Flexible Patch Enables Stable Monitoring During Skin Deformation

研究人员希望解决传统检测技术的局限性，使其在人体表面更加灵活、实用。为此，他们开发出一种名为“柔性可穿戴结构-功能传感贴片”（WSFP, Wearable Structural-Functional Sensing Patch）的新设备。这种贴片可以贴在皮肤上，将刚性和柔性的超声探头与拉伸电极集成在一起，同时监测肌肉的结构信息和电信号。最为关键的是，即使皮肤变形达到40%，该贴片也能稳定工作，数据采集完全不受影响。 为了确保传统超声探头在皮肤变形时不会脱落或产生图像不稳的问题，研究团队为 WSFP 添加了一层“应变释放层”。传统超声探头在受力情况下会变形，导致成像结果失真。而 WSFP 可以在皮肤变形时释放对探头的压力，从而保持设备的稳定性。 研究过程中，团队还发现了一些有趣的现象。例如，在监测健康人的肌肉活动时，他们观察到肌肉收缩时，肌肉厚度和面积都会减小，但肌电信号强度却会显著增加。这种结构和功能之间的动态变化关系让研究团队更清晰地理解了神经肌肉系统的工作机制。 据研究小组介绍，WSFP 有望在多种场景中发挥作用。在医疗领域，它可以用于早期诊断和长期监测多种神经肌肉疾病。例如，对于先天性斜颈患儿，WSFP 可以更准确地检查和评估病情，为制定个性化的治疗方案提供依据。对于脊柱侧弯、中风等病患，佩戴这款贴片可以实时监测肌肉结构和功能的变化，方便医生及时调整治疗方案。在康复治疗方面，它可以帮助康复师了解患者的肌肉恢复情况，优化康复训练计划。患者在进行康复训练时，WSFP 可以同步监测肌肉活动，反馈训练效果，提高康复效率。 运动科学领域也可以受益于这一设备。运动员在训练中佩戴 WSFP，教练和科研人员可以通过监测肌肉状态，不仅合理安排训练强度，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。 研究团队成员来自材料科学、电子工程、生物医学等多个领域，各方协力设计并测试了实验设备和材料。设备完成时，经过多次试验，最终采用了 Ecoflex 材料作为应变释放层，并确定了2mm的最佳厚度。在优化电极性能方面，团队通过热熔金技术制作了拉伸电极，并使用液态金属连接电极和柔性印刷电路板，以降低电阻并提高信号采集质量。在 Ag/AgCl 电极处理上，进一步提高了 WSFP 的整体性能。 完成设备制造后，团队进行了详细的性能测试和数据分析，包括全面测试刚性超声换能器的中心频率和带宽等声学特性，以及电极的拉伸性和接触阻抗等电学特性。实验结果显示，WSFP 在整个监测过程中表现优异，实现了高质量的肌肉结构超声成像和 EMG 信号采集。 为了验证 WSFP 在监测动作和疾病诊断方面的有效性，研究团队对多名正常受试者进行了肌肉结构和功能同步监测。测试部位包括前臂、背部和颈部，实验过程中这些部位的形变量分别达到了7.2%、26.8%和37.5%。深入分析数据后，团队发现肌肉厚度变化与肌电信号平均根值之间存在显著的负相关关系，揭示了肌肉结构与功能之间的动态配合规律。 然而，本次研究依赖一套复杂的设备来采集患者的大量数据，这对研究团队带来了不小的挑战。设备的搬运和调试过程耗费了大量人力和时间，而且在医院环境中操作时要小心，避免影响患者的生活质量和安全。经过不懈努力，团队最终完成了这项研究。 日前，相关论文《通过集成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》在《Science Advances》上发表，主要通讯作者为来自中国科学院深圳先进技术研究院的刘志远研究员及其同事微软研究员、上海交通大学教授及其他合作者。 WSFP 的发明为神经肌肉疾病的早期诊断和长期监测提供了全新的工具，同时也为运动科学和康复医学的发展带来了重要支持。未来，随着技术的进一步成熟，这种贴片有望在更多实际应用中发挥重要作用。