柔性電子之父，最新Science子刊：“貼一貼”就能測出皮膚硬度！

可穿戴生物力學(xué)系統(tǒng)問世：實(shí)時(shí)量化皮膚彈性，精準(zhǔn)監(jiān)測軟組織疾病

在臨床實(shí)踐中，皮膚及深層軟組織的力學(xué)特性變化，往往是多種病理過程的早期信號(hào)。從衰老、纖維化到淋巴水腫和系統(tǒng)性硬化癥，這些狀況均會(huì)引起皮膚彈性（即應(yīng)力-應(yīng)變行為）的改變。然而，當(dāng)前的評(píng)估手段存在顯著局限：傳統(tǒng)方法如觸診或“捏提測試”高度依賴訓(xùn)練有素的醫(yī)生，主觀性強(qiáng)且分辨率有限；而基于抽吸、壓痕或超聲彈性成像的儀器設(shè)備則通常體積龐大、操作復(fù)雜，且易受皮膚曲率和組織結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的干擾，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、便捷的床旁監(jiān)測。這一技術(shù)缺口使得許多患者的病情惡化（如感染、皮膚破潰、不可逆纖維化及功能障礙）未能被及時(shí)識(shí)別，增加了治療負(fù)擔(dān)并降低了生活質(zhì)量。因此，臨床急需一種能直接、定量、且可在不同解剖部位進(jìn)行深度分辨測量的可穿戴工具，以填補(bǔ)軟組織力學(xué)評(píng)估的空白。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，美國西北大學(xué)John A. Rogers院士、黃永剛院士、AnnMarie Flores教授和韓國成均館大學(xué)Jae-Young Yoo教授合作，開發(fā)了一款緊湊型、無線、可穿戴的生物力學(xué)診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過集成式激振器和慣性測量單元，直接捕捉設(shè)備與皮膚界面間的振轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚及皮下組織彈性模量的局域化、精準(zhǔn)量化。該系統(tǒng)通過可更換的接觸頭調(diào)節(jié)有效測量深度，既能探測表層皮膚，也能感知深達(dá)40毫米的肌肉與筋膜層。兩項(xiàng)分別針對(duì)癌癥相關(guān)淋巴水腫和系統(tǒng)性硬化癥患者的臨床研究驗(yàn)證了其有效性，數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)臨床指標(biāo)高度相關(guān)。該技術(shù)不僅適用于臨床環(huán)境，更有望在家庭場景中支持長期縱向評(píng)估，為軟組織疾病的早期發(fā)現(xiàn)和進(jìn)程管理提供了全新的工程解決方案。相關(guān)論文以“A wearable biomechanical system for medical evaluation of soft tissue disorders”為題，發(fā)表在Science Advances上。

該設(shè)備的核心設(shè)計(jì)如圖1A所示。它由一個(gè)集成偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量馬達(dá)和慣性測量單元的小島、以及包含鋰聚合物電池和藍(lán)牙低能耗系統(tǒng)級(jí)芯片的主機(jī)體組成。兩部分通過蛇形可拉伸導(dǎo)線連接，并由軟硅膠外殼封裝。這種設(shè)計(jì)使得馬達(dá)振動(dòng)幾乎不受其他部件干擾，同時(shí)設(shè)備能夠承受25%拉伸、5毫米半徑彎曲乃至360°扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜形變而不損壞（圖1C）。在測量時(shí)，設(shè)備通過醫(yī)用雙面膠直接貼附于皮膚，無需手動(dòng)按壓，大大簡化了操作流程（圖1B）。設(shè)備待機(jī)功耗低于5毫瓦，單次充電可支持約180次測量（每次約1秒），并通過近場通信實(shí)現(xiàn)無線充電（圖1F、G）。配套的用戶界面軟件能實(shí)時(shí)處理加速度數(shù)據(jù)，提取振動(dòng)頻率和位移幅值（圖1H），其工作原理基于一個(gè)直觀的物理關(guān)系：皮膚模量越高（即越硬），對(duì)振動(dòng)的機(jī)械阻力越大，導(dǎo)致振動(dòng)頻率升高而振幅降低（圖1D）。更重要的是，通過更換不同半徑（R2.5、R6、R10）的皮膚接觸頭，可以調(diào)節(jié)剪切力在組織中的傳播深度——小接觸頭主要反映表層信息，而大接觸頭（如R10）則能將振動(dòng)有效傳遞至皮下約40毫米深處（圖1E），這為區(qū)分不同組織層的力學(xué)貢獻(xiàn)提供了關(guān)鍵能力。

