痙攣作為卒中后一種典型的并發癥，影響了近三分之一的卒中幸存者，主要表現為肌張力增高，肌肉激活模式異常。客觀、定量的評估卒中后痙攣患者的肌肉痙攣等級，對于調整康復計劃和預防并發癥具有關鍵作用。然而，目前肌肉痙攣檢測和評估方法面臨人工評估徒手評估主觀性強、數字設備的臨床適用局限性大以及用于監測肌肉力量的單模態傳感器功能單一、結構復雜等挑戰。因此，迫切需要提出結構簡單、監測功能全面的多模態傳感器并結合客觀定量的痙攣評估策略實現對患者肌肉痙攣等級的客觀評估。
近日，華中科技大學吳豪教授團隊成功開發了一種可同步采集生物電與生物力信號的柔性表皮傳感器，適用于肌肉痙攣的檢測與評估。該多模態傳感器可同步捕獲肌肉運動過程中產生的生物電（sEMG signal）與生物力（triboelectric signal），依托兩種信號的頻域分布差異即sEMG信號集中于高頻區間、摩擦電信號分布于低頻區間，結合小波變換技術實現雙信號的高效同步解耦。
基于肌肉痙攣與生物力、生物電信號的耦合機制，構建肌肉共激活系數（Index 1）與拮抗功效指數（Index 2）雙指標痙攣評估體系。多模態表皮傳感器與該評估策略結合，實現9名臨床患者痙攣等級的客觀定量評估，結果與醫生臨床評估高度吻合。兩指標與改良Ashworth量表（MAS）評分強相關（Spearman’s r=0.893、0.850，p<0.01），能客觀評估痙攣嚴重程度。同時，雙指標多變量模型的預測性能顯著優于單指標模型，凸顯多模態信號之間的互補優勢。該研究通過信號機制解析與評估策略創新，為臨床肌肉痙攣提供了客觀、定量的評估策略，彌補傳統主觀評估局限，助力相關疾病臨床診斷與療效監測。
2025年11月19日，相關論文以“A Soft On-skin Sensor Simultaneously Capturing Bioelectrical and Biomechanical Signals for Muscle Spasticity Detection and Assessment”為題發表在Advanced Functional Materials上，機械科學與工程學院2022級博士生王志新為論文第一作者，吳豪教授為通訊作者。
圖1 多模態表皮傳感器用于痙攣檢測與評估
摩擦電傳感器的最大表面電荷密度（σ）與摩擦層相對介電常數（εr）正相關、與有效介電厚度（d）負相關（σ∝εr/d），因此提升εr或減小d是優化摩擦電傳感器性能的核心路徑。如圖2所示，利用多巴胺（PDA）的自聚合特性與弱還原性，開發BST@PDA@Ag復合納米粒子（BPA NPs），基于PDA分子鏈空間位阻效應抑制納米填料團聚，依托高介電BST提升復合膜εr，利用金屬Ag粒子減小復合膜有效介電厚度，實現電荷密度多維度增益。同時，設計徑向排列的梯度高度微錐陣列，其力學響應呈現“逐級承載”特性，不同高度微錐隨外界壓力增大依次接觸并形變；均勻高度微錐陣列則表現為“同步受壓”模式，所有微錐同步形變。這種力學行為差異通過強化應力集中效應、拓展有效形變壓力區間，實現傳感靈敏度的顯著提升與傳感范圍的大幅拓展。
圖2 材料與結構設計提升傳感性能
如圖3所示，所開發的多模態表皮傳感器結合提出的雙指標痙攣評估策略，成功實現對臨床9名患者肌肉痙攣等級的客觀定量評估，其評估結果與專業醫生的臨床評估結果高度吻合。結果表明，兩個指標均與改良Ashworth分級量表（MAS）評分呈強相關性，Spearman相關系數（r）分別為0.893和0.850，p值均<0.01，能夠客觀反應痙攣嚴重程度；且融合指標1與指標2的多變量模型預測性能最優，顯著優于單變量模型。該結果充分證實，聯合生物電與生物力信號，可借助二者的互補信息顯著提升痙攣評估的準確性與可靠性，為臨床肌肉痙攣的客觀量化評估提供了有效技術支撐。
圖3 基于雙指標痙攣評估策略的肌肉痙攣檢測與評估
相關工作得到了國家自然科學基金原創探索及其延續資助項目（52550004, 52188102）以及機械科學與工程學院STAR項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202523580.
