五院院士、柔性電子之父，最新Nature大子刊！

一根絲狀軟體探針，實現胎兒宮內生命體征的實時監測

在胎兒外科手術中，如何實時、連續、準確地掌握胎兒的生命體征，一直是臨床上的“硬骨頭”。現有監測手段多依賴間斷超聲或單一心率指標，不僅信息有限，而且容易錯過胎兒突發的低氧、心動過緩或低體溫等高風險事件。在子宮這一狹小、動態變化的環境中，實現微創、穩定、多參數同步監測，長期以來幾乎是不可能完成的任務。

今日，美國西北大學生物電子研究所John Rogers院士、Aimen F. Shaaban教授、黃永剛院士和Hedan Bai提出了一種絲狀軟體機器人探針（SRFP），可在胎兒手術過程中直接進入宮內，與胎兒組織溫和接觸，同步監測心率、血氧飽和度、體溫和心電信號，為胎兒外科手術提供前所未有的實時生理反饋。相關成果以“A filamentary soft robotic probe for multimodal in utero monitoring of fetal health”為題發表在《Nature Biomedical Engineering》上，第一作者為中國學者Hedan Bai，Jianlin Zhou, Mingzheng Wu, Steven Papastefan, Xiuyuan Li.為共同第一作者。

從“看一眼”到“全程陪伴”：軟體探針的整體設計

這款軟體探針整體直徑僅約 1 毫米，采用柔性電子器件 加軟體機器人執行器的一體化設計（圖1a）。探針可通過常規胎鏡手術通道進入子宮，再在外部控制下完成彎曲、扭轉和膨脹等動作，像“觸手”一樣靈活地貼合胎兒體表或腔道（圖1d、e）。在這根“絲線”上，集成了多種微型傳感器：包括用于檢測血氧和心率的微型紅光/紅外光電器件、用于測量體溫的熱敏電阻，以及用于記錄心電信號的微電極陣列（圖1b、c）。信號經探針末端無線模塊處理后，可通過藍牙實時傳輸到醫生界面（圖1f），實現真正意義上的連續多模態監測。

圖1：絲狀軟體機器人探針的整體結構與工作原理

軟體機器人“會動也很穩”：執行器性能驗證

為了保證探針在胎兒體內既“到得了位”，又“站得住腳”，研究團隊對軟體執行器進行了系統優化。如圖2所示，探針可在較低氣壓下實現 180° 彎曲、540° 扭轉 以及毫米級膨脹，這些參數完全適配臨床常用的注射器控制范圍。實驗表明，膨脹模塊可在胎兒直腸或食管等柔軟腔道內形成穩定錨定，顯著減少手術過程中因胎動或液體擾動帶來的信號滑移問題（圖2h）。有限元模擬和實測結果一致，證明在整個工作范圍內，材料應變始終處于安全彈性區間。

圖2：軟體執行器的彎曲、扭轉與膨脹性能表征

傳感器“不是裝上就行”：信號質量的精細優化

在宮內環境中，高質量信號比“能測到”更重要。研究團隊通過模擬和動物實驗，系統分析了傳感器布局對信號質量的影響。圖3顯示，微型光電器件之間的距離直接決定血氧與心率信號的信噪比；而心電電極間距則顯著影響QRS波群的清晰度。在胎羊模型中，研究發現直腸和食管位置能同時兼顧信號穩定性與手術操作便利性，成為最優監測位點（圖3d、e）。這些結果為后續臨床應用提供了明確的部署策略。

圖3：多模態傳感器信號質量的優化與驗證

真實手術場景下的連續監測

在胎羊脊柱裂修復的胎鏡手術中，軟體探針實現了長達30分鐘以上的穩定宮內監測。如圖4所示，無論是心率、血氧還是體溫，信號在劇烈操作下依然保持連續和平滑，未出現明顯偽影。與此同時，經食管記錄的胎兒心電信號展現出清晰波形，為分析心率變異性等高級指標提供了可能。

圖4：胎羊胎鏡手術中的實時宮內監測結果

提前“看見危險”：多模態監測的真正價值

研究進一步在多種受控應激情況下驗證了系統能力。當人為壓迫臍帶或誘導母體缺氧時，探針可同步捕捉到血氧下降、心率變化和體溫異常（圖5a–c）。與間斷超聲相比，這種連續監測能更早識別潛在風險，尤其是在心率尚未明顯下降但血氧已出現異常的階段。

圖5：多種應激條件下胎兒生理異常的連續捕捉

從數據到決策：實時預警與干預

更進一步，研究團隊利用脈搏波形分析提取出多種血流動力學特征，實現對胎兒循環狀態的精細刻畫（圖6a–c）。在真實手術中，該系統曾成功捕捉到胎兒突發性心功能失代償，并觸發及時干預，使手術得以繼續完成（圖6d、e）。這一能力，正是傳統單指標監測難以實現的。

圖6：脈搏波分析與手術中實時預警示例

總結與展望

這項研究展示了一種真正面向臨床需求的宮內多模態監測平臺。通過將柔性電子技術與軟體機器人相結合，研究團隊不僅解決了“如何進入胎兒體內”的工程難題，更實現了連續、全面、實時的生命體征感知。未來，隨著探針進一步小型化和傳感功能拓展（如pH、CO?等），這一平臺有望走出實驗室，成為胎兒外科、產前監護乃至高風險妊娠管理中的關鍵工具，為生命最早期的安全保駕護航。