圖1. 無線皮膚模量傳感系統(tǒng)的示意圖。 （A）設(shè)備照片及分解圖，展示了由偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量馬達(dá)、慣性測量單元、蛇形互連、電池和無線電子模塊組成的結(jié)構(gòu)。 （B）不同尺寸的可互換皮膚接觸頭（R2.5、R6、R10），用于調(diào)節(jié)測量深度。 （C）設(shè)備在拉伸、彎曲和扭曲等形變下的照片，以及有限元模擬的應(yīng)變分布。 （D）在低模量（軟）和高模量（硬）皮膚仿體上測得的加速度波形與頻率-幅值變化示意。 （E）有限元模擬顯示不同接觸頭半徑下剪切力在組織中的傳播深度差異（R2.5 vs. R10）。 （F）單次充電可支持的測量次數(shù)及待機(jī)功耗。 （G）系統(tǒng)硬件框圖，包括藍(lán)牙系統(tǒng)級(jí)芯片、慣性測量單元、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)及無線充電模塊。 （H）用戶界面軟件截圖，展示實(shí)時(shí)加速度波形、頻率和幅值的提取算法。

為驗(yàn)證該傳感機(jī)制的準(zhǔn)確性，研究者建立了穩(wěn)態(tài)條件下的分析模型，并通過皮膚仿體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)校準(zhǔn)。如圖2A-C所示，由偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心力驅(qū)動(dòng)設(shè)備在皮膚表面做平面內(nèi)振動(dòng)，加速度呈標(biāo)準(zhǔn)正弦波形。通過高速相機(jī)點(diǎn)追蹤驗(yàn)證，位移幅值可由加速度幅值精確換算。在不同模量的聚二甲基硅氧烷仿體上測試顯示，測量頻率和幅值與理論預(yù)測高度吻合，誤差小于10%，且封裝外殼不影響結(jié)果。進(jìn)一步地，為了探究深度分辨能力，研究者使用相同模量但厚度不同的仿體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，R2.5小頭在仿體厚度僅3.3毫米時(shí)就達(dá)到模量飽和值，而R10大頭需要厚度約40毫米才能飽和，表明大接觸頭能有效感應(yīng)更深層的組織（圖2D）。三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（圖2E-G）直接可視化了這一現(xiàn)象：R6頭在表面產(chǎn)生較大的位移，但隨深度增加迅速衰減，深層變形不均勻；而R10頭雖表面位移較小，卻能在深層維持更均勻、線性的衰減輪廓，證明了其穩(wěn)定的深部耦合能力。相比之下，R2.5頭因過小的接觸面積容易產(chǎn)生歐拉盤式三維晃動(dòng)，導(dǎo)致耦合不穩(wěn)定甚至接觸丟失，這為工程上設(shè)定有效激勵(lì)的穩(wěn)定邊界提供了依據(jù)。

圖2. 振動(dòng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 （A）偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量馬達(dá)在皮膚表面產(chǎn)生的x/y/z方向加速度波形，顯示為穩(wěn)態(tài)正弦振蕩。 （B）在不同模量皮膚仿體上測得的振動(dòng)頻率和位移幅值數(shù)據(jù)。 （C）實(shí)驗(yàn)測量模量與理論預(yù)測值的對(duì)比，顯示良好一致性。 （D）不同接觸頭（R2.5、R6、R10）在變化厚度的仿體上測得的表觀模量變化曲線，反映其深度敏感范圍。 （E）三維數(shù)字圖像相關(guān)測量得到的橫向位移幅值隨深度衰減曲線（R6 vs. R10）。 （F）R6和R10頭在仿體不同深度處產(chǎn)生的位移場云圖對(duì)比。 （G）位移幅值隨深度的歸一化衰減剖面，顯示R10頭具有更均勻的深層傳播特性。

