柔性繃帶讓沉默的肺部“說話”
無輻射、無須插管，僅通過一條柔性繃帶貼合胸部，就能在患者呼吸之間實(shí)時(shí)捕捉肺部通氣區(qū)域的動(dòng)態(tài)阻抗變化，讓沉默的肺部“說話”。
近日，南京航空航天大學(xué)副教授姚佳烽團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“可穿戴肺功能實(shí)時(shí)成像儀”獲2024年度江蘇省技術(shù)轉(zhuǎn)移聯(lián)盟“十大技術(shù)轉(zhuǎn)移優(yōu)秀案例”。
姚佳烽介紹，這款形似智能運(yùn)動(dòng)腰帶的設(shè)備，以多電極陣列布局、彈性可伸展繃帶設(shè)計(jì)為核心，不僅突破了傳統(tǒng)CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）、MRI（磁共振成像）的靜態(tài)成像局限，更以“床旁可視化”的便攜優(yōu)勢，為慢阻肺、哮喘等近億患者帶來無創(chuàng)、實(shí)時(shí)呼吸監(jiān)測的新體驗(yàn)。目前，該設(shè)備已在暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院、上海交通大學(xué)附屬新華醫(yī)院等17家三甲醫(yī)院投入臨床，并用于甘肅、貴州、河南等地多家社區(qū)醫(yī)院的慢性肺病篩查，累計(jì)服務(wù)超2萬名患者。
讓肺部呼吸“看得見”
傳統(tǒng)的肺功能檢測依賴醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)判斷，而CT、MRI等設(shè)備雖能提供影像，卻存在有輻射風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備笨重、成本高昂等問題。姚佳烽介紹，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這款成像儀，通過電阻抗斷層成像技術(shù)（EIT），在患者胸廓表面布設(shè)16個(gè)柔性電極，可以實(shí)時(shí)捕捉肺部通氣區(qū)域的電導(dǎo)率變化，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)圖像，“就像給肺部裝了一個(gè)‘實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)z像頭’”。
設(shè)備多電極布局設(shè)計(jì)讓它“耳聰目明”，能捕獲更全面的生物阻抗數(shù)據(jù)，大大提高了測量的準(zhǔn)確性和可靠性。該設(shè)備通過算法解析電阻抗信號(hào)，并融合生物流體信息，可以清晰顯示氣流在肺葉中的分布、流動(dòng)異常區(qū)域，甚至能捕捉細(xì)微的肺泡通氣不均的情況，為早期肺纖維化、慢阻肺急性發(fā)作提供預(yù)警。
“我們的設(shè)備不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測肺功能，還能根據(jù)監(jiān)測結(jié)果自動(dòng)調(diào)整呼吸機(jī)參數(shù)，減輕醫(yī)生的負(fù)擔(dān)。”姚佳烽說，這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了手術(shù)過程中肺功能的自動(dòng)化監(jiān)測和調(diào)整，大大提高了手術(shù)效率。
相比進(jìn)口設(shè)備，國產(chǎn)成像儀體積縮小80%，重量僅300克，并且支持云端數(shù)據(jù)分析，可自動(dòng)生成肺功能評(píng)估報(bào)告，大幅提高基層醫(yī)院診療效率。此外，繃帶式設(shè)計(jì)可以適應(yīng)不同體形，兒童、老人佩戴舒適，單次檢測成本僅為傳統(tǒng)設(shè)備的1/10。
9個(gè)月攻克首代樣機(jī)
“我國40歲以上慢阻肺患者近1億人，但肺功能成像儀長期被國外壟斷，進(jìn)口設(shè)備售價(jià)高達(dá)140萬元，并且操作復(fù)雜。”2016年從日本回國后，姚佳烽親身感受到國內(nèi)外高端醫(yī)療裝備領(lǐng)域的巨大差距。
為改變這一局面，2016年開始，姚佳烽帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)帶著EIT的初步構(gòu)想，開啟了底層技術(shù)研究。起步期買不起國外昂貴的電阻抗研發(fā)設(shè)備，姚佳烽就和學(xué)生們窩在實(shí)驗(yàn)室里，繪制電路圖、手工焊板、選購元器件、反復(fù)調(diào)試參數(shù)。僅用9個(gè)月，他們便攻克首代樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)“從0到1”的突破。
