近日，复旦大学光电研究院宋恩名团队联合复旦大学卫生学院陶灵团队，在国际柔性电子期刊 npj Flexible Electronics 发表题为 “Conformal, ultrathin crystalline-silicon-based Hall sensor arrays with deep learning models for early-stage monitoring of three-dimensional tumor tissues” 的研究论文。该研究提出了一种基于超薄单晶硅纳米薄膜的柔性霍尔传感器阵列系统，结合深度学习模型，实现了对肿瘤组织三维形态变化的连续、非侵入、早期监测，为未来的居家化、智能化癌症评估与个体化治疗提供了新的技术路径。该论文第一作者为博士生刘俊含、博士后吴忠原与博士后周连杰，通讯作者为复旦大学宋恩名研究员、陶灵研究员与博士后周连杰。
一、研究背景：从“静态检测”走向“动态监测”
肿瘤的生长速率与体积变化是临床诊断与疗效评估的核心指标。当前主流检测手段，如CT、MRI或超声成像，虽具高分辨率，却受制于设备昂贵、体积庞大及操作周期长等限制，难以实现连续动态监测。而已有的柔性电子或可植入传感方案，多侧重于应变或温度监测，对肿瘤形态的三维结构重构仍缺乏有效途径。针对这一痛点，宋恩名团队提出以磁场感知与形貌映射结合的单晶硅纳米薄膜霍尔传感器阵列监测体系，通过磁通变化反演肿瘤体积和高度变化，并利用深度学习实现高精度三维重构，从而打破“静态测量—离线分析”的传统模式，迈向“连续监测—智能识别”的新阶段。
图1：超薄单晶硅纳米薄膜霍尔传感器结构示意图
二、技术创新：晶体硅纳米膜与柔性电子的融合突破
本研究在材料与结构层面提出多层柔性化设计：（1）超薄单晶硅纳米膜设计，以厚度约 200 nm 的重掺杂硅材料为霍尔敏感层，实现高迁移率与低噪声的兼顾；（2）多层柔性封装结构，采用聚酰亚胺（PI，约5 μm）与聚二甲基硅氧烷（PDMS，约30 μm）双层封装，实现皮肤及组织表面的紧密贴合与高生物兼容性；（3）阵列化拓扑布局：规模化制备霍尔传感器元件阵列可捕获磁场分布的空间梯度信息，为后续三维形貌重构提供数据基础。基于此，该微型器件展现了可穿戴优势，器件在 1 mA 偏置电流下表现出约 4.41 V/A·T 的电流灵敏度，噪声等效磁场检测限低于1 μT（地磁场级别），实现了高精度磁感测的突破。
图2：单霍尔传感器的基础性能展示
三、动物实验验证：实现毫米级早期变化捕捉
在小鼠皮下肿瘤模型中，研究团队进行了为期两周的连续监测实验。结果显示，在 Day 1–3 的初期阶段，系统即可捕捉到小于 1 mm 的肿瘤高度变化，体现出早期预警潜力；至第 14 天，监测到的肿瘤高度增量 Δh 为 3.96 mm，与传统卡尺测量结果高度一致。该系统在早期识别肿瘤增生趋势方面表现出明显优势，为个体化干预提供了新的技术支撑。
图3：霍尔传感器监测肿瘤高度与验证
四、算法融合：从磁信号到三维形貌的深度学习重建
为了实现从磁场信号到肿瘤形态的快速解算，研究团队设计了两阶段深度学习框架：一是CNN 模块用于肿瘤几何特征提取（高度、体积等）；二是残差网络（ResNN）模块实现三维表面形貌的重构。具体而言，该模型输入为规模阵列的磁场映射数据，输出经 7×7 网格重建形成完整三维形态。通过 5 折交叉验证，系统在预测肿瘤高度与体积时的平均相关系数 R² 分别达到 0.98 与 0.96，验证了算法的高拟合度与泛化性能。
图4：肿瘤形貌的深度学习重建算法
五、系统集成与无线化：迈向居家监测与远程医疗
为适配临床与家庭应用场景，团队进一步构建了低功耗无线传输系统：以 nRF52832 芯片为主控，结合 3×3 阵列寻址采样模块与蓝牙低功耗（BLE）通信单元，实现数据实时传输与移动端可视化。在 100 mAh 锂电池供电条件下，系统可连续运行约 20 天，并通过 RSSI 测试验证了其在 2 米范围内的稳定连接性能。
小鼠动物模型验证
该研究实现了超薄单晶硅霍尔传感器阵列在肿瘤监测中的生物医学应用，并以深度学习算法弥补磁场测量数据的空间稀疏性，展示了柔性磁传感与人工智能的深度融合潜力。未来，该技术可扩展用于术后肿瘤复发监测、药物疗效评估、慢性疾病管理及可穿戴医疗电子等多领域，构建“实时感知—智能分析—闭环反馈”的新型健康监护体系。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-025-00518-0