Weltweit sind neuromuskuläre Störungen die häufigste Ursache für Krankheiten und Behinderungen. Die In-situ-Überwachung der Struktur und Funktion des Muskelgewebes in Echtzeit ist ein entscheidendes Instrument für die Diagnose und Rehabilitation neuromuskulärer Erkrankungen. Allerdings haben herkömmliche tragbare Überwachungssysteme Schwierigkeiten, dieses Ziel zu erreichen. Herkömmliche starre Ultraschallgeräte erfordern äußere Kraft, um die Sonde auf der Haut zu halten. Dies minimiert zwar die viszerale Bildgebung, führt jedoch zu Muskelverformungen und Schwierigkeiten, sich an die bis zu 40 %ige Verformung anzupassen, die bei dynamischen Muskelbewegungen auftritt, was eine Herausforderung bei der Beurteilung der Ursache und des Krankheitsverlaufs darstellt.
Kürzlich haben die Forscher Liu Zhiyuan, Ma Teng und Tian Qiong von den Shenzhen Institutes of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) zusammen mit Professor Yan Wei von der Donghua-Universität gemeinsam einen flexiblen Patch für die dual-modale strukturelle und funktionelle Überwachung des dynamischen neuromuskulären Systems entwickelt und bieten damit eine innovative Lösung für dieses Problem. Unter ihnen konzentrierte sich Forscher Ma Teng auf die Erforschung flexibler Ultraschallpflaster und multifunktionaler Bildgebungstechnologie, und Forscher Liu Zhiyuan widmete sich der Forschung und Entwicklung von Schnittstellenmaterialien und Gerätestrukturen dehnbarer Elektroden. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in „Science Advances“ unter dem Titel „In situ strukturelle -funktionelle synchrone Dissektion des dynamischen neuromuskulären Systems über ein integriertes multimodales tragbares Pflaster“ veröffentlicht.
Tragbares Sensorpflaster zur gleichzeitigen Überwachung von Struktur- und Funktionsinformationen
Die in dieser Forschung entwickelte tragbare Struktur, das Functional Dual-Modal Sensing Patch (WSFP), integriert ein flexibles Ultraschall-Bildgebungsarray mit weichen, dehnbaren Elektroden und verfügt über eine innovative verformbare Pufferschicht. Es ermöglicht nicht nur eine hochauflösende Darstellung der Muskelstruktur, sondern erfasst gleichzeitig auch dynamische elektrophysiologische Muskelsignale (EMG), wodurch eine echte duale{3}modale Überwachung der physiologischen Struktur und Funktion erreicht wird. Mit einer Tragedauer von bis zu 72 Stunden und dynamischen Hautverformungen von bis zu 37,5 % ist die Leistung außergewöhnlich hoch.
Klinische Anwendung: Unterstützte Diagnose des angeborenen Torticollis muscularis (CMT) bei Kindern
Angeborener muskulärer Torticollis (CMT) bei Kindern ist durch strukturelle und funktionelle Veränderungen im M. sternocleidomastoideus (SCM) während der Entwicklung gekennzeichnet, die dauerhafte und sogar lebenslange negative Auswirkungen auf die Körperhaltung, Nackenfunktion und Lebensqualität eines Kindes haben können. Mit fortschreitender Krankheit zeigt der betroffene Muskel bei Bewegung Krümmungen, unscharfe Kanten, Fibrose und Verdickung, und die EMG-Topographie zeigt eine geringe und asymmetrische Muskelaktivierung. Im Vergleich zur herkömmlichen Einzelmodalüberwachung weisen bimodale WSFP-Daten eine Klassifizierungsgenauigkeit von über 90 % bei der Bewegungserkennung und dem Krankheitsscreening auf, was die Wirksamkeit der synchronen Erfassung bimodaler Signale für die Diagnose und das Verständnis der pathologischen Mechanismen von CMT bestätigt. Es wird erwartet, dass es zur Früherkennung von Muskelfibrose eingesetzt wird und neue Wege für die klinische Diagnose und Rehabilitation solcher Erkrankungen eröffnet.
Erweiterung der Anwendungen: Von der Dual-Modalität zur Multi-Modalität
WSFP hat großes Potenzial bei der Überwachung des Muskeltrainings von Sportlern und bei der dynamischen strukturellen Bildgebungsbeurteilung neurodegenerativer Erkrankungen (wie ALS und Muskeldysfunktion nach Schlaganfall). Darüber hinaus haben die mechanomechanischen Effekte des biomedizinischen Ultraschalls das Potenzial, die Medikamentenpenetration zu beschleunigen, eine Muskelstimulation zu ermöglichen und eine nicht-invasive gezielte Medikamentenabgabe zu ermöglichen. Die zukünftige Integration von optischer Bildgebung, biomechanischen Signalen und anderen Sensortechnologien wird Ärzten umfassendere diagnostische Informationen liefern.
Zusammenarbeit und Zukunftsaussichten
Mit dem vom Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) entwickelten flexiblen Ultraschall- und elektrophysiologischen Sensorpflaster ist eine dual-simultane Erfassung von Muskelstruktur und -funktion möglich. Allerdings sind die Elektromyographie- und Ultraschallgeräte derzeit unabhängig und sperrig. Zukünftig plant das Institut die Zusammenarbeit mit mehreren Parteien, um die Miniaturisierung und Integration von Geräten durch Hardwareoptimierung und spezielle Chipentwicklung voranzutreiben. Das Institut wird außerdem das Pflaster aufrüsten, um multimodale Energiefunktionen zu integrieren, um integrierte Diagnose- und Behandlungsprodukte zu entwickeln, innovative Anwendungen wie tragbare, ultraschallgesteuerte Zelltherapie zu erforschen und diese Technologie vom Labor in die Klinik zu bringen, um die Effizienz und Genauigkeit von Diagnose und Behandlung zu verbessern und zum Fortschritt der Medizintechnik beizutragen.