“這款監(jiān)測儀什么時(shí)候能賣到歐洲來？”“到時(shí)候可以讓我做代理嗎？”……不久前在瑞士舉行的第50屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展上，陳彥的展臺(tái)被圍得水泄不通。
這次陳彥是以雙重身份參展——中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）教授、合肥中科知奇信息科技有限公司董事長。
發(fā)明展上，他們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“非接觸式心臟健康監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用”憑借創(chuàng)新性與應(yīng)用價(jià)值，從全球近40個(gè)國家和地區(qū)的超千項(xiàng)科技成果中脫穎而出，斬獲金獎(jiǎng)。
“使用這款監(jiān)測儀時(shí)，用戶不需要佩戴電極，也不需要去除衣物，躺在床上，就能以無感的方式完成心電圖、呼吸、心率等監(jiān)測，精確度達(dá)到臨床級別。同時(shí)，手機(jī)上的APP會(huì)及時(shí)反饋結(jié)果。”陳彥向《中國科學(xué)報(bào)》介紹。
發(fā)明展評委會(huì)主席David.TAJI為陳彥（右一）及團(tuán)隊(duì)成員頒獎(jiǎng)。受訪者供圖 
中科知奇展廳內(nèi)，用戶在體驗(yàn)非接觸心臟睡眠健康監(jiān)測儀。受訪者供圖 突破百年局限，首創(chuàng)非接觸心電圖監(jiān)測
心血管疾病是全球第一大致死疾病，每年約有1790萬人因此失去生命。在中國，隨著人口老齡化問題的加劇，心血管疾病對居民健康的影響更加顯著，其發(fā)病率與致死率均居世界前列。
近年來，心血管疾病年輕化。“特別是新冠疫情之后，我身邊的朋友或是朋友的朋友心臟出現(xiàn)了一些問題，嚴(yán)重的甚至在半夜睡覺時(shí)就走了。”陳彥感慨道。
心電圖自發(fā)明一百多年來，一直被視為臨床診斷心血管疾病的金標(biāo)準(zhǔn)之一。然而，現(xiàn)有的監(jiān)測手段需要在體表貼附多個(gè)電極，讓用戶有不適的體驗(yàn)。因此，日常生活中的長時(shí)間連續(xù)心電圖監(jiān)測往往很難實(shí)施，導(dǎo)致一些患者錯(cuò)過疾病診斷和治療的最佳時(shí)期。
有沒有更佳的解決方案？
陳彥早年在國外讀博期間，曾跟隨導(dǎo)師做室內(nèi)無線通信研究。“我們發(fā)現(xiàn)，WiFi信號(hào)不僅可以傳遞信息，還可以感知環(huán)境的變化。于是，我們攻克了很多難題，研發(fā)出一套基于WiFi信號(hào)的感知系統(tǒng)。”陳彥說，這其實(shí)就是早期的“通信感知一體化”雛形。當(dāng)時(shí)國內(nèi)少有人從事這方面的研究。
2015年，陳彥回國入職電子科技大學(xué)，成立智能感知實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)開展相關(guān)研究。“WiFi信號(hào)存在局限，只能做大尺度行為的感知。比如，一間空房子，突然有人進(jìn)入或離開時(shí)，系統(tǒng)立即可以監(jiān)測到。但系統(tǒng)無法監(jiān)測到房間具體人數(shù)以及每個(gè)人的狀態(tài)。”陳彥說。
想要做更細(xì)致的感知行為分析，必須用波長更短的高頻段信號(hào)。2020年，陳彥將實(shí)驗(yàn)室搬回母校中國科大，開始從WiFi頻段轉(zhuǎn)向毫米波頻段。
我們知道，傳統(tǒng)心電圖是通過接觸皮膚的電極，捕捉反映心臟狀態(tài)的電活動(dòng)變化。而直接以非接觸式測量體表的電信號(hào)異常困難。
“在閱讀文獻(xiàn)時(shí)，我注意到《自然》曾發(fā)表一篇論文，文中提出心臟的機(jī)械活動(dòng)和電活動(dòng)存在映射關(guān)系，是心臟健康一體兩面的體現(xiàn)。也就是說，我們可以通過獲取心臟機(jī)械振動(dòng)信息，監(jiān)測心臟狀態(tài)。”陳彥介紹。
受此理論啟發(fā)，一年后，他帶領(lǐng)學(xué)生搭建了一套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于毫米波雷達(dá)的非接觸人體心電圖實(shí)時(shí)監(jiān)測，突破了百余年來心電圖僅能通過接觸式傳感器獲取的局限。相關(guān)研究成果發(fā)表于《IEEE 移動(dòng)計(jì)算快報(bào)》，并被《IEEE Spectrum》報(bào)道。
