Globalt sett är neuromuskulära störningar den främsta orsaken till sjukdom och funktionshinder. In situ är övervakning av muskelvävnadsstruktur och funktion i realtid- ett avgörande verktyg för diagnos och rehabilitering av neuromuskulära sjukdomar. Men traditionella bärbara övervakningssystem kämpar för att uppnå detta mål. Konventionella stela ultraljudsanordningar kräver extern kraft för att hålla sonden mot huden. Även om detta minimerar visceral avbildning, orsakar det muskeldeformation och kämpar för att anpassa sig till upp till 40 % deformation som upplevs under dynamisk muskelrörelse, vilket utgör en utmaning för att bedöma orsaken och sjukdomsförloppet.
Nyligen har forskarna Liu Zhiyuan, Ma Teng och Tian Qiong från Shenzhen Institutes of Advanced Technology (SIAT) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS), tillsammans med professor Yan Wei från Donghua University, tillsammans utvecklat en flexibel patch för dubbel-modal strukturell och funktionell övervakning av det dynamiska neuromuskulära systemet, vilket erbjuder en innovativ lösning på detta problem. Bland dem fokuserade forskaren Ma Teng på forskningen av flexibla ultraljudsfläckar och multifunktionell bildteknik, och forskaren Liu Zhiyuan var engagerad i forskning och utveckling av gränssnittsmaterial och enhetsstrukturer för sträckbara elektroder. De relaterade resultaten publicerades i "Science Advances" under titeln "In situ strukturell-funktionell synkron dissektion av dynamiskt neuromuskulärt system via en integrerad multimodal bärbar patch".
Bärbar sensorlapp för samtidig övervakning av strukturell och funktionell information
Den bärbara strukturen som utvecklats i denna forskning, Functional Dual-Modal Sensing Patch (WSFP), integrerar en flexibel ultraljudsbildserie med mjuka, töjbara elektroder och har ett innovativt deformerbart buffertskikt. Det möjliggör inte bara hög-avbildning av muskelstruktur utan fångar samtidigt dynamiska muskelelektrofysiologiska (EMG) signaler, vilket verkligen uppnår dubbel-modal övervakning av fysiologisk struktur och funktion. Den presterar exceptionellt bra med upp till 72 timmars slitage och dynamiska huddeformationer på upp till 37,5 %.
Klinisk tillämpning: Assisterad diagnos av medfödd muskeltorticollis (CMT) hos barn
Medfödd muskulär torticollis (CMT) hos barn kännetecknas av strukturella och funktionella förändringar i sternocleidomastoidmuskeln (SCM) under utveckling, vilket kan ha bestående och till och med livslånga negativa effekter på ett barns hållning, nackfunktion och livskvalitet. När sjukdomen fortskrider uppvisar den drabbade muskeln böjning, suddiga kanter, fibros och förtjockning under rörelse, och EMG-topografi avslöjar låg och asymmetrisk muskelaktivering. Jämfört med traditionell enkel-modal övervakning har bimodala WSFP-data en klassificeringsnoggrannhet på över 90 % vid rörelseigenkänning och sjukdomsscreening, vilket verifierar effektiviteten av att synkront inhämta bimodala signaler för att diagnostisera och förstå de patologiska mekanismerna för CMT. Den förväntas användas för tidig upptäckt av muskelfibros och öppnar nya vägar för klinisk diagnos och rehabilitering av sådana sjukdomar.
Expanderande applikationer: Från dubbla-modaliteter till multi-modaliteter
WSFP har stor potential för att övervaka idrottares muskelträning och i dynamisk strukturell bildbedömning av neurodegenerativa sjukdomar (som ALS och muskeldysfunktion efter-stroke). Dessutom har de mekanomekaniska effekterna av biomedicinskt ultraljud potential att påskynda läkemedelspenetration, möjliggöra muskelstimulering och möjliggöra icke-invasiv riktad läkemedelstillförsel. Framtida integration av optisk bildbehandling, biomekaniska signaler och andra avkänningstekniker kommer att ge kliniker rikare diagnostisk information.
Samarbete och framtidsutsikter
Det flexibla ultraljuds- och elektrofysiologiska avkänningsplåstret som utvecklats av Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) har uppnått dubbla-modala samtidiga förvärv av muskelstruktur och funktion. Elektromyografi- och ultraljudsutrustningen är dock för närvarande oberoende och skrymmande. I framtiden planerar institutet att samarbeta med flera parter för att främja miniatyrisering och integration av utrustning genom hårdvaruoptimering och specialiserad chiputveckling. Institutet kommer också att uppgradera plåstret för att integrera multimodala energifunktioner för att utveckla integrerade diagnos- och behandlingsprodukter, utforska banbrytande-tillämpningar såsom bärbar ultraljud-kontrollerad cellterapi, och utveckla denna teknik från laboratoriet till kliniken, vilket förbättrar effektiviteten och noggrannheten i diagnos och behandling, och bidrar till framstegen inom medicinsk teknik.