Nature Sensors | 柔性雙階段磁定位重塑高精度空間感知范式
在血管介入、消化道內(nèi)鏡以及磁驅(qū)動醫(yī)療機(jī)器人等微創(chuàng)醫(yī)療場景中,如何對體內(nèi)器械進(jìn)行實時、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具備良好的實時成像能力,但整體設(shè)備體量大、對手術(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,并伴隨著輻射暴露風(fēng)險。相比之下,磁定位具有獨特的優(yōu)勢,它能提供實時的三維跟蹤,無電離輻射或復(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,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院徐天添研究員與浙江大學(xué)陸豪健研究員團(tuán)隊提出了一種可貼附、可定制的柔性磁定位貼片系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種雙階段磁定位框架。該研究以《A Portable and Flexible Intermediary Patch for in vivo Magnetic Localization》為題,發(fā)表在知名學(xué)術(shù)期刊《Nature》(《自然》)旗下專注于傳感器研究領(lǐng)域的子刊《Nature Sensors》(《自然·傳感器》)上。浙江大學(xué)控制學(xué)院博士生向平宇,碩士生孫丹穎,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士生馬國耀為共同第一作者,徐天添研究員和陸豪健研究員為共同通訊作者。
雙階段柔性磁定位框架:從“固定參考”到“隨形部署”的范式轉(zhuǎn)變
本文的核心貢獻(xiàn)點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,從而實現(xiàn)多種介入醫(yī)療場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。
工程實現(xiàn):柔性、可定制、高兼容的硬件平臺
在工程實現(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,實現(xiàn)“即貼即用”的部署模式。
基于此柔性貼片,研究團(tuán)隊提出雙階段定位算法,該框架類似于輔助全球定位系統(tǒng)中的“基站輔助定位”機(jī)制:先由外部磁源確定柔性貼片在全局坐標(biāo)系中的位置,再以該貼片作為局部參考,實現(xiàn)對體內(nèi)小型磁性目標(biāo)的定位。
體外模型驗證:讓參考系“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,對傳統(tǒng)磁定位系統(tǒng)的部署方式進(jìn)行了拓展,在不改變原有磁定位基本原理的前提下,有效提升了系統(tǒng)對目標(biāo)的針對性和對復(fù)雜臨床場景的適應(yīng)能力。腦動脈血管介入和ERCP導(dǎo)絲置入的模型實驗驗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。
多場景驗證:從體外模型到活體動物的全鏈條測試
為評估系統(tǒng)在真實生物環(huán)境中的適用性,研究團(tuán)隊將該方法部署于多種體內(nèi)應(yīng)用場景,包括巴馬豬體內(nèi)模擬介入、豬股動脈導(dǎo)絲定位,以及新西蘭兔柔性腰帶連續(xù)信號采集用于胃腸蠕動參數(shù)分析。上述跨器官、跨動物模型與跨任務(wù)的系統(tǒng)實驗,驗證了該框架在介入導(dǎo)航與體外生理監(jiān)測等不同應(yīng)用中的穩(wěn)定性與通用性,展示其具備向多樣化臨床場景推廣的潛力。
研究團(tuán)隊希望證明,磁定位不僅可以在受控環(huán)境中“測得準(zhǔn)”,也能夠在真實體內(nèi)環(huán)境中“用得上”。從 ERCP 介入到血管導(dǎo)絲定位,再到長期生理信號監(jiān)測的連續(xù)驗證,展示了這一技術(shù)在多類微創(chuàng)醫(yī)療場景中的應(yīng)用延展性。
談及這項研究,徐天添研究員表示,該研究為磁定位系統(tǒng)提供了一種更加靈活的實現(xiàn)路徑。未來,團(tuán)隊將以雙階段磁定位框架為核心,逐步拓展多器械協(xié)同導(dǎo)航與連續(xù)生理信號感知等應(yīng)用,并推動相關(guān)技術(shù)與現(xiàn)有介入器械及臨床流程的深度融合,加速其向?qū)嶋H醫(yī)療場景落地。
該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃,國家自然科學(xué)基金,深圳市科技項目,醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國重點實驗室、工業(yè)控制技術(shù)全國重點實驗室項目,中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會,小米基金等多方面的資助與支持。

圖1?論文上線截圖
文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s44460-025-00017-9

圖2?柔性貼片在不同醫(yī)療場景中的示意圖

圖3?柔性可定制貼片

圖4?由外部磁源定位柔性貼片



圖5?體外模型定位實驗驗證

圖6?動物體內(nèi)定位實驗驗證
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