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综合新闻

【创新创业】佳瑞芯创:用“芯”释放“信息医疗”的能量

时间:2016-06-27 /

  “佳瑞芯创”的“脑电采集仪”已经孕育成型了。这是“佳瑞芯创”的“拳头产品”,也是它进军“信息医疗”仪器设备行业的基础性工程。

  “脑电采集仪”的关键技术和基础技术是生理电信号的采集与处理。这个产品的成熟,意味着“佳瑞芯创”在生理电信号的采集与处理技术的产品化方面打通了“任督二脉”。

  以此为基础,“佳瑞芯创”的其它两款产品——“基于表面肌电的智能假肢”和“基于眨眼眼电的便携式智能输入系统”也正在优化,向着产品化迈进。

  “佳瑞芯创”团队负责人、电子科技大学生命科学与技术学院2014级研究生谢佳欣自信地说,“信息医疗”行业的大门对他们来说才刚刚打开,更精彩的应用将在以后不断问世。

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信息医疗:“来了就不想走”的朝阳行业

  在2010年报考电子科大的时候,谢佳欣并不了解什么是“信息医疗”,后来被调剂到生命科学与技术学院,他也像许多新生一样疑惑“这个专业究竟有什么用呢?”后来,当他在一次讲座中了解到了毛志林校友在“信息医疗”领域的成就时,就一下子爱上了这个专业。

  毛志林是我校1986级校友,本科就读于自动化工程学院生物医学工程与仪器专业,现为中国超声医学工程学会仪器开发工程委员会委员。2007年7月,毛志林任威尔德公司董事、副总经理、产品研发总体负责人,主持了FDC8000、FDC6000彩超的研发。

  威尔德公司的主要产品涵盖了超声诊断、超声治疗、超声理疗、超声监视、体外诊断试剂及其它医疗器械,在中国以及世界医疗器械领域享有广泛的品牌影响力。2010年,威尔德公司与浙江宏达高科控股股份有限公司重组上市;9月,毛志林担任宏达公司第四届董事会董事。

  “毛志林校友以及威尔德公司的故事让我明白,信息医疗领域竟然这么有趣,可以做出很多有用的东西!”从那时起,谢佳欣从内心深处觉得,来到生命科学与技术学院是选对了方向。从大二开始,他努力学习专业技术,一心要做出自己的“作品”来。

  在导师刘铁军副教授的指导下,谢佳欣在大二下学期成功做出了一个小型的“心电监测系统”。这次尝试让他非常兴奋地体验到了医疗电子产品研发的乐趣和成就感。从大三开始,他进入了教研室,在教育部神经信息重点实验室的“脑机接口”课题组遇到了更多的科研达人和技术大牛。

  教育部神经信息重点实验室负责人、长江学者特聘教授尧德中教授不仅在理论和技术方面悉心指导谢佳欣,也在创新创业方面给予他很大的支持和鼓励。2014年,谢佳欣开始读研深造后,就带着创新创业的想法请教尧德中教授,没想到尧德中教授十分支持。他送给谢佳欣五个字:“放手去干吧!”

  课题组的学长和小伙伴们也都积极响应。与谢佳欣同在一个专业的2011级博士生郜东瑞也是一个具有创业激情的人,在过去两年里,郜东瑞负责完成了“基于眼电的智能输入系统”的技术研发和外观设计。除此之外,2014级研究生李鹏宵、陈其友、杨熠等富有项目经验的小伙伴们都纷纷加入。目前,“佳瑞芯创”已经兵强马壮,团队成员扩展至14人。

脑电放大:实现“人机交互”的关键一步

  “脑电采集仪”是“佳瑞芯创”团队研发较早且研究时间最长的一款产品。为何要集中火力研究“脑电采集仪”呢?“佳瑞芯创”认为,脑电是“生理电信号”家族中最微弱、处理难度最大的一员,掌握了脑电处理技术,心电、肌电等其他“生理电信号”的处理就迎刃而解。