在人體測量中，設(shè)備展現(xiàn)出優(yōu)異的重復(fù)性（精度≤5%）和角度不敏感性（圖3A-B）。如圖3C所示，在不同體表部位（前臂、大腿、腹部等），R2.5頭測得的值（>20 kPa）主要反映表皮和真皮層，而R6頭測得的值（<10 kPa）則更接近皮下脂肪的力學(xué)特性。這種深度區(qū)分能力使得設(shè)備能夠捕捉到深層肌肉活動(dòng)的力學(xué)效應(yīng)：當(dāng)受試者收縮前臂屈肌時(shí)，R2.5頭測得的模量增加約1.2倍，而R6頭測得值增加近三倍（圖3D）；同樣，在股四頭肌收縮及皮膚拉伸時(shí)（圖3E-F），R6頭同樣顯示更顯著的模量上升。研究者還展示了多傳感器陣列的應(yīng)用潛力：一個(gè)4×2的傳感器陣列貼于上背部，可在前屈姿態(tài)下實(shí)時(shí)繪制出皮膚張力分布圖（圖3H-I），其中上背部因皮膚伸展而模量升高，下背部則因豎脊肌收縮形成局部隆起，兩側(cè)差異清晰可辨。當(dāng)傳感器間距大于10毫米時(shí)，相互串?dāng)_小于10%，確保了多點(diǎn)同步測量的可靠性（圖3G）。

圖3. 人體皮膚模量測量與多傳感器陣列應(yīng)用。 （A）不同測量時(shí)長下穩(wěn)態(tài)模量值的一致性驗(yàn)證。 （B）同一部位多次測量的重復(fù)性統(tǒng)計(jì)（精度≤5%）。 （C）不同體表部位（前臂、大腿、腹部、小腿、上臂等）使用R2.5和R6頭測得的模量值對(duì)比，顯示淺層與深層差異。 （D）前臂屈肌收縮時(shí)，R2.5和R6頭測得的模量動(dòng)態(tài)變化（應(yīng)力-松弛過程）。 （E-F）股四頭肌在坐姿與站姿下的收縮與放松循環(huán)中，R6頭記錄的實(shí)時(shí)模量跟蹤。 （G）多傳感器間串?dāng)_評(píng)估，顯示間距>10 mm時(shí)影響小于10%。 （H）4×2傳感器陣列貼附于上背部的照片。 （I）前屈姿態(tài)下，陣列各點(diǎn)位測得的模量變化熱力圖，顯示上背部伸展與下背部肌肉隆起引起的空間分布差異。

在臨床應(yīng)用中，該設(shè)備首先被用于癌癥相關(guān)淋巴水腫的評(píng)估（圖4）。淋巴水腫導(dǎo)致皮下淋巴液異常積聚，引起腫脹、炎癥乃至纖維化，力學(xué)特性隨之改變。研究納入28名單側(cè)上肢淋巴水腫患者（1期和2期），在患側(cè)和健側(cè)手臂的五個(gè)解剖位點(diǎn)進(jìn)行測量，并以商用壓痕儀（ElastiMeter）和生物阻抗譜儀（SOZO）作為參照。結(jié)果顯示，在薄皮膚區(qū)域（如前臂遠(yuǎn)端），水腫引起的環(huán)向拉伸應(yīng)變導(dǎo)致有效模量顯著升高，且R6和R10大接觸頭的模量變化與臂圍差及L-Dex生物阻抗評(píng)分（>10為臨床顯著）的相關(guān)性（Pearson系數(shù)>0.5）明顯優(yōu)于僅測表層的R2.5頭（r=0.434）（圖4D-G）。進(jìn)一步分析顯示，患者患側(cè)與健側(cè)模量差值在1期平均為3.09 kPa（95%置信區(qū)間：[1.43, 4.75]），2期升至9.9 kPa（95%置信區(qū)間：[5.07, 14.65]），而健康對(duì)照組僅為0.34 kPa（95%置信區(qū)間：[0.05, 0.63]），單因素方差分析顯示組間差異顯著（F=4.69, P=0.017）。該模量差值還與L-Dex評(píng)分和臂體積差呈良好線性相關(guān)（圖4H-I），且重復(fù)測量表明個(gè)體內(nèi)變異僅為個(gè)體間變異的0.12倍，提示該指標(biāo)有望作為早期診斷和分期監(jiān)測的客觀生物標(biāo)志物。

