超声又能看到肌肉纤维化的细节。所以，如果能同时检测结构和功能信息，就能更全面地了解肌肉的状态。
但是，肌肉是会变形的，而且目前还没有一种设备能同时做超声成像和肌电监测。所以，在郑海荣院士和李光林研究员的指导下，中国科学院深圳先进技术研究院的刘志远研究员、马腾研究员、田琼副研究员开始探讨：能不能设计一种新系统，把这两种检测结合起来？于是，他们开展了这项研究。
图 | 刘志远课题组（来源：刘志远）
研究团队希望能够解决传统检测技术的局限性，让它们更可靠、更实用。通过同时采集肌肉的超声图像和肌电信号，希望为神经肌肉疾病的早期诊断、康复评估和健康管理提供一种更全面、更精准的工具。
通过本次研究他们研发出一种“可穿戴结构-功能传感贴片”（WSFP，Wearable Structural-Functional Sensing Patch）。简单来说，它是一个贴在皮肤上的小设备，能把柔性超声换能器和柔软可拉伸电极集成在一起，可以同时检测肌肉的结构信息和电信号。最厉害的是，即使皮肤变形 40%，它也能稳稳地工作，数据采集完全不受影响。
研究团队为贴片加了一个“应力释放层”。传统超声探头一按下去肌肉就会变形，测出来的数据就会不准确。但是，本贴片则能保证成像结果真实可靠。
具体来说，这个贴片大约有 4.5 毫米厚，其中 2 毫米是柔软可拉伸的电极。这个电极能拉伸到原来的 5 倍，还能同时收集 10 个通道的肌电信号。更重要的是，它还能当“缓冲层”，释放皮肤变形时对超声换能器的压力，以便让设备更加稳定。
研究中，课题组还发现了一些有趣的现象。比如，在监测健康人的肌肉时，研究团队发现肌肉一收缩，它的厚度和面积会变小，但是肌电信号的强度却会变大。这两者的变化是相反的，这让研究团队更清楚地看到了肌肉结构和功能之间的动态联系。
据介绍，WSFP 有望在多种场景发挥作用。
在医疗方面，能用于及早诊断和监测多种神经肌肉疾病。比如，对于先天性肌性斜颈患儿，其能更准确地检查和评估病情，给制定个性化治疗方案提供依据。对于肌萎缩侧索硬化、中风等疾病患者，让他们长期戴着这个贴片，就能实时看到他们的肌肉结构和功能的变化，方便医生及时调整治疗方案。在康复治疗上，能帮康复师了解患者肌肉恢复情况，优化康复训练计划。患者做康复训练的时候，这个贴片能同时监测肌肉活动，反馈训练效果，提高康复效率。
在运动科学领域，运动员训练时戴上它，教练和科研人员能通过监测肌肉状态，不仅能合理安排训练强度，预防运动损伤，还能为运动员的体能训练和技术动作优化提供数据支持。
据介绍，研究团队的成员来自材料科学、电子工程、生物医学等不同领域。课题定下来后，大家就各自行动，筹备实验设备和材料，还和深圳市儿童医院合作以便让实验能顺利进行。
研发 WSFP 的时候，为了解决柔性超声换能器在皮肤变形时容易脱落、成像不稳定的问题，研究团队尝试了多种材料和结构设计方案。做了大量实验后，最后使用 Ecoflex 材料做应力缓解层，并确定了 2mm 的最佳厚度。
在优化电极性能上，研究团队在 Ecoflex 上通过热蒸镀金来做可拉伸电极，以及使用液态金属连接电极和柔性印刷电路板，还给电极监测点做了 Ag/AgCl 电镀处理，以便能够降低阻抗和提高信号采集质量。
器件制备好之后，他们开始进行性能测试和数据分析，包括全面测试柔性超声换能器的中心频率和带宽等声学性能，还有电极的拉伸性、接触阻抗等电学性能。
在证明 WSFP 在各方面具备优异性能之后，研究团队首先在正常受试者中进行原位双模态结构-功能同步监测，分别对前臂、背部和颈部的肌肉进行了双模态监测，实验过程中这三个部位的形变分别达到了 7.2%、26.8%、37.5%。
WSFP 在整个监测过程中表现优异，实现了完整实验过程中的肌肉结构的稳定超声成像和 EMG 信号的高质量采集。通过对正常受试者的数据分析，研究团队发现肌肉厚度变化与肌电信号均方根值之间的显著负相关关系，揭示了肌肉结构与功能的动态耦合规律。
最后是临床验证阶段。研究团队在先天性肌性斜颈患儿身上都做了实验，并收集了大量数据。深入分析后发现，本次贴片在识别动作和诊断疾病方面很准确，能够有效反映肌肉结构和功能的变化。
由于本次研究需要依赖一套专门的设备来采集病人的数据，但这套设备既笨重又精密，因此给研究团队带来了不小的挑战。为了保证数据的完整性和准确性，他们需要多次前往医院实地采集，而设备的搬运和调试都让这个过程变得格外复杂。
刘志远的学生们为了完成多个病人的数据采集，多次搬运实验设备往返实验室和医院，设备的重量让每次搬运都耗费大量体力，而在医院环境中操作时，还要小心翼翼地不影响到病人的舒适和安全。除此之外，采集数据的时间并不固定，需要根据病人的情况随时调整。经过上述努力，最终他们完成了本次研究。
日前，相关论文以《通过集成的多模态可穿戴贴片进行动态神经肌肉系统的原位结构-功能同步解析》（In situ structural-functional synchronous dissection of dynamic neuromuscular system via an integrated multimodal wearable patch）为题发在Science Advances[1]，赵行、陈伟岑、李沅衡是论文共同一作，中国科学院深圳先进技术研究院刘志远研究员、马腾研究员、田琼副研究员、东华大学严威教授为共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
基于这项研究，研究团队制定了一系列后续计划。首先，其将优化柔性超声阵列。目前的柔性超声换能器（FUT，flexible ultrasound transducer）虽然性能不错，但研究团队希望它能更柔软、可拉伸，以便进一步提高佩戴舒适度。
不过，这面临着在 PZT 元件位置动态变化时保证高质量超声成像的挑战。研究团队计划研发真正可拉伸的超声成像阵列，以及适配的新器件系统与算法，确保在极端动态条件下，也能实现稳定、清晰的成像。
其次，其将增加 WSFP 的传感模态。在结构成像方面，考虑集成光学成像技术，获取更多肌肉结构信息；在功能监测方面，纳入血氧血流信号，更全面地了解肌肉功能状态。同时，目前缺乏可靠的结构和功能信号融合与处理方法，研究团队将重点研究这一领域，提高数据处理效率和分析准确性。
此外，其将拓展 WSFP 在更多神经肌肉疾病中的应用研究，如进一步探索其在肌萎缩侧索硬化、中风后肌肉功能恢复等方面的应用潜力，为这些疾病的治疗和康复提供更有力的支持。
总的来说，虽然研究团队已经成功研制出前端柔性传感贴片、在双模态同步采集肌肉结构与功能信息方面实现了技术突破，但仍存在一些有待完善之处。比如，现有的肌电与超声采集设备各自独立运行，且后端硬件设备体积较大。
未来，研究团队非常希望能够与临床专家、工程师以及产业界的同仁开展合作。希望能通过优化硬件设计、研发专用芯片等措施，全力推进双模态同步采集设备的小型化与集成化进程，从而让这项技术尽快从实验室走向临床应用，为患者带来更高效、精准的诊断和治疗方案。
参考资料：
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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