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  另外,“脑电采集仪”用途十分广泛,发展潜力十分巨大。除了临床医学的巨大需求,各种基于脑电信号处理的“意念控制器”产品,因其超酷超炫的独特魅力而受到广大青年消费者的喜爱,并正在催生出巨大的市场需求。因此,集中力量研发“脑电采集仪”,既是打技术基础,也是抓主要市场。

  脑电信号是由大脑神经细胞活动所产生的生物电信号,是理解人类大脑活动的一把“金钥匙”。理解了脑电的秘密,既可以揭开脑疾病等疑难病症的神秘面纱,也将为人脑通过“意念”控制各种“智能设备”提供有效的“接口”。问题在于,脑电信号主要集中在低频谱线内,信号微弱且容易受到干扰,测量的难度比较大。

  如何开发出具备足够大的放大倍数、高输入阻抗、低噪声、很高的共模抑制比、稳定可靠、抗干扰能力强等特点的“脑电采集仪”呢?经过两年的努力和尝试,“佳瑞芯创”终于研究出一款8通道的高性能“脑电采集仪”。

  测试数据显示,这款产品的技术指标已经达到了业内领先的水平。其共模抑制比达到了120dB以上,噪声小于或等于1μVpp,带宽做到了DC-1000Hz。它的噪声要比目前处于市场垄断地位的德国BP公司(Brain Products)、美国Neuroscan公司的同类产品的噪声(约为2μVpp)小一半。

  因此,一旦“佳瑞芯创”版的“脑电采集仪”投放市场,目前的市场格局必将发生新的变化。至少,“脑电采集仪”的市场价格会便宜得多。对于医院、高校实验室等许多需要使用到“脑电采集仪”的单位或机构而言,这无疑是一个利好消息。

  经过一次又一次地验证和优化,目前“佳瑞芯创”版的“脑电采集仪”已经达到了临床使用的性能指标要求。“有了这样的技术产品,我们现在很有底气进行投产了,也很有信心把它的原理应用到心电、肌电等放大器的研发上。”谢佳欣说。

肌电控制:“意念”让假肢“活”起来

  “基于表面肌电的机械手实时控制系统”是“佳瑞芯创”把生理电信号采集与处理技术拓展应用的一个成功实例。有了这种“智能”的假肢,肢体残疾的人群就可以更加“得心应手”地开启正常的生活了。

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  我国肢体残疾人群的整体状况是什么?生命科学与技术学院2013届研究生兰婷给出了一组数据:由于事故、战争、各种疾病等原因,导致残疾患者人数逐年增多。以2010年中国残联发布的我国最新残疾人口数据为例,全国残疾人口逾过8500万人,其中肢体残疾人群达2473万人,占比接近30%。而在肢体残疾人群当中,手部截肢患者又占据了很大一部分比例。

  为了弥补残疾患者部分肢体丧失的功能,最直接有效的手段便是设计出各种帮助残疾患者的辅助医疗器,假肢产品的研究与开发无疑将会在很大程度上帮助患者找回他们残肢缺失的功能。目前,假肢产品控制的方式主要有三种,即装饰型假肢、机械牵引型假肢、肌电信号型假肢。

  其中,机械牵引型假肢靠部分健全的肢体通过绳索等机械手段来牵引假肢完成较简单的操作,其控制灵敏度和准确率都很差,而且还需要其他的肢体进行协调控制,很容易造成身体的疲劳。而肌电信号型假肢可以使患者对肢体的运动意图体现在残肢处,通过与肢体残端的接触产生一个生理信号的传输路径,实现对仿生假肢的智能性、灵活性、实用性的控制。

  “佳瑞芯创”研发的“基于表面肌电的机械手实时控制系统”,通过设计相关的硬件电路提取前臂体表肌电,并采用伪迹去除、特征提取等相关算法实现了对不同手势动作的表面肌电信号的快速判别和分类处理,从而实现了对仿真手的不同手部动作的灵活控制。

  经过实验验证,本系统的识别准确率高达92%以上,且具有无创便携、操作简单、安全稳定等特点,是一款能够让手部患者按照自己的主观意识去使用的康复医疗设备,更加人性化地帮助了手部患者进行康复训练和人机控制。

