中国是全球康复需求最大的国家，其中肌肉骨骼疾病患者数量最多，有超过3亿人口患有不同程度的肌骨系统疾病。对于患者肌肉以及运动状态的精准诊断评估是这些肌骨疾病患者高效康复治疗的前提。穿戴式传感技术的发展提供了监测肌肉活动力学、电学等多维运动生理信息的手段，能够在现有的以临床影像、评估量表、医师徒手评估等手段为代表的临床诊断体系之外提供更丰富的客观指标，并且具有低成本、能够长期连续监测、舒适性高等优势。
北京航空航天大学生物与医学工程学院樊瑜波教授、李儒雅教授团队联合北京积水潭医院在国际知名期刊《Advanced Healthcare Materials》发表题为“集成式离电FMG-sEMG传感用于解码肌肉激活机制和力量评估（Integrated Iontronic FMG-sEMG Sensing for Decoding Muscle Activation Mechanisms and Force Assessment）”的论文。研究团队通过集成表面肌电（sEMG）和力学描记（FMG）的iFEMG薄膜柔性传感器，实现对肌肉激活时神经兴奋-肌纤维收缩的生理电学、生物力学信息同步采集；在领域内首次尝试从肌肉几何形态特征的角度出发探究FMG信号的生理机制，获得信号-肌肉形态-肌肉力量之间的关系；基于传感机制搭建肌力评估模型，实现了肌肉力量动态评估，并在健康人和肘关节损伤患者上进行了功能验证。樊瑜波教授、李儒雅教授和积水潭医院查晔军教授为论文的通讯作者，北航生物与医学工程学院博士生邹佩锴为论文第一作者，北京航空航天大学为第一完成单位。
图 1 iFEMG传感系统设计与传感器原理
团队提出的离电FMG-sEMG薄膜传感器厚度仅为约110微米，集成了基于离子电双层原理的高灵敏度压力传感器和肌电电极（图1）。传感器被设计为根据目标肌肉的解剖学位置排布，同步采集运动中主动肌与拮抗肌的生理特征信号。根据信号频段优化设计的信号采集电路有效去除信号之间的噪声串扰，实现力-电耦合信号的高质量采集。
图 2 FMG传感器性能表征
研究团队针对离电FMG传感器的响应特性进行了建模和一系列测试和优化。针对离子层材料与基底层粘合力不足的问题引入了PMMA键合层，显著提升了聚合物之间的键合，改善了FMG传感器的可靠性。此外，通过结构优化实现了传感器测量范围、灵敏度和线性程度与人体FMG信号采集的适配。（图2）
图 3 骨骼肌超声图像提取肌肉激活时的厚度和肌筋膜曲率半径参数
图 4 不同肌力等级下肌肉形态特征统计分析
图 5 FMG信号与肌力、初始压力，以及FMG信号与肌肉形态特征的线性混合效应模型分析结果
为了解析FMG信号与肌肉形态特征、肌肉力量的关联，团队从力学分析角度出发，基于健康受试者的骨骼肌超声图像提取肌肉激活时的厚度和肌筋膜曲率半径参数（图3），统计分析结果表明肌肉在不同力量等级下曲率半径、厚度均可呈现出显著性变化（图4）。其中，肌肉作为主动肌激活时，肌筋膜曲率半径变化显著且呈下降趋势，这种特性是FMG信号幅度与肌肉力量之间正相关关系的重要依据。此外，线性混合效应模型在考虑了受试者个体差异的随机因素后，也得出了FMG信号与肌肉力量、肌肉形态特征之间的显著性关联（图5）。这些结果建立了穿戴式传感器信号-肌肉生物力学特征-肌肉力量与功能之间的联系，为临床应用中基于信号特征分析肌肉活动提供了理论依据。
图 6 基于SVR模型的肌力预测结果
针对肌肉力量动态评估，研究团队通过生理信号特征融合提取和个体化特征标准化建立了一套基于SVR回归模型的肌力评估算法。针对“先训练后应用”和“现有模型推广至新受试者”两种应用场景进行了模型评估。结果表明FMG-sEMG信号融合策略显著提升了肌力评估模型的准确率和泛化能力（图6）。
图7 iFEMG系统用于肘关节损伤患者的康复训练监测与肌肉激活评估
老年人是肘关节损伤的高发人群，肘关节置换术后常见关节活动度受限、肌力降低、关节疼痛等情况，严重影响日常生活。经10余例肘关节置换临床病例研究发现，术后患侧肘关节屈、伸力量相较健侧均显著降低，其中伸展力量下降尤其严重。统计分析结果表明患侧肌肉肌电信号增强而FMG信号减弱，表明肌纤维损伤和收缩不足是导致肌力降低的主要因素，而神经电信号可能产生了代偿作用（图7）。此外，研究发现肌力评估模型对患侧肌力的拟合决定系数与患侧最大伸展力量相关，进一步验证了本研究提出的穿戴式设备对肌肉活动的有效监测，佐证了伸展肌群的损伤是影响术后康复的关键因素。
该研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3603500）、国家自然科学基金（12332019、U20A20390）、中央高校基础科研基金和北京积水潭医院精英青年学者计划资助。
原文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202500843