在血管介入、消化道內(nèi)鏡以及磁驅(qū)動(dòng)醫(yī)療機(jī)器人等微創(chuàng)醫(yī)療場(chǎng)景中，如何對(duì)體內(nèi)器械進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的三維定位，始終是保障手術(shù)安全與提升操作效率的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前臨床實(shí)踐中，CT、MRI 和 DSA 等影像技術(shù)仍被廣泛采用，其中 DSA 具備良好的實(shí)時(shí)成像能力，但整體設(shè)備體量大、對(duì)手術(shù)環(huán)境依賴較強(qiáng)，且多數(shù)情況下只能提供二維投影信息，并伴隨著輻射暴露。相比之下，磁定位具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它提供實(shí)時(shí)的三維跟蹤，無(wú)電離輻射或復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施要求。然而傳統(tǒng)磁定位系統(tǒng)通常依賴固定、剛性的外部傳感陣列或大型電磁裝置，其部署靈活性和有效工作空間受到限制，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的臨床操作環(huán)境。

2月4日，浙江大學(xué)控制學(xué)院陸豪健研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院徐天添研究員團(tuán)隊(duì)在知名學(xué)術(shù)期刊《Nature》（《自然》）旗下專(zhuān)注于傳感器研究領(lǐng)域的子刊《Nature Sensors》（《自然·傳感器》）上發(fā)表題為“A Portable and Flexible Intermediary Patch for in vivo Magnetic Localization”的研究論文。論文創(chuàng)新性地提出了一種靈活的柔性磁傳感器陣列和雙級(jí)定位范式，實(shí)現(xiàn)術(shù)中體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備的高精度實(shí)時(shí)全局三維定位。浙江大學(xué)控制學(xué)院博士生向平宇，碩士孫丹穎，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士生馬國(guó)耀為共同第一作者，陸豪健研究員和徐天添研究員為共同通訊作者，其他合作者包括浙江大學(xué)控制學(xué)院博士生張宏業(yè)，熊蓉教授和王越教授。

圖1 論文上線截圖

從“固定參考”到“隨形部署”的磁定位范式轉(zhuǎn)變

本文的核心貢獻(xiàn)點(diǎn)在于提出不再依賴固定位置的剛性傳感陣列的磁定位框架，能將按醫(yī)療場(chǎng)景定制的柔性傳感器貼片布置在盡可能靠近目標(biāo)的位置，從而實(shí)現(xiàn)多種介入醫(yī)療場(chǎng)景中的高精度三維在體定位，為磁定位技術(shù)在臨床中的應(yīng)用提供了一種更加靈活的解決方案。

圖 2 柔性貼片在不同醫(yī)療場(chǎng)景中的示意圖

一貼一算，打開(kāi)雙階段磁定位新方式

在工程實(shí)現(xiàn)方面，不同于大部分磁定位研究，該中間貼片基于柔性印刷電路板構(gòu)建，整體結(jié)構(gòu)輕薄、柔順，可根據(jù)具體應(yīng)用需求設(shè)計(jì)為不同形狀與尺寸，如貼附于體表，或集成于探頭、內(nèi)鏡等醫(yī)療器械表面，實(shí)現(xiàn)“即貼即用”的部署模式。

圖3 不同構(gòu)型的柔性貼片

基于此柔性貼片，提出雙階段定位算法，該框架類(lèi)似于A-GPS（輔助全球定位系統(tǒng)）中的“基站輔助定位”機(jī)制：先由外部磁源確定中間貼片在全局坐標(biāo)系中的位置，再以該貼片作為局部參考，實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)小型磁性目標(biāo)的定位。

圖4 由外部磁源定位中間貼片

柔性陣列和雙階段磁定位框架的引入，為磁定位向小型化、可部署化提供了現(xiàn)實(shí)路徑。該定位系統(tǒng)能夠更自然地嵌入各種現(xiàn)有醫(yī)療器械體系中，從而降低臨床場(chǎng)景中定位設(shè)備的硬件門(mén)檻。

體外模型驗(yàn)證：“貼”近目標(biāo)，而非“框”住操作

在手術(shù)部位多樣、器械介入路徑復(fù)雜或?qū)Σ渴痨`活性要求較高的臨床應(yīng)用中，固定感知范圍與部署位置仍面臨一定的隱性限制，在許多情況下需要在定位精度與有效工作空間之間權(quán)衡。在此背景下，本文所提出的方法引入柔性磁傳感貼片作為中間單元，對(duì)傳統(tǒng)磁定位系統(tǒng)的部署方式進(jìn)行了拓展，在不改變?cè)写哦ㄎ换驹淼那疤嵯拢行嵘讼到y(tǒng)對(duì)目標(biāo)的針對(duì)性和對(duì)復(fù)雜臨床場(chǎng)景的適應(yīng)能力。腦動(dòng)脈血管介入和ERCP導(dǎo)絲置入的模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的靈活性和面向臨床特定部位精確定位的優(yōu)良性能。

圖5 體外模型定位驗(yàn)證

多場(chǎng)景體內(nèi)全鏈條測(cè)試

在真實(shí)生物環(huán)境中對(duì)完整流程進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，是這項(xiàng)技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵一步。研究團(tuán)隊(duì)將系統(tǒng)帶入多種典型體內(nèi)場(chǎng)景開(kāi)展測(cè)試：在巴馬豬體內(nèi)模擬了ERCP 介入過(guò)程，在巴馬豬股動(dòng)脈內(nèi)進(jìn)行了導(dǎo)絲定位實(shí)驗(yàn)，并對(duì)新西蘭兔進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間柔性佩戴實(shí)驗(yàn)，通過(guò)連續(xù)采集的信號(hào)，分析胃腸蠕動(dòng)速度等生理指標(biāo)變化。跨器官、跨模型、跨應(yīng)用場(chǎng)景的連續(xù)實(shí)驗(yàn)，展示了該技術(shù)從臨床介入引導(dǎo)到手術(shù)室之外生理監(jiān)測(cè)的完整應(yīng)用鏈條。

圖6 動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研究團(tuán)隊(duì)希望證明，磁定位不僅可以在受控環(huán)境中“測(cè)得準(zhǔn)”，也能夠在真實(shí)體內(nèi)環(huán)境中“用得上”。從 ERCP 介入到血管導(dǎo)絲定位，再到長(zhǎng)期生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的連續(xù)驗(yàn)證，展示了這一技術(shù)在多類(lèi)微創(chuàng)醫(yī)療場(chǎng)景中的應(yīng)用延展性。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44460-025-00017-9

該研究獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金，深圳市科技項(xiàng)目，工業(yè)控制技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)，小米基金等多方面的資助與支持。