“當(dāng)時(shí)，我們做了一項(xiàng)可行性驗(yàn)證工作——讓35位學(xué)生模擬正常呼吸、運(yùn)動(dòng)后和睡眠等不同生理狀態(tài)，利用團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系統(tǒng)與心電圖機(jī)同步監(jiān)測心臟活動(dòng)，再對比結(jié)果。”陳彥介紹，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明用毫米波雷達(dá)做非接觸心電圖監(jiān)測是可行的。
團(tuán)隊(duì)同步使用監(jiān)測儀與傳統(tǒng)心電圖采集數(shù)據(jù)。受訪者供圖 提升監(jiān)測精度，驗(yàn)證醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值
上述工作一經(jīng)發(fā)表后，引起很多人的興趣，他們找到陳彥尋求合作。
“借此機(jī)會(huì)，我們聯(lián)合醫(yī)院開展了大規(guī)模人群實(shí)驗(yàn)。”陳彥回憶，那時(shí)大概有大半年時(shí)間，團(tuán)隊(duì)成員每天就學(xué)校、醫(yī)院兩頭跑，在不影響醫(yī)生正常工作的前提下，挨個(gè)詢問病人是否同意在做心電圖的同時(shí)，使用他們的系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。
通常，醫(yī)生根據(jù)心電圖報(bào)告中一項(xiàng)叫作心率變異性指標(biāo)，即上一個(gè)心跳與下一個(gè)心跳的間隔時(shí)間變化趨勢，判斷患者可能存在的疾病。
“在實(shí)驗(yàn)中，我們注意到如果一個(gè)人憋氣時(shí)去測心率變異，系統(tǒng)監(jiān)測的結(jié)果非常準(zhǔn)。反之，不憋氣時(shí)，監(jiān)測精度就會(huì)大幅下降。”陳彥說，很自然地他們想到呼吸對監(jiān)測精度影響很大。
緊接著，他們做了非常深入的研究，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)重要的物理現(xiàn)象：呼吸頻率比心跳頻率低，所以呼吸諧波比心跳諧波衰減更快；心跳諧波中存在拍頻效應(yīng)，即高階心跳諧波疊加會(huì)產(chǎn)生與心跳周期一致的拍頻特征。對此，他們將心跳特征提取頻段從基頻轉(zhuǎn)移到高階諧波頻段，有效消除了呼吸運(yùn)動(dòng)的干擾，顯著提升了監(jiān)測精度。
“我記得當(dāng)實(shí)驗(yàn)成功的消息傳來時(shí)，我和幾名學(xué)生正在去外地出差的高鐵上。聽到消息后，我們非常激動(dòng)。晚上到了賓館后開始連夜跑實(shí)驗(yàn)。”陳彥回憶。
隨后，團(tuán)隊(duì)做了進(jìn)一步驗(yàn)證：在大規(guī)模醫(yī)院場景（6千多名參與者）和日常生活場景（長達(dá)21個(gè)夜晚）中，該系統(tǒng)取得了26.1毫秒和34.1毫秒的中位誤差，充分驗(yàn)證了其醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)研究為毫米波雷達(dá)在心臟活動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)，相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》。
在醫(yī)院采集數(shù)據(jù)時(shí)，他們不僅僅在門診，還進(jìn)入病房了解患者的確切需求。“重癥的住院患者一般需要24小時(shí)貼附電極片，監(jiān)測心率、血氧等指標(biāo)。一到冬天，由于皮膚干燥，電極片接觸效果變差，設(shè)備會(huì)自動(dòng)報(bào)警。護(hù)士不得不每隔一段時(shí)間重新擦拭酒精后再貼附。其次，有部分患者對電極片過敏，無法長期貼附。”陳彥介紹，這些都是傳統(tǒng)心電圖監(jiān)測的痛點(diǎn)問題。
陳彥逐漸意識(shí)到，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系統(tǒng)很“有用”。如果能將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，通過儀器對人群進(jìn)行非接觸式心臟監(jiān)測是完全可行的。到那時(shí)，就可能做到心臟疾病的早期發(fā)現(xiàn)、快速診斷和早期治療。
團(tuán)隊(duì)研發(fā)的心臟睡眠健康監(jiān)測儀。受訪者供圖
不斷迭代升級，從實(shí)驗(yàn)室走向市場
