痉挛作为卒中后一种典型的并发症，影响了近三分之一的卒中幸存者，主要表现为肌张力增高，肌肉激活模式异常。客观、定量的评估卒中后痉挛患者的肌肉痉挛等级，对于调整康复计划和预防并发症具有关键作用。然而，目前肌肉痉挛检测和评估方法面临人工评估徒手评估主观性强、数字设备的临床适用局限性大以及用于监测肌肉力量的单模态传感器功能单一、结构复杂等挑战。因此，迫切需要提出结构简单、监测功能全面的多模态传感器并结合客观定量的痉挛评估策略实现对患者肌肉痉挛等级的客观评估。
近日，华中科技大学吴豪教授团队成功开发了一种可同步采集生物电与生物力信号的柔性表皮传感器，适用于肌肉痉挛的检测与评估。该多模态传感器可同步捕获肌肉运动过程中产生的生物电（sEMG signal）与生物力（triboelectric signal），依托两种信号的频域分布差异即sEMG信号集中于高频区间、摩擦电信号分布于低频区间，结合小波变换技术实现双信号的高效同步解耦。
基于肌肉痉挛与生物力、生物电信号的耦合机制，构建肌肉共激活系数（Index 1）与拮抗功效指数（Index 2）双指标痉挛评估体系。多模态表皮传感器与该评估策略结合，实现9名临床患者痉挛等级的客观定量评估，结果与医生临床评估高度吻合。两指标与改良Ashworth量表（MAS）评分强相关（Spearman’s r=0.893、0.850，p<0.01），能客观评估痉挛严重程度。同时，双指标多变量模型的预测性能显著优于单指标模型，凸显多模态信号之间的互补优势。该研究通过信号机制解析与评估策略创新，为临床肌肉痉挛提供了客观、定量的评估策略，弥补传统主观评估局限，助力相关疾病临床诊断与疗效监测。
2025年11月19日，相关论文以“A Soft On-skin Sensor Simultaneously Capturing Bioelectrical and Biomechanical Signals for Muscle Spasticity Detection and Assessment”为题发表在Advanced Functional Materials上，机械科学与工程学院2022级博士生王志新为论文第一作者，吴豪教授为通讯作者。
图1 多模态表皮传感器用于痉挛检测与评估
摩擦电传感器的最大表面电荷密度（σ）与摩擦层相对介电常数（εr）正相关、与有效介电厚度（d）负相关（σ∝εr/d），因此提升εr或减小d是优化摩擦电传感器性能的核心路径。如图2所示，利用多巴胺（PDA）的自聚合特性与弱还原性，开发BST@PDA@Ag复合纳米粒子（BPA NPs），基于PDA分子链空间位阻效应抑制纳米填料团聚，依托高介电BST提升复合膜εr，利用金属Ag粒子减小复合膜有效介电厚度，实现电荷密度多维度增益。同时，设计径向排列的梯度高度微锥阵列，其力学响应呈现“逐级承载”特性，不同高度微锥随外界压力增大依次接触并形变；均匀高度微锥阵列则表现为“同步受压”模式，所有微锥同步形变。这种力学行为差异通过强化应力集中效应、拓展有效形变压力区间，实现传感灵敏度的显著提升与传感范围的大幅拓展。
图2 材料与结构设计提升传感性能
如图3所示，所开发的多模态表皮传感器结合提出的双指标痉挛评估策略，成功实现对临床9名患者肌肉痉挛等级的客观定量评估，其评估结果与专业医生的临床评估结果高度吻合。结果表明，两个指标均与改良Ashworth分级量表（MAS）评分呈强相关性，Spearman相关系数（r）分别为0.893和0.850，p值均<0.01，能够客观反应痉挛严重程度；且融合指标1与指标2的多变量模型预测性能最优，显著优于单变量模型。该结果充分证实，联合生物电与生物力信号，可借助二者的互补信息显著提升痉挛评估的准确性与可靠性，为临床肌肉痉挛的客观量化评估提供了有效技术支撑。
图3 基于双指标痉挛评估策略的肌肉痉挛检测与评估
相关工作得到了国家自然科学基金原创探索及其延续资助项目（52550004, 52188102）以及机械科学与工程学院STAR项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202523580.