  “我们设计的假肢是真正意义上的假肢,因为它不是由程序来控制的,而是由人脑实时操控的。”谢佳欣得意地说,“它不仅可以用作智能义肢,以后我们给假肢装上压力、温度、湿度等传感器,残疾人在抓东西的时候,甚至可以‘感受’到东西的轻重、软硬、冷热、干湿等,甚至在一定程度上恢复触觉。”

  2014年,“佳瑞芯创”带着“基于表面肌电的机械手实时控制系统”参加全国首届生物医学电子创新设计竞赛,荣获三等奖,并成功获得四川省科技创新苗子工程的立项和资助。作品还参加了“创业天府-菁蓉汇”、2015年RM全国大学生机器人大赛、电子科大创新创业周等诸多展览。

眼电输入:“眨眼睛”打字填补市场空白

  与“智能假肢”的工作原理一样,“基于眨眼眼电的便携式智能输入系统”也是通过处理眼部肌肉运动的肌电信号实现人的“意念”与输入系统的“智能交互”,从而实现在手脚都不能动的情况下“用眼睛打字”的功能。

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  2014年风靡世界的“ALS冰桶挑战”,使许多电子科大学子开始密切关注“渐冻人”这一特殊群体。“佳瑞芯创”即是密切关注“渐冻人”的学生创新创业团队之一。“渐冻人”因运动神经损伤而导致包括四肢、躯干、胸部、腹部的肌肉逐渐无力和萎缩,眼部肌肉在所有肌肉群中是最后失去运动功能的。

  据项目负责人郜东瑞介绍,目前针对“渐冻人”的辅助解决方案,主要有磁搜索线圈技术、眼电图技术、红外眼动图法、视频记录法等。这些方法存在一个共性问题,那就是设备操作复杂、对环境要求高、容易受到干扰,且价格昂贵。

  以市场上常见的“眼动仪”为例,一般每套售价10万元左右。如果再加上2万元左右的呼吸机,每月5000元的药物维持和4000元的护工费用,“渐冻人”的经济负担将十分沉重。因此,如果能够发明一种更便宜、更高效的智能输入系统,无疑将使几十万“渐冻人”带来福音。

  “基于眨眼眼电的便携式智能输入系统”无疑具有明显的优势。而且,相对而言,眨眼睛时的电信号强度要比脑电信号强得多,且更容易识别、更具抗干扰能力。因此,对于已经掌握了“脑电放大”技术的“佳瑞芯创”而言,开发“基于眨眼眼电的便携式智能输入系统”不仅在道义上义不容辞,也极具技术基础。

  经过精巧的硬件、软件和用户界面设计,“佳瑞芯创”很快就研发出了小型化、便携式的“眨眼输入系统”。该系统采用的滤波算法能够很好地滤除眼电信号中的噪声,使系统的稳定性大幅提高;其抗干扰能力也相当强,能够适应不同的场合。更重要的是,它使整个产品的成本低至10000元以下,而且使用者不需要复杂的训练即可使用。

  据介绍,目前国内还没有适合“渐冻人”使用的“眨眼输入系统”,因此,“佳瑞芯创”的这项成果具有填补空白的独特意义。谢佳欣表示,“以后我们将眼电采集系统集成到眼镜上,使用起来就更加方便了,而且,用户将不仅仅是渐冻人,而是广大的普通消费者!”

  2016年5月,安徽芜湖的一位“渐冻人”家属看到“基于眨眼眼电的便携式智能输入系统”的消息后,主动联系“佳瑞芯创”,要求试用这款产品。郜东瑞等团队成员都十分高兴,毫不犹豫地带上了样机赶赴安徽。最终试用比较成功,患者在掌握使用方法之后,能够通过眨眼与外界进行简单的沟通。用户的反馈也为产品后期的优化提供了参考数据。

  目前,“佳瑞芯创”正在注册成立公司。谢佳欣表示,下一步“佳瑞芯创”将在管理和营销方面进一步吸纳人才、加强力量,为“脑电”“肌电”“眼电”系列产品推向市场做好一切准备。同时,他们也将继续在“信息医疗”领域深耕细作,力求推出更多造福社会的“佳作”和“芯作”。



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