恰好同時(shí)期，中國科大作為國家“職務(wù)科技成果賦權(quán)改革”試點(diǎn)單位，創(chuàng)造性地提出了“賦權(quán)+轉(zhuǎn)讓+約定收益”模式。這極大激發(fā)了科研人員對科技成果轉(zhuǎn)化的信心。
于是，陳彥找到孫啟彬。“孫老師是中國科大研究員、IEEE Fellow，長期專注于機(jī)器視覺、媒體內(nèi)容分析等研究。他主創(chuàng)的公司曾被某上市公司收購。所以孫老師擁有從科研創(chuàng)新到成果轉(zhuǎn)化的寶貴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。”兩人認(rèn)真討論一番后，一致認(rèn)為“這可能是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)”。
很快，團(tuán)隊(duì)用了幾個(gè)月走完賦權(quán)流程。中科大資產(chǎn)經(jīng)營有限公司與中國科大先進(jìn)技術(shù)研究院的工作人員提供了全流程的指導(dǎo)和服務(wù)，包括如何注冊公司、股權(quán)設(shè)計(jì)、提供辦公場地等。
2023年7月，合肥中科知奇信息科技有限公司成立。“知即感知，奇指奇點(diǎn)源頭，‘知奇’即探索本質(zhì)。我們致力于通過非接觸感知技術(shù)，揭示心腦血管疾病的發(fā)病根源。”陳彥說。
為節(jié)省開支的同時(shí)保障公司正常運(yùn)行，公司初期只招了2名全職員工：畢業(yè)于中國科大少年班的張冬博士擔(dān)任總經(jīng)理，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)；另外一位是財(cái)務(wù)人員。孫啟彬則負(fù)責(zé)制定公司戰(zhàn)略規(guī)劃，陳彥帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室同學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)算法技術(shù)。
要把實(shí)驗(yàn)室里的系統(tǒng)做成實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)品，并不容易。
“在實(shí)驗(yàn)室做系統(tǒng)時(shí)，我們追求的是把性能做到極限，至于算法的復(fù)雜度有多高，結(jié)果是一天或是一周跑出來，這都不是我們考慮的主要因素。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)出結(jié)果。”陳彥解釋，試想一下，如果用戶用監(jiān)測儀做完心電圖后，要等半天甚至一天后才能出結(jié)果，體驗(yàn)感肯定要大打折扣。
幸運(yùn)的是，團(tuán)隊(duì)的每一位成員都把工作當(dāng)作自己的事業(yè)，周末經(jīng)常主動(dòng)加班完善技術(shù)、寫代碼，不斷挑戰(zhàn)技術(shù)瓶頸。每每解決一個(gè)難點(diǎn)，大家都會(huì)不約而同地歡呼雀躍。“這意味著我們離成功邁向市場又近了一步。”
陳彥介紹，目前團(tuán)隊(duì)已完成非接觸式心臟健康監(jiān)測系列產(chǎn)品的研發(fā)，也已與多家三甲醫(yī)院就成果落地達(dá)成了合作。今年下半年，系列產(chǎn)品將面向市場銷售。
除了醫(yī)療場景，監(jiān)測儀也可用于日常生活中。“尤其是居住在養(yǎng)老院或獨(dú)居的老人，可以將監(jiān)測儀安裝在床頭，用于監(jiān)測他們的呼吸、心率、心電圖、卒中風(fēng)險(xiǎn)等。一旦出現(xiàn)異常情況，APP可以發(fā)預(yù)警信息給老人的子女。”陳彥強(qiáng)調(diào)，毫米波雷達(dá)的輻射功率比手機(jī)低800倍，所以不必?fù)?dān)心輻射問題。
接下來，團(tuán)隊(duì)將圍繞非接觸心臟活動(dòng)監(jiān)測進(jìn)行兩方面的研究，一是爭取解決目前系統(tǒng)落地所面臨的一些挑戰(zhàn)，例如運(yùn)動(dòng)偽影帶來的干擾；二是基于現(xiàn)有的感知系統(tǒng)，繼續(xù)探究一些常見心臟疾病的診斷和發(fā)病機(jī)理。
“我們的目標(biāo)是做心腦血管疾病早期智能預(yù)警的領(lǐng)頭羊，讓監(jiān)測儀走進(jìn)千家萬戶，為有需要的群體提供全天候、全時(shí)段的實(shí)時(shí)監(jiān)測及分析服務(wù)，及早發(fā)現(xiàn)潛在心腦血管健康問題。”陳彥表示。
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