柔性绷带让沉默的肺部“说话”

1个月前 来源:中国科学报 观看:6

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无辐射、无须插管,仅通过一条柔性绷带贴合胸部,就能在患者呼吸之间实时捕捉肺部通气区域的动态阻抗变化,让沉默的肺部“说话”。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

近日,南京航空航天大学副教授姚佳烽团队研发的“可穿戴肺功能实时成像仪”获2024年度江苏省技术转移联盟“十大技术转移优秀案例”。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

姚佳烽介绍,这款形似智能运动腰带的设备,以多电极阵列布局、弹性可伸展绷带设计为核心,不仅突破了传统CT(计算机断层扫描)、MRI(磁共振成像)的静态成像局限,更以“床旁可视化”的便携优势,为慢阻肺、哮喘等近亿患者带来无创、实时呼吸监测的新体验。目前,该设备已在暨南大学附属第一医院、上海交通大学附属新华医院等17家三甲医院投入临床,并用于甘肃、贵州、河南等地多家社区医院的慢性肺病筛查,累计服务超2万名患者。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

让肺部呼吸“看得见”yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

传统的肺功能检测依赖医生的经验判断,而CT、MRI等设备虽能提供影像,却存在有辐射风险、设备笨重、成本高昂等问题。姚佳烽介绍,团队研发的这款成像仪,通过电阻抗断层成像技术(EIT),在患者胸廓表面布设16个柔性电极,可以实时捕捉肺部通气区域的电导率变化,并将数据转化为动态图像,“就像给肺部装了一个‘实时监控摄像头’”。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

设备多电极布局设计让它“耳聪目明”,能捕获更全面的生物阻抗数据,大大提高了测量的准确性和可靠性。该设备通过算法解析电阻抗信号,并融合生物流体信息,可以清晰显示气流在肺叶中的分布、流动异常区域,甚至能捕捉细微的肺泡通气不均的情况,为早期肺纤维化、慢阻肺急性发作提供预警。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

“我们的设备不仅可以实时监测肺功能,还能根据监测结果自动调整呼吸机参数,减轻医生的负担。”姚佳烽说,这一技术实现了手术过程中肺功能的自动化监测和调整,大大提高了手术效率。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

相比进口设备,国产成像仪体积缩小80%,重量仅300克,并且支持云端数据分析,可自动生成肺功能评估报告,大幅提高基层医院诊疗效率。此外,绷带式设计可以适应不同体形,儿童、老人佩戴舒适,单次检测成本仅为传统设备的1/10。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

9个月攻克首代样机yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

“我国40岁以上慢阻肺患者近1亿人,但肺功能成像仪长期被国外垄断,进口设备售价高达140万元,并且操作复杂。”2016年从日本回国后,姚佳烽亲身感受到国内外高端医疗装备领域的巨大差距。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

为改变这一局面,2016年开始,姚佳烽带领团队带着EIT的初步构想,开启了底层技术研究。起步期买不起国外昂贵的电阻抗研发设备,姚佳烽就和学生们窝在实验室里,绘制电路图、手工焊板、选购元器件、反复调试参数。仅用9个月,他们便攻克首代样机,实现“从0到1”的突破。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

姚佳烽坦承,起初团队聚焦于硬件搭建与算法开发等基础研究,但并未意识到这项技术的产业化潜力。直到2020年,德国同类设备以“抗疫利器”的标签进入中国市场,售价高达140万元,姚佳烽深受震撼并意识到“必须用国产替代打破垄断”。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

然而,研发之路充满荆棘。首代样机的图像重建算法原始生成一幅图需36秒,远未达到临床需求。团队引入人工智能技术,通过上万张开源CT图像训练模型,将成像速度提升至每秒40帧,达到国际领先水平。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

“产业化的那几年,我每周总有一大半时间在医院里。今天在江苏的医院,明天就‘闪现’到上海的医院。我们的脚步快一些,设备实现国产替代的进程就快一点。”姚佳烽说。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

虽然设备在实验室表现优异,却在医院遭遇信号干扰问题。“手术室里监护仪、呼吸机的电磁噪声让设备没那么精准。”姚佳烽回忆。为此,团队扎根临床一线,反复调试硬件频率与抗干扰设计,最终实现稳定运行。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

历经8年,2023年“可穿戴肺功能实时成像仪”通过江苏省二类医疗器械创新审批,2024年8月正式获批中华人民共和国医疗器械注册证,实现了可穿戴EIT设备的国产替代。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

从肺部监测到“全身扫描”yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

姚佳烽团队在研发过程中,始终以国产替代为目标,致力于打破国外技术垄断。他们研发的设备不仅在性能上达到了国际先进水平,更在价格上具有显著优势。“我们希望通过技术创新,降低设备成本,让更多的百姓能够用得起。”姚佳烽说。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

技术突破远未止步。姚佳烽透露,新一代设备正尝试将胸阻抗成像与氧疗仪、电刺激技术结合,实现氧疗-理疗一体化。例如,针对慢阻肺患者,设备可实时调节氧疗流量;对于术后呼吸肌无力患者,能通过电刺激同步强化膈肌运动。yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

新一代EIT设备核心部件。受访者供图yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com


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目前,他们正在与材料学专家合作,开发新的材料以解决电极带引起的压疮问题,并计划将研究成果应用于产品中。“我们希望通过不断的技术创新,提升产品的性能和用户体验。”姚佳烽表示,“同时,我们也希望通过与更多医疗机构的合作,进一步优化我们的技术。”
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团队更宏大的愿景在于拓展电阻抗技术的应用边界,目前已布局微流控肿瘤细胞检测、乳腺肿瘤3D筛查等方向,甚至计划为航天员设计肌肉运动监测系统。“电阻抗成像的潜力远超想象。”姚佳烽表示,“未来或许只需一件智能衣,就能完成全身器官的实时‘透视’。”yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

在这条创新赛道上,姚佳烽始终怀着科研报国的使命感。“科研不仅要发论文,更要解决实际问题。我们就是想通过自己的努力打破垄断,为国产医疗器械的发展注入活力,让更多患者受益。”yWt即热新闻——关注每天科技社会生活新变化gihot.com

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