Advanced Science:绝佳的柔性电子应用设计理念:精确瞄准每一块目标肌肉

可延展电子的力学兼容性和生物适应性使其在适配人体时,人们可以感受到极致的舒适性,就像穿上了衣服一样简单。正是由于这种特性,可延展电子在医学研究领域应用时,可用于评估复杂肌肉,为临床诊断和治疗提供支持。然而,在应用过程中肌肉的蠕动常常引起不稳定的信号采集接触界以及检测点位的变化,这导致目前的电生理信号质量的降低,其与疾病之间关系不明确,预想中精确到病理分析也遇到了技术瓶颈。以女性盆底肌(PFM)为例,由PFM功能异常引起的盆底功能障碍性疾病,对生活质量的影响甚至超过了癌症及糖尿病。目前,全世界盆底功能障碍性疾病患者人数已超过3000万/年,已成为一个严重的公共卫生问题,但是目前临床上只能使用硬质双通道电极对PFM进行粗略评估。为了早日实现面向临床的精准诊疗应用,广大研究者开始着手研发新型的可延展电子设计方法,使其在适合人体生理特性的同时能稳定精准测量生物电信号。

近日,浙江大学医学院附属妇产科医院谢臻蔚团队与智能传感所董树荣团队展开合作,结合力学与生理学,将可延展电子与充气式装置结合,联合提出了一种全新的可延展电子设备设计方法及对应的表面肌电分析方法,根据该理念得到的设备能提供稳定的接触界面并保持电生理信号的精确性,为新型可延展电子与临床医疗队结合提供了新思路(如图1所示)。这一研究刊发在Advanced Science2021年5月刊。论文第一作者王声铭同学是董树荣团队的博士生,唯一通信作者是浙江大学医学院附属妇产科医院谢臻蔚主任,清华大学冯雪团队在本研究中做出了卓越的贡献,尤其是在电极动态延展设计方面。

研究团队创新式地将大量可延展电极集成于充气式气囊表面,通过医学手段结合生理解剖学追踪动作过程的肌肉移动动态过程,设计沿不同肌纤维的伸缩方向放置电极对及特定屈曲布线,使每一个电极点“精确制导”,一一对应重点的目标肌肉,在肌肉收缩过程中牢牢地“坚守岗位”。同时,团队对气囊电极力学膨胀动态变形过程进行仿真分析,保证了设备-肌肉稳定接触与生物适应性。为验证新概念的可行性,该团队选用人体中肌肉解剖较为复杂的PFM,为其定制了一款新型气囊电极探头ASEA。创新的ASEA含有24通道,根据生理解剖学确定各肌肉的纤维分布,结合超声技术,针对与相关疾病相关性最大的六大肌群走向,于气囊的表面集成了大量电极,串联可的可延展的蛇形线沿肌肉纤维方向分布,如同发出命令式指挥官,确保着收缩过程中肌肉与电极的对应关系。经验证,ASEA设备能够安全扩大35.6%的体积,并根据不同人体的生理情况改变其形状,同时牢固地与待检测肌肉贴合,从而抑制或最小化在测试过程中由肌肉运动引起的干扰。同时,考虑到目前临床应用的生物电评估方法较为简单粗糙以肌纤维概念为出发点,团队在ASEA提供的高质量生物电信号的基础上,进一步设计了一种肌肉单位评估方法(MUEM),该方法可以利用多特性对目标肌肉进行全面的交互评估,找寻肌肉在某些特定运动中的联系。临床试验表明,MUEM成功揭示了不同情况下肌肉的特异性(如图2所示),这为病理机理的分析打下夯实的基础。研究团队认为,新设计方法对未来如何针对特定人群的生理特性设计制备可穿戴传感器,如何评估疾病对肌肉的影响进行了研究并提供了崭新的技术路径,为深层次地开发肌肉病理学研究的新诊断策略提供了希望!

论文信息:

Physiology‐Based Stretchable Electronics Design Method for Accurate Surface Electromyography Evaluation

Shengming Wang, Shurong Dong, Wenjuan Li, Jin Cen, Huimin Zhu, Congyi Fu, Hao Jin, Yucong Li, Xue Feng, Jikui Luo, Zhenwei Xie

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202004987