用雷達“聽”心跳，他們摘得金獎

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準之一。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)。”陳彥說，這其實就是早期的“通信感知一體化”雛形，當時國內(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，成立智能感知實驗室，繼續(xù)開展相關研究。“Wi-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)。”陳彥說。

想要做更細致的感知行為分析，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?！标悘┙榻B，“在閱讀文獻時，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)。”

受此理論啟發(fā)，一年后，他帶領學生搭建了一套系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于毫米波雷達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)學應用價值

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，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)測的結果非常準。反之，不憋氣時，監(jiān)測精度就會大幅下降。”陳彥等人很自然地想到，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，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)學應用價值。這項研究為毫米波雷達在心臟活動監(jiān)測領域的應用奠定了重要基礎。

在醫(yī)院采集數(shù)據(jù)時，他們不僅在門診，還進入病房了解患者的確切需求。“重癥的住院患者一般需要24小時貼附電極片，監(jiān)測心率、血氧等指標。一到冬天，由于皮膚干燥，電極片接觸效果變差，設備會自動報警。護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。”陳彥介紹，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)測儀走進千家萬戶

恰好同時期，作為國家“職務科技成果賦權改革”試點單位，中國科大提出“賦權+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?！皩O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真討論一番后，一致認為“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流程。中國科大資產(chǎn)經(jīng)營有限公司與中國科大先進技術研究院的工作人員提供了全流程的指導和服務，包括注冊公司、股權設計、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，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任總經(jīng)理，負責系統(tǒng)的工程化設計；另外一位是財務人員。孫啟彬負責制定公司戰(zhàn)略規(guī)劃，陳彥帶領實驗室同學優(yōu)化系統(tǒng)算法技術。

“在實驗室做系統(tǒng)時，我們追求的是把性能做到極限，至于算法的復雜度有多高、結果是一天或是一周跑出來，這都不是我們考慮的主要因素。但在實際應用時，系統(tǒng)必須實時出結果?！标悘┙忉專囅胍幌?，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作自己的事業(yè)，周末經(jīng)常主動加班完善技術、寫代碼，不斷突破技術瓶頸。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。”

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、卒中風險等。一旦出現(xiàn)異常情況，App可以發(fā)預警信息給老人的子女。”陳彥特別指出，毫米波雷達的輻射功率約為手機的1/800，所以不必擔心輻射問題。

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。

“我們的目標是做心腦血管疾病早期智能預警的領頭羊，讓監(jiān)測儀走進千家萬戶，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，及早發(fā)現(xiàn)潛在心腦血管健康問題?！标悘┱f。