突破百年局限，首創(chuàng)非接觸心電圖監(jiān)測

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，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?！俺３Ｂ犝f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就走了?！标悘└锌馈?/p>

心電圖自發(fā)明100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電極，讓用戶有不適的體驗。因此，日常生活中的長時間連續(xù)心電圖監(jiān)測往往很難實施，導(dǎo)致一些患者錯過疾病診斷和治療的最佳時期。

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?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，Wi-Fi信號不僅可以傳遞信息，還可以感知環(huán)境變化。于是，我們攻克了很多難題，研發(fā)出一套基于Wi-Fi信號的感知系統(tǒng)?！标悘┱f，這其實就是早期的“通信感知一體化”雛形，當(dāng)時國內(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)，成立智能感知實驗室，繼續(xù)開展相關(guān)研究?！癢i-Fi信號存在局限，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，系統(tǒng)可以立即監(jiān)測到，但系統(tǒng)無法監(jiān)測房間內(nèi)的具體人數(shù)以及每個人的狀態(tài)?！标悘┱f。

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。2020年，陳彥將實驗室搬回母校中國科大，開始從Wi-Fi頻段轉(zhuǎn)向毫米波頻段。

“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)的電活動變化，而直接以非接觸式測量體表的電信號異常困難。”陳彥介紹，“在閱讀文獻(xiàn)時，我注意到《自然》曾發(fā)表一篇論文提出，心臟的機械活動和電活動存在映射關(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械振動信息，監(jiān)測心臟狀態(tài)?！?/p>

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)，實現(xiàn)了基于毫米波雷達(dá)的非接觸人體心電圖實時監(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)表于美國電氣與電子工程師協(xié)會《移動計算快報》。

提升監(jiān)測精度，

驗證醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值

上述研究成果發(fā)表后，引起很多人的興趣，他們找到陳彥尋求合作。

“借此機會，我們聯(lián)合醫(yī)院開展了大規(guī)模人群試驗?！标悘┗貞?，那時大概有大半年時間，團隊成員每天學(xué)校、醫(yī)院兩頭跑，在不影響醫(yī)生正常工作的前提下，挨個兒詢問病人是否同意在做心電圖的同時，使用他們的系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

通常，醫(yī)生根據(jù)心電圖報告中一項叫作心率變異性指標(biāo)，即上一個心跳與下一個心跳的間隔時間變化趨勢，判斷患者可能存在的疾病。

“在實驗中，我們注意到如果一個人憋氣時去測心率變異，系統(tǒng)監(jiān)測的結(jié)果非常準(zhǔn)。反之，不憋氣時，監(jiān)測精度就會大幅下降?！标悘┑热撕茏匀坏叵氲?，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，有效消除了呼吸運動的干擾，顯著提升了監(jiān)測精度。

隨后，團隊做了進(jìn)一步驗證：在大規(guī)模醫(yī)院場景（6000多名參與者）和日常生活場景（長達(dá)21個夜晚）中，該系統(tǒng)取得了26.1毫秒和34.1毫秒的中位誤差，充分驗證了其醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值。這項研究為毫米波雷達(dá)在心臟活動監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

在醫(yī)院采集數(shù)據(jù)時，他們不僅在門診，還進(jìn)入病房了解患者的確切需求?！爸匕Y的住院患者一般需要24小時貼附電極片，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)備會自動報警。護(hù)士不得不每隔一段時間重新擦拭酒精后再貼附。另外，有部分患者對電極片過敏，無法長期貼附?！标悘┙榻B，這些都是傳統(tǒng)心電圖監(jiān)測的痛點問題。

陳彥逐漸意識到，團隊研發(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，就可能實現(xiàn)心臟疾病的早期發(fā)現(xiàn)、快速診斷和早期治療。

不斷迭代升級，

讓監(jiān)測儀走進(jìn)千家萬戶

恰好同時期，作為國家“職務(wù)科技成果賦權(quán)改革”試點單位，中國科大提出“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，陳彥找到孫啟彬合作。“孫老師是中國科大研究員，長期專注于機器視覺、媒體內(nèi)容分析等研究。他牽頭創(chuàng)立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)化的寶貴實踐經(jīng)驗?！眱扇苏J(rèn)真討論一番后，一致認(rèn)為“這可能是一個很好的機會”。

很快，團隊用了幾個月時間就走完賦權(quán)流程。中國科大資產(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)，包括注冊公司、股權(quán)設(shè)計、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?！爸锤兄?，奇指奇點源頭，‘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?！标悘┱f。

在節(jié)省開支的同時為保障公司正常運行，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；另外一位是財務(wù)人員。孫啟彬負(fù)責(zé)制定公司戰(zhàn)略規(guī)劃，陳彥帶領(lǐng)實驗室同學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)算法技術(shù)。

“在實驗室做系統(tǒng)時，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。但在實際應(yīng)用時，系統(tǒng)必須實時出結(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，體驗感肯定要大打折扣。

幸運的是，團隊的每一名成員都把工作當(dāng)作自己的事業(yè)，周末經(jīng)常主動加班完善技術(shù)、寫代碼，不斷突破技術(shù)瓶頸。每每攻克一個難點，大家都會歡呼雀躍。“這意味著我們離邁向市場又近了一步?！?/p>

陳彥介紹，目前團隊已完成非接觸式心臟健康監(jiān)測系列產(chǎn)品的研發(fā)，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?！坝绕鋵幼≡陴B(yǎng)老院或獨居的老人而言，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?！标悘┨貏e指出，毫米波雷達(dá)的輻射功率約為手機的1/800，所以不必?fù)?dān)心輻射問題。

接下來，團隊在科研上將圍繞非接觸心臟活動監(jiān)測進(jìn)行兩方面的研究，一是爭取解決目前系統(tǒng)落地所面臨的一些問題，例如運動偽影帶來的干擾；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、全時段的實時監(jiān)測及分析服務(wù)，及早發(fā)現(xiàn)潛在心腦血管健康問題?！标悘┱f。