姚佳烽坦承，起初團(tuán)隊(duì)聚焦于硬件搭建與算法開發(fā)等基礎(chǔ)研究，但并未意識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化潛力。直到2020年，德國同類設(shè)備以“抗疫利器”的標(biāo)簽進(jìn)入中國市場，售價(jià)高達(dá)140萬元，姚佳烽深受震撼并意識(shí)到“必須用國產(chǎn)替代打破壟斷”。
然而，研發(fā)之路充滿荊棘。首代樣機(jī)的圖像重建算法原始生成一幅圖需36秒，遠(yuǎn)未達(dá)到臨床需求。團(tuán)隊(duì)引入人工智能技術(shù)，通過上萬張開源CT圖像訓(xùn)練模型，將成像速度提升至每秒40幀，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
“產(chǎn)業(yè)化的那幾年，我每周總有一大半時(shí)間在醫(yī)院里。今天在江蘇的醫(yī)院，明天就‘閃現(xiàn)’到上海的醫(yī)院。我們的腳步快一些，設(shè)備實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代的進(jìn)程就快一點(diǎn)。”姚佳烽說。
雖然設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)優(yōu)異，卻在醫(yī)院遭遇信號(hào)干擾問題。“手術(shù)室里監(jiān)護(hù)儀、呼吸機(jī)的電磁噪聲讓設(shè)備沒那么精準(zhǔn)。”姚佳烽回憶。為此，團(tuán)隊(duì)扎根臨床一線，反復(fù)調(diào)試硬件頻率與抗干擾設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
歷經(jīng)8年，2023年“可穿戴肺功能實(shí)時(shí)成像儀”通過江蘇省二類醫(yī)療器械創(chuàng)新審批，2024年8月正式獲批中華人民共和國醫(yī)療器械注冊證，實(shí)現(xiàn)了可穿戴EIT設(shè)備的國產(chǎn)替代。
從肺部監(jiān)測到“全身掃描”
姚佳烽團(tuán)隊(duì)在研發(fā)過程中，始終以國產(chǎn)替代為目標(biāo)，致力于打破國外技術(shù)壟斷。他們研發(fā)的設(shè)備不僅在性能上達(dá)到了國際先進(jìn)水平，更在價(jià)格上具有顯著優(yōu)勢。“我們希望通過技術(shù)創(chuàng)新，降低設(shè)備成本，讓更多的百姓能夠用得起。”姚佳烽說。
技術(shù)突破遠(yuǎn)未止步。姚佳烽透露，新一代設(shè)備正嘗試將胸阻抗成像與氧療儀、電刺激技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)氧療-理療一體化。例如，針對慢阻肺患者，設(shè)備可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氧療流量；對于術(shù)后呼吸肌無力患者，能通過電刺激同步強(qiáng)化膈肌運(yùn)動(dòng)。
新一代EIT設(shè)備核心部件。受訪者供圖
目前，他們正在與材料學(xué)專家合作，開發(fā)新的材料以解決電極帶引起的壓瘡問題，并計(jì)劃將研究成果應(yīng)用于產(chǎn)品中。“我們希望通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，提升產(chǎn)品的性能和用戶體驗(yàn)。”姚佳烽表示，“同時(shí)，我們也希望通過與更多醫(yī)療機(jī)構(gòu)的合作，進(jìn)一步優(yōu)化我們的技術(shù)。”
團(tuán)隊(duì)更宏大的愿景在于拓展電阻抗技術(shù)的應(yīng)用邊界，目前已布局微流控腫瘤細(xì)胞檢測、乳腺腫瘤3D篩查等方向，甚至計(jì)劃為航天員設(shè)計(jì)肌肉運(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。“電阻抗成像的潛力遠(yuǎn)超想象。”姚佳烽表示，“未來或許只需一件智能衣，就能完成全身器官的實(shí)時(shí)‘透視’。”
在這條創(chuàng)新賽道上，姚佳烽始終懷著科研報(bào)國的使命感。“科研不僅要發(fā)論文，更要解決實(shí)際問題。我們就是想通過自己的努力打破壟斷，為國產(chǎn)醫(yī)療器械的發(fā)展注入活力，讓更多患者受益。”
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