五院院士、柔性电子之父，最新Nature大子刊！

一根丝状软体探针，实现胎儿宫内生命体征的实时监测

在胎儿外科手术中，如何实时、连续、准确地掌握胎儿的生命体征，一直是临床上的“硬骨头”。现有监测手段多依赖间断超声或单一心率指标，不仅信息有限，而且容易错过胎儿突发的低氧、心动过缓或低体温等高风险事件。在子宫这一狭小、动态变化的环境中，实现微创、稳定、多参数同步监测，长期以来几乎是不可能完成的任务。

今日，美国西北大学生物电子研究所John Rogers院士、Aimen F. Shaaban教授、黄永刚院士和Hedan Bai提出了一种丝状软体机器人探针（SRFP），可在胎儿手术过程中直接进入宫内，与胎儿组织温和接触，同步监测心率、血氧饱和度、体温和心电信号，为胎儿外科手术提供前所未有的实时生理反馈。相关成果以“A filamentary soft robotic probe for multimodal in utero monitoring of fetal health”为题发表在《Nature Biomedical Engineering》上，第一作者为中国学者Hedan Bai，Jianlin Zhou, Mingzheng Wu, Steven Papastefan, Xiuyuan Li.为共同第一作者。

从“看一眼”到“全程陪伴”：软体探针的整体设计

这款软体探针整体直径仅约 1 毫米，采用柔性电子器件 加软体机器人执行器的一体化设计（图1a）。探针可通过常规胎镜手术通道进入子宫，再在外部控制下完成弯曲、扭转和膨胀等动作，像“触手”一样灵活地贴合胎儿体表或腔道（图1d、e）。在这根“丝线”上，集成了多种微型传感器：包括用于检测血氧和心率的微型红光/红外光电器件、用于测量体温的热敏电阻，以及用于记录心电信号的微电极阵列（图1b、c）。信号经探针末端无线模块处理后，可通过蓝牙实时传输到医生界面（图1f），实现真正意义上的连续多模态监测。

图1：丝状软体机器人探针的整体结构与工作原理

软体机器人“会动也很稳”：执行器性能验证

为了保证探针在胎儿体内既“到得了位”，又“站得住脚”，研究团队对软体执行器进行了系统优化。如图2所示，探针可在较低气压下实现 180° 弯曲、540° 扭转 以及毫米级膨胀，这些参数完全适配临床常用的注射器控制范围。实验表明，膨胀模块可在胎儿直肠或食管等柔软腔道内形成稳定锚定，显著减少手术过程中因胎动或液体扰动带来的信号滑移问题（图2h）。有限元模拟和实测结果一致，证明在整个工作范围内，材料应变始终处于安全弹性区间。

图2：软体执行器的弯曲、扭转与膨胀性能表征

传感器“不是装上就行”：信号质量的精细优化

在宫内环境中，高质量信号比“能测到”更重要。研究团队通过模拟和动物实验，系统分析了传感器布局对信号质量的影响。图3显示，微型光电器件之间的距离直接决定血氧与心率信号的信噪比；而心电电极间距则显著影响QRS波群的清晰度。在胎羊模型中，研究发现直肠和食管位置能同时兼顾信号稳定性与手术操作便利性，成为最优监测位点（图3d、e）。这些结果为后续临床应用提供了明确的部署策略。

图3：多模态传感器信号质量的优化与验证

真实手术场景下的连续监测

在胎羊脊柱裂修复的胎镜手术中，软体探针实现了长达30分钟以上的稳定宫内监测。如图4所示，无论是心率、血氧还是体温，信号在剧烈操作下依然保持连续和平滑，未出现明显伪影。与此同时，经食管记录的胎儿心电信号展现出清晰波形，为分析心率变异性等高级指标提供了可能。

图4：胎羊胎镜手术中的实时宫内监测结果

提前“看见危险”：多模态监测的真正价值

研究进一步在多种受控应激情况下验证了系统能力。当人为压迫脐带或诱导母体缺氧时，探针可同步捕捉到血氧下降、心率变化和体温异常（图5a–c）。与间断超声相比，这种连续监测能更早识别潜在风险，尤其是在心率尚未明显下降但血氧已出现异常的阶段。

图5：多种应激条件下胎儿生理异常的连续捕捉

从数据到决策：实时预警与干预

更进一步，研究团队利用脉搏波形分析提取出多种血流动力学特征，实现对胎儿循环状态的精细刻画（图6a–c）。在真实手术中，该系统曾成功捕捉到胎儿突发性心功能失代偿，并触发及时干预，使手术得以继续完成（图6d、e）。这一能力，正是传统单指标监测难以实现的。

图6：脉搏波分析与手术中实时预警示例

总结与展望

这项研究展示了一种真正面向临床需求的宫内多模态监测平台。通过将柔性电子技术与软体机器人相结合，研究团队不仅解决了“如何进入胎儿体内”的工程难题，更实现了连续、全面、实时的生命体征感知。未来，随着探针进一步小型化和传感功能拓展（如pH、CO₂等），这一平台有望走出实验室，成为胎儿外科、产前监护乃至高风险妊娠管理中的关键工具，为生命最早期的安全保驾护航。