Na całym świecie zaburzenia nerwowo-mięśniowe są główną przyczyną chorób i niepełnosprawności. Monitorowanie in situ-w czasie rzeczywistym struktury i funkcji tkanki mięśniowej jest kluczowym narzędziem w diagnostyce i rehabilitacji chorób nerwowo-mięśniowych. Jednak tradycyjne, przenośne systemy monitorowania mają trudności z osiągnięciem tego celu. Konwencjonalne, sztywne urządzenia ultradźwiękowe wymagają siły zewnętrznej do przytrzymania sondy przy skórze. Chociaż minimalizuje to obrazowanie narządów wewnętrznych, powoduje deformację mięśni i trudności w przystosowaniu się do nawet 40% deformacji występujących podczas dynamicznego ruchu mięśni, co stanowi wyzwanie w ocenie przyczyny i przebiegu choroby.
Niedawno badacze Liu Zhiyuan, Ma Teng i Tian Qiong z Instytutów Zaawansowanych Technologii w Shenzhen (SIAT) Chińskiej Akademii Nauk (CAS) wraz z profesorem Yanem Wei z Uniwersytetu Donghua wspólnie opracowali elastyczną łatkę do podwójnego-modalnego monitorowania strukturalnego i funkcjonalnego dynamicznego układu nerwowo-mięśniowego, oferując innowacyjne rozwiązanie tego problemu. Wśród nich badacz Ma Teng skupił się na badaniach elastycznych plastrów ultradźwiękowych i wielofunkcyjnej technologii obrazowania, a badacz Liu Zhiyuan zajmował się badaniami i rozwojem materiałów łączących i struktur urządzeń z rozciągliwymi elektrodami. Powiązane wyniki opublikowano w czasopiśmie „Science Advances” pod tytułem „Strukturalna-funkcjonalna, synchroniczna sekcja dynamicznego układu nerwowo-mięśniowego in situ za pomocą zintegrowanej wielomodalnej łatki do noszenia”.
Ubieralna łata z czujnikiem do jednoczesnego monitorowania informacji strukturalnych i funkcjonalnych
Opracowana w ramach tych badań konstrukcja do noszenia, funkcjonalna podwójna-modalna łatka wykrywająca (WSFP), łączy elastyczną matrycę obrazowania ultradźwiękowego z miękkimi, rozciągliwymi elektrodami i zawiera innowacyjną, odkształcalną warstwę buforową. Umożliwia nie tylko-dokładne obrazowanie struktury mięśni, ale także jednocześnie rejestruje dynamiczne sygnały elektrofizjologiczne mięśni (EMG), co pozwala na rzeczywiste podwójne-modalne monitorowanie struktury i funkcji fizjologicznej. Działa wyjątkowo dobrze, utrzymując się do 72 godzin i przy dynamicznych deformacjach skóry do 37,5%.
Zastosowanie kliniczne: Wspomagana diagnostyka wrodzonego kręczu szyi (CMT) u dzieci
Wrodzony kręcz szyi mięśniowej (CMT) u dzieci charakteryzuje się zmianami strukturalnymi i funkcjonalnymi w mięśniu mostkowo-obojczykowo-sutkowym (SCM) w trakcie rozwoju, co może mieć trwały, a nawet przez całe życie, negatywny wpływ na postawę dziecka, funkcję szyi i jakość życia. W miarę postępu choroby zajęty mięsień wykazuje zgięcie, rozmyte krawędzie, zwłóknienie i pogrubienie podczas ruchu, a topografia EMG ujawnia słabą i asymetryczną aktywację mięśni. W porównaniu z tradycyjnym monitorowaniem jednomodalnym, dane bimodalne WSFP mają dokładność klasyfikacji wynoszącą ponad 90% w rozpoznawaniu ruchu i badaniach przesiewowych chorób, weryfikując skuteczność synchronicznego pozyskiwania sygnałów bimodalnych w celu diagnozowania i zrozumienia patologicznych mechanizmów CMT. Oczekuje się, że zostanie wykorzystana do wczesnego wykrywania zwłóknienia mięśni i otworzy nowe kierunki diagnostyki klinicznej i rehabilitacji tych chorób.
Rozszerzanie zastosowań: od podwójnej-modalności do wielu-modalności
WSFP ma ogromny potencjał w monitorowaniu treningu mięśni sportowców oraz w dynamicznej ocenie strukturalnego obrazowania chorób neurodegeneracyjnych (takich jak ALS i-udarowa dysfunkcja mięśni). Co więcej, mechanomechaniczne działanie ultradźwięków biomedycznych może potencjalnie przyspieszyć penetrację leku, umożliwić stymulację mięśni i umożliwić nieinwazyjne, ukierunkowane dostarczanie leków. Przyszła integracja obrazowania optycznego, sygnałów biomechanicznych i innych technologii wykrywania zapewni lekarzom bogatsze informacje diagnostyczne.
Współpraca i perspektywy na przyszłość
Dzięki elastycznej łatce do wykrywania ultradźwięków i elektrofizjologii opracowanej przez Instytut Zaawansowanych Technologii w Shenzhen (SIAT) udało się uzyskać podwójną-modalną jednoczesną akwizycję struktury i funkcji mięśni. Jednakże sprzęt do elektromiografii i ultrasonografii jest obecnie niezależny i zajmuje dużo miejsca. W przyszłości instytut planuje współpracować z wieloma stronami w celu promowania miniaturyzacji i integracji sprzętu poprzez optymalizację sprzętu i rozwój specjalistycznych chipów. Instytut zmodernizuje także plaster, aby zintegrować multimodalne funkcje energii w celu opracowania zintegrowanych produktów do diagnostyki i leczenia, zbadania-nowoczesnych zastosowań, takich jak terapia komórkowa sterowana ultradźwiękami-, a także przeniesienia tej technologii z laboratorium do kliniki, poprawiając skuteczność i dokładność diagnozowania i leczenia oraz przyczyniając się do rozwoju technologii medycznej.