《Nature Communications》：Closed-loop wearable neurostimulation system with triboelectric sensing to alleviate hemifacial spasms
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本研究針對(duì)面肌痙攣(HFS)診療難題，開(kāi)發(fā)了一種集成摩擦電傳感器(HFSS)的閉環(huán)眼鏡式神經(jīng)刺激系統(tǒng)。研究人員通過(guò)BMF-CaCu3Ti4O12(CCTO)摻雜和微米級(jí)半球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳感器輸出電壓提升2.3倍，結(jié)合可調(diào)參數(shù)電刺激模塊和峰值檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)98%的痙攣?zhàn)R別準(zhǔn)確率。臨床驗(yàn)證顯示該系統(tǒng)可有效降低痙攣強(qiáng)度，為HFS治療提供了新型無(wú)創(chuàng)解決方案。
面肌痙攣?zhàn)鳛橐环N常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，給患者的生活質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)診斷方法依賴主觀判斷，而肌電圖(EMG)監(jiān)測(cè)又受設(shè)備限制和干擾困擾。當(dāng)前主要治療手段包括短期有效的肉毒毒素(BTX)注射和高風(fēng)險(xiǎn)的微血管減壓術(shù)(MVD)，但都存在患者依從性低的問(wèn)題。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)始探索新型診療方案。
在《Nature Communications》發(fā)表的最新研究中，曲學(xué)成等研究人員開(kāi)發(fā)出一款集成于眼鏡框架的閉環(huán)面部神經(jīng)刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用摻雜丁基化三聚氰胺甲醛(BMF)-CaCu3Ti4O12(CCTO)的摩擦電傳感器，通過(guò)微米級(jí)半球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，性能提升約2.3倍。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)捕捉細(xì)微的動(dòng)態(tài)信號(hào)變化，適用于監(jiān)測(cè)面部肌肉的微小活動(dòng)，且具備零功耗特性。
研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了參數(shù)可調(diào)的定制電刺激模塊和高精度HFS檢測(cè)模型。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到痙攣時(shí)，能夠快速激活面部神經(jīng)刺激器進(jìn)行靶向神經(jīng)調(diào)控。該系統(tǒng)識(shí)別HFS的準(zhǔn)確率達(dá)到98%，初步臨床驗(yàn)證顯示其在兩名患者中能夠降低痙攣嚴(yán)重程度，盡管存在個(gè)體差異。
關(guān)鍵技術(shù)方法包括：采用CCTO摻雜PDMS和尼龍-66制備摩擦電傳感器，設(shè)計(jì)多參數(shù)可調(diào)電刺激器，基于滑動(dòng)窗口峰峰值分析的痙攣檢測(cè)算法，以及從清華大學(xué)玉泉醫(yī)院神經(jīng)外科招募的三名HFS患者進(jìn)行臨床驗(yàn)證。
性能優(yōu)化與HFSS電學(xué)輸出表征
通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腃CTO摻雜比例(10wt%)結(jié)合微米級(jí)半球結(jié)構(gòu)可使器件開(kāi)路電壓提升2.3倍。傳感器尺寸優(yōu)化為1×2cm2，機(jī)械響應(yīng)時(shí)間42.9ms，經(jīng)13,000次疲勞測(cè)試后性能偏差小于6%，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性。
硬件設(shè)計(jì)與表征
研發(fā)的專用信號(hào)采集電路可區(qū)分正常、輕微和用力眨眼（信號(hào)幅度相差達(dá)43倍）。電刺激器支持方波、三角波和正弦波等多種波形，電流輸出穩(wěn)定(1-4mA可調(diào))，脈沖寬度調(diào)節(jié)范圍1%-50%，頻率范圍1-1000Hz。
HFS診療一體化系統(tǒng)與患者測(cè)試
系統(tǒng)通過(guò)0.5秒滑動(dòng)窗口實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)HFSS信號(hào)，當(dāng)峰峰值超過(guò)手動(dòng)校準(zhǔn)的個(gè)體化閾值時(shí)自動(dòng)觸發(fā)刺激。刺激靶點(diǎn)位于乳突尖下方20mm的面神經(jīng)干體表投影區(qū)。三名HFS患者的測(cè)試顯示，系統(tǒng)對(duì)痙攣事件的識(shí)別準(zhǔn)確率平均達(dá)98.0%，觸發(fā)信號(hào)準(zhǔn)確率約95.9%。
面部痙攣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布與統(tǒng)計(jì)分析
通過(guò)口-鼻(M-N)、眼-鼻(E-N)、眼-口(E-M)和眼區(qū)(EA)四個(gè)面部特征量化分析，發(fā)現(xiàn)閉環(huán)刺激顯著改善了患者1的面部對(duì)稱性(Mann-Whitney U檢驗(yàn)：M-N, U=335.0000, p=0.0018；E-N, U=380.0000, p<0.0001)。患者2在M-N和E-N指標(biāo)上也顯示明顯改善。
此外，通過(guò)將HFSS設(shè)備置于顳淺動(dòng)脈上方，研究人員成功監(jiān)測(cè)到脈搏波變化，與專業(yè)心電圖設(shè)備記錄的心率相關(guān)性達(dá)0.96(Pearson相關(guān)系數(shù))，為探索自主神經(jīng)活動(dòng)與HFS發(fā)作的關(guān)系提供了新思路。
研究結(jié)論表明，這種集成摩擦電傳感器的閉環(huán)眼鏡式神經(jīng)刺激系統(tǒng)為HFS管理提供了一種非侵入性、實(shí)時(shí)反饋的新方法。與傳統(tǒng)的EMG電極相比，HFSS具有自供能、高信噪比、對(duì)動(dòng)態(tài)面部肌肉活動(dòng)敏感性好等優(yōu)勢(shì)，且更輕便、無(wú)需導(dǎo)電凝膠，提升了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的舒適度。
該系統(tǒng)首次將監(jiān)測(cè)與響應(yīng)性刺激整合于一體，傳感方法可能比基于EMG的方法更不易受刺激引起的偽跡影響。整個(gè)傳感模塊嵌入眼鏡式結(jié)構(gòu)中，大大增強(qiáng)了便攜性和患者依從性。臨床驗(yàn)證顯示了個(gè)體化治療效果的積極信號(hào)，盡管存在患者間差異性。
未來(lái)工作將涉及硬件和軟件的系統(tǒng)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的自適應(yīng)檢測(cè)，擴(kuò)大患者隊(duì)列以增強(qiáng)普適性和穩(wěn)健性，并探索刺激參數(shù)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，量化患者間變異性，整合多模態(tài)數(shù)據(jù)以優(yōu)化個(gè)性化閉環(huán)刺激方案。這項(xiàng)研究為未來(lái)治療相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病奠定了基礎(chǔ)，展示了可穿戴神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化中的巨大潛力。
