中科院深圳先进院,首篇Nature Sensors!
在可视化受限的解剖区域开展临床操作时，医疗器械的精准体内定位是保障手术安全与疗效的核心需求。传统定位技术如CT、DSA存在电离辐射风险，MRI设备笨重且实时性差，光学成像则受限于组织穿透深度；现有磁定位系统虽具备无辐射、实时追踪优势，但普遍依赖bulky外部设备，易受磁场干扰，且单阶段定位原理限制了工作空间与设备兼容性，难以适配多样化临床场景，阻碍了其在常规诊疗中的广泛应用。中国科学院深圳先进技术研究院徐天添研究员、浙江大学控制科学与工程学院陆豪健研究员等人研究团队受辅助全球定位系统（A-GPS）启发，研发了一种便携式柔性中介贴片，创新提出“源-传感器-源”双阶段定位范式。通过在柔性印刷电路板（FPCB）上集成霍尔传感器阵列，实现贴片形状、尺寸的定制化设计，可无缝贴合皮肤、内镜或探针等载体。团队通过系统的静态与动态表征验证了贴片性能，并在血管、胃肠模型的体外实验，以及猪、兔的在体实验中，全面验证了该系统在血管介入、内镜手术、胃肠胶囊监测等场景的定位准确性与兼容性，实现了长期稳定追踪。相关内容以“A portable and flexible intermediary patch for in vivo magnetic localization”为题发表在《Nature Sensors》。1、超高精度与稳定性：定位误差控制在300μm以内、角度误差低于0.3°，在1-10mm尺寸的内部磁体追踪中均保持亚毫米级精度，且能连续6小时稳定追踪磁性胶囊，满足临床精准操作需求。2、灵活适配多场景：贴片具备优异的弯曲、扭转性能，可定制为平面、弧形、螺旋等多种构型，适配血管介入、胃肠手术、颅内干预等不同临床场景，无缝集成现有医疗设备。3、便携无辐射优势：无需大型固定设备，搭载低功耗蓝牙传输模块，体积小巧、重量轻，避免了CT、DSA等技术的电离辐射风险，提升手术安全性与操作灵活性。4、创新双阶段范式：借鉴A-GPS原理，通过“外部磁源定位贴片-贴片定位内部磁体”的双阶段流程，突破传统单阶段磁定位的工作空间限制，同时实现磁场驱动与定位功能的协同。该图全面呈现了双阶段磁定位柔性中介贴片的核心设计与综合优势。展示了贴片在介入内镜、颅内血管介入等多种体内场景的应用潜力，清晰呈现了包含微控制器、蓝牙低功耗传输模块的系统结构框图，通过弯曲、扭转演示验证了其优异的柔性与可变形性。其创新的双阶段定位范式灵感源自A-GPS，采用“源-传感器-源”配置，大幅拓展了定位空间与灵活性。最后通过与其他先进磁定位技术在定位精度、便携性、工作空间等六大维度的对比，凸显了本系统在多方面的突出性能。此图聚焦柔性中介贴片的性能表征，深入验证了其静态与动态定位能力。图中展示了贴片可根据不同场景定制的平面、弧形、螺旋等多种构型，以及包含机械臂、刚性传感器阵列的实验硬件设置。静态表征结果显示，源-传感器阶段的平均定位误差低于250μm和0.15°，动态测试中成功追踪了正弦轨迹与不同频率比的李萨如轨迹。通过源-传感器-源三组件同步运动实验，进一步证实贴片与内部磁体在多种运动轨迹下的定位误差均处于极低水平，充分彰显了系统的高精度与稳定性。该图基于血管模型的体外实验，验证了系统在血管介入场景的可靠性与精准性。在股动脉介入模拟中，外部磁源引导带磁导丝成功进入深股动脉的6条分支，中介贴片追踪的导丝轨迹与实际路径高度吻合，且三次重复实验均保持高一致性。在颅内血管介入模拟中，贴片附着于病变血管区域附近，精准追踪了通过颈内动脉和椎动脉进入深层脑血管的导丝，清晰呈现了导丝穿过模拟动脉瘤的过程。这些结果充分证明了系统在复杂血管环境中进行精准定位的能力，为临床血管介入手术提供了有力支持。此图通过胃肠模型的体外实验，展示了系统在胃肠手术尤其是内镜逆行胰胆管造影（ERCP）中的适配性。图中呈现了包裹柔性贴片的内镜结构，以及模拟呼吸运动的胃部模型实验设置。在呼吸和静止状态下，贴片对内镜尖端的定位结果均与实际轨迹精准匹配，成功克服了呼吸干扰。在胆管和胰管导航中，外部磁场引导磁导丝精准进入目标管道，3D定位结果清晰区分不同导管。透明模拟模型实验进一步验证了系统在狭窄弯曲通道内的高精度追踪性能，满足了复杂胃肠手术的定位需求。该图通过活体猪实验，验证了系统在真实生理环境下的定位精度与稳定性。在猪小肠内的导丝定位实验中，包裹贴片的内镜成功插入小肠，导丝轨迹与DSA影像高度吻合，系统还精准捕捉到了麻醉状态下猪呼吸引发的轨迹波动。在股动脉介入实验中，皮肤附着的贴片持续追踪导丝位移，240秒内导丝推进21mm，位移曲线的平台期与DSA扫描时间精准对应，波动部分反映了呼吸节律。多次重复实验的高成功率与频率域分析结果，证实了系统在活体环境中不受心率干扰，定位性能稳定可靠，具备良好的临床转化潜力。此图展示了系统作为可穿戴设备在胃肠胶囊监测中的创新应用，拓展了磁定位技术的应用场景。图中呈现了集成柔性贴片的可穿戴腰带，实验兔佩戴后可实现对体内磁性胶囊的长期追踪。CT重建图像确认了胶囊初始位置，传感器信号捕捉到了胃肠蠕动和呼吸引发的周期性波动，长期监测数据成功反映了兔的生理活动变化。通过对信号的功率谱密度分析，提取出呼吸频率与胃肠蠕动相关的低频率信号，同时计算出肠道内容物的传输速度。这些结果表明，该系统不仅能精准定位胶囊位置，还能为胃肠功能评估提供量化指标，为居家健康监测提供了新方案。本研究针对临床医疗器械定位的痛点，创新研发了柔性中介贴片与双阶段磁定位系统，通过定制化设计、高精度算法与多场景验证，实现了亚毫米级、无辐射、便携式的体内定位。从体外模型到活体实验，系统在血管介入、胃肠手术、胶囊监测等场景中均表现出优异的准确性、稳定性与兼容性，不仅解决了传统技术的诸多局限，还为居家健康监测提供了新可能，有望推动磁定位技术在介入医学领域的标准化应用，为精准医疗发展注入新动力。
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https://www.nature.com/articles/s44460-025-00017-9来源：BioMed科技声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