圖4. 淋巴水腫患者的臨床應(yīng)用。 （A）測量位點(diǎn)示意圖（前臂遠(yuǎn)端/近端、上臂遠(yuǎn)端/近端、腋窩區(qū)）。 （B）設(shè)備與商用壓痕儀（ElastiMeter）在不同位點(diǎn)測得的模量值對(duì)比，趨勢(shì)一致。 （C）代表性淋巴水腫患者雙臂外觀照片，患側(cè)明顯腫脹。 （D）L-Dex評(píng)分>10的患者（n=28），患側(cè)與健側(cè)模量差值的箱線圖（R6和R10頭），顯示遠(yuǎn)端部位差異最顯著。 （E-G）R2.5、R6、R10頭測得的模量差值與臂圍變化的相關(guān)性散點(diǎn)圖，R6/R10相關(guān)性更高。 （H）遠(yuǎn)端前臂處模量差值與L-Dex評(píng)分的相關(guān)性分析。 （I）模量差值與雙臂體積差的線性回歸。 （J）健康對(duì)照、1期和2期淋巴水腫患者模量差值的組間比較，顯示顯著遞增趨勢(shì)（P=0.017）。

第二個(gè)臨床驗(yàn)證針對(duì)系統(tǒng)性硬化癥（硬皮病），該病以皮膚水腫、體積膨脹和進(jìn)行性纖維化為特征，傳統(tǒng)評(píng)估依賴半定量的改良Rodnan皮膚評(píng)分（mRSS，0-3分），主觀性強(qiáng)且對(duì)微小變化不敏感。研究者對(duì)患者的手指、手背和前臂三個(gè)典型部位進(jìn)行了測量（圖5A）。結(jié)果顯示，患者所有受累部位的模量值均顯著升高，范圍在50-100 kPa，而未受累部位及健康對(duì)照則低于20 kPa（圖5B-D），平均升高超過三倍，個(gè)別部位甚至超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。更重要的是，測得的模量值隨mRSS評(píng)分的增高呈明確上升趨勢(shì)（圖5E），表明該設(shè)備能夠提供連續(xù)、客觀的量化指標(biāo)，有望替代主觀量表，更靈敏地追蹤疾病進(jìn)展和治療反應(yīng)。

圖5. 系統(tǒng)性硬化癥（硬皮病）患者的臨床應(yīng)用。 （A）測量位點(diǎn)示意圖（食指、手背、前臂）。 （B-D）患者受累側(cè)與未受累側(cè)以及健康對(duì)照在食指（B）、手背（C）、前臂（D）的模量值對(duì)比，受累側(cè)模量顯著升高（50-100 kPa vs. <20 kPa）。 （E）患者各部位模量值與改良Rodnan皮膚評(píng)分（mRSS，0-3分）的分級(jí)箱線圖，顯示模量隨評(píng)分升高呈明確遞增趨勢(shì)，表明其可作為客觀量化指標(biāo)。

綜合來看，這款可穿戴生物力學(xué)系統(tǒng)通過精準(zhǔn)的振轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)傳感，實(shí)現(xiàn)了從表皮到深層肌肉組織的彈性模量定量評(píng)估，并以其無線、緊湊、易用和可深度編程的特點(diǎn)，克服了現(xiàn)有技術(shù)的諸多局限。在淋巴水腫和硬皮病中的成功驗(yàn)證，不僅展示了其作為早期診斷和病程監(jiān)測工具的直接臨床價(jià)值，還為其在更廣泛場景中的應(yīng)用打開了大門——例如，輔助鑒別下肢蜂窩織炎（誤診率高達(dá)30%）、指導(dǎo)壓力襪治療以預(yù)防昂貴的靜脈潰瘍（美國每年為此支出25至35億美元）、客觀評(píng)估炎癥性皮損、以及監(jiān)測肌肉肥大和術(shù)后康復(fù)進(jìn)程。該技術(shù)提供了一種從“主觀觸診”轉(zhuǎn)向“數(shù)字生物標(biāo)志物”的范式轉(zhuǎn)移，既可作為臨床試驗(yàn)中抗纖維化新藥療效的客觀終點(diǎn)，也有望在家庭護(hù)理中賦能患者自我管理。隨著未來在更大規(guī)模隊(duì)列中的前瞻性驗(yàn)證，這一系統(tǒng)有望成為軟組織力學(xué)評(píng)估的新一代通用平臺(tái)。