В световен мащаб невромускулните заболявания са водещата причина за заболявания и увреждания. In situ,-наблюдението в реално време на структурата и функцията на мускулната тъкан е ключов инструмент за диагностика и рехабилитация на невромускулни заболявания. Традиционните носими системи за наблюдение обаче се борят да постигнат тази цел. Конвенционалните твърди ултразвукови устройства изискват външна сила, за да задържат сондата към кожата. Въпреки че това минимизира висцералното изображение, то причинява мускулна деформация и се бори да се адаптира към до 40% деформация, наблюдавана по време на динамично мускулно движение, което представлява предизвикателство за оценка на причината и хода на заболяването.
Наскоро изследователите Liu Zhiyuan, Ma Teng и Tian Qiong от Шенженските институти за напреднали технологии (SIAT) на Китайската академия на науките (CAS), заедно с професор Yan Wei от университета Donghua, съвместно разработиха гъвкав пластир за двоен-модален структурен и функционален мониторинг на динамичната нервно-мускулна система, предлагайки иновативно решение на този проблем. Сред тях изследователят Ма Тенг се фокусира върху изследването на гъвкави ултразвукови пластири и многофункционална технология за изображения, а изследователят Лиу Джиюан се ангажира с изследването и разработването на интерфейсни материали и структури на устройства от разтегливи електроди. Свързаните резултати бяха публикувани в "Science Advances" под заглавието "In situ структурна-функционална синхронна дисекция на динамична невромускулна система чрез интегриран мултимодален носим пластир".
Сензорен пластир за носене за едновременно наблюдение на структурна и функционална информация
Носимата структура, разработена в това изследване, Functional Dual-Modal Sensing Patch (WSFP), интегрира гъвкава матрица за ултразвукови изображения с меки, разтегливи електроди и разполага с иновативен деформируем буферен слой. Той не само дава възможност за високо-изобразяване на мускулната структура, но също така улавя едновременно динамични мускулни електрофизиологични (ЕМГ) сигнали, като наистина постига двойно-модално наблюдение на физиологичната структура и функция. Представя се изключително добре с до 72 часа износване и динамични деформации на кожата до 37,5%.
Клинично приложение: Асистирана диагностика на вроден мускулен тортиколис (CMT) при деца
Вроденият мускулен тортиколис (CMT) при деца се характеризира със структурни и функционални промени в стерноклеидомастоидния мускул (SCM) по време на развитието, които могат да имат трайни и дори доживотни отрицателни ефекти върху позата, функцията на врата и качеството на живот на детето. С напредването на заболяването засегнатият мускул показва огъване, замъглени ръбове, фиброза и удебеляване по време на движение, а ЕМГ топографията разкрива ниска и асиметрична мускулна активация. В сравнение с традиционния един-модален мониторинг, WSFP бимодалните данни имат класификационна точност от над 90% при разпознаване на движение и скрининг на заболяване, като потвърждават ефективността на синхронно придобиване на бимодални сигнали за диагностициране и разбиране на патологичните механизми на CMT. Очаква се да се използва за ранно откриване на мускулна фиброза и да отвори нови насоки за клинична диагностика и рехабилитация на такива заболявания.
Разширяване на приложенията: от двойна-модалност до много-модалност
WSFP има голям потенциал в наблюдението на мускулната тренировка на спортист и в динамичната структурна образна оценка на невродегенеративни заболявания (като ALS и мускулна дисфункция след -инсулт). Освен това, механомеханичните ефекти на биомедицинския ултразвук имат потенциала да ускорят проникването на лекарства, да позволят мускулна стимулация и да дадат възможност за не-инвазивно насочено доставяне на лекарства. Бъдещото интегриране на оптични изображения, биомеханични сигнали и други сензорни технологии ще предостави на клиницистите по-богата диагностична информация.
Сътрудничество и бъдещи перспективи
Гъвкавият ултразвуков и електрофизиологичен сензорен пластир, разработен от Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT), постигна двойно-модално едновременно придобиване на мускулна структура и функция. Електромиографското и ултразвуковото оборудване обаче в момента са независими и обемисти. В бъдеще институтът планира да си сътрудничи с множество страни, за да насърчи миниатюризацията и интегрирането на оборудването чрез хардуерна оптимизация и специализирана разработка на чипове. Институтът също така ще надстрои пластира, за да интегрира мултимодални енергийни функции за разработване на интегрирани продукти за диагностика и лечение, изследване на авангардни-приложения като носим ултразвук-контролирана клетъчна терапия и напредване на тази технология от лабораторията до клиниката, подобрявайки ефективността и точността на диагностиката и лечението и допринасяйки за напредъка на медицинската технология.