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陈炜:传感生命之光

来源:  发布时间:2016-06-02

本刊记者 汲晓奇

  
  
  如果把生命抽象成为一束光芒,那么孩子的光小而明亮,前途远大;青年的光芒如日中天,蓬勃不息;老年人则光芒沉稳,需要扶助。健康者必定光芒饱满,病弱者却是星辉黯淡。如何感知生命之光,让病患直接表达身心的感受,使家人、医者全面获取生理信息,更加准确关爱病患?一个个小小的传感器系统,通过复旦大学信息科学与工程学院教授、博士生导师陈炜的手,变化出千姿百态,为无数生命之光建立了联系,指引了前行的道路。
  
妙手乾坤,护航新生命
  
  作为国际上最早从事智能系统设计与新生儿监护的研究的学者之一,陈炜做了许多先驱性工作和贡献,深受业内学者的国际认可。她带领课题组提出并实现了可穿戴无线传感器系统对于健康参数的监测以及反馈,这些系统集传感器技术、信号处理、医学信息分析、用户舒适度、美观等为一体,得到了社会的广泛关注。
  陈炜的临床医学信息传感研究从新生早产儿开始。新生儿是非常特殊的群体,蕴含着人类发展的希望。但新生早产儿由于其特殊性,需要待在保温箱里,和大多数婴儿成长的环境完全不同。在保温箱里,他们的各种生理信号通过凝胶电极、有线传感器和笨重的设备、众多的导线与身体直接连接来进行监测,并以相应的医学方法促进新生早产儿成长。
  陈炜的一个研究方向就是新生早产儿的监护。围绕相关课题,陈炜的主要目标是:如何用先进的传感器技术和信息科学的手段为新生早产儿提供更加舒适的、接近于家庭的、能够跟父母自然交流的生存环境,让他们的身心得到更好的发展,同时也使他们的生理信号达到医学的标准,为医护人员做诊断、做治疗提供更加准确、全面的数据。
  陈炜课题组设计研究了有集成纤维传感器(smart textiles)的智能服装来监测生命体征信号。她测试了多维纤维传感器在心电信号监测中的信号质量和稳定度,并与传统心电贴片传感器监测的信号作对比,对纤维传感器的大小和位置都进行了优化,提出并实现了一种基于频谱分析的优选算法来选择在各种身体姿势下可获得最佳信号质量的信道。这种新型的新生儿监护系统在荷兰马克西玛医疗中心(Maxima medical center)成功试验,其采集的心电信号满足医学分析的标准。智能新生儿监护服装项目成果于2009年获荷兰Brainport 医疗项目大赛提名并获TU/e Excellent Award二等奖。她的课题组在该领域旗舰国际会议IEEE Body Sensor Networks(BSN 2009)发表的关于智能服装监测心电信号的设计研究与测试的论文,由于其新颖独创性得到了广泛的关注。
  遵循新生儿护理的发展思路和方案,陈炜带领课题组设计了一系列关爱婴幼儿的传感检测系统。她设计研发了可穿戴无线传感器系统监测体温和血氧,在医院成功测试了基于小型热敏电阻温度计的智能腰带。她还设计研发了利用近红外光谱技术的非侵入式反射型血氧监测(Reflectance Pulse Oximeter)系统,方便易用,可达到现有医用设备的测量准确度。她设计的基于电感的非接触式能源传输(Inductive contactless energy transfer)系统,具有友好的用户界面,满足新生儿监护的需要,为新生儿在保育箱内外持续提供电能,且为解决可穿戴无线传感器系统换电池的麻烦做出了贡献。该研究成果在国际知名期刊Journal of Ambient Intelligence and Smart Environments的可穿戴传感器特刊上发表。
  基于光电容积描记(photoplethysmograph,PPG)的心跳反馈系统是这一时期陈炜的重要设计研发内容之一。该系统将母亲的心跳通过一个小抱枕以轻微震动的方式传给孩子,以缓解患儿的紧张心情。通过在荷兰马克西玛医疗中心对10名新生儿的测试,该系统对90%的患儿有安慰效果并缩短70%患儿的哭闹时间。她还设计实现了帮助癌症患儿的有多媒体系统的时尚座椅,该设计应用网络多媒体技术提高患儿与亲友的交流。通过与荷兰的厂商合作,2012年10月产品在荷兰设计周展出,获荷兰科技时报等多家媒体报道,得到广泛好评。同年11月在荷兰凯特瑞娜综合医院(Catharina hospital)正式使用。
  在新生儿监护系统的基础上,陈炜带领课题组还设计实现了拥有交互式前馈和反馈系统的心肺复苏(cardiopulmonary resuscitation,CPR)辅助器材,该设计利用压力传感器,电致发光的薄膜(electroluminescent foil),及电子声音节拍器来指导医务人员在执行心肺复苏任务中的准确胸腔压力和节拍。开发了用于测试的嵌入压力传感器阵列的人体模特及算法软件实时来分析压力和节拍。该研究在该领域国际顶级期刊IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine发表,在荷兰马克西玛医疗中心由20名医务人员成功测试,使用辅助器材后,压力和节拍的准确度有显著提高。
  
爱心飞扬,缔造品质人生
  
  提及为何会介入医疗健康监测系统、传感器技术和信号处理领域相结合的科研工作,陈炜谈起她在荷兰的艾因霍芬科技大学的一段回忆。当时她和一位新生儿科专家同事聊起关于小儿科研究领域的一些问题时,同事告诉她,新生早产儿的皮肤非常稚嫩,保温箱内的传统的电极贴片会刺激到早产儿的皮肤,甚至会撕裂他们的皮肤,并且打扰到宝宝的睡眠,外在的刺激也会让婴孩精神紧张,对他们的生长和发育都有害。能不能有一种先进的方式,有一种新型的传感器来替代这种贴片式的传感器?
  在荷兰的一家医院里,看着在保温箱里连着无数根电极贴片、与父母隔着重重阻碍的新生早产儿,陈炜的心揪在一起,“当时我就在想,如果我们的工程技术方面能够做出一些努力,不但让这些患者的生活环境更加舒适,也能更加精准地监控生理信号,对孩子以后的发展会有很大好处。”于是,一系列检测生理信号的传感器系统设计诞生了。有和普通婴儿衣服一样的纤维传感器智能服装,有传递母亲心跳的小抱枕等等。这些设计不仅是一项项科研项目成果,更是陈炜对新生儿无私的爱心、对社会深深的责任感。
  就在这样的一个机缘巧合中,陈炜真正看到了自己掌握的工程传感器技术切实服务于患者。而随着技术的发展,传感器可以做得更轻、更小、更薄,易于贴近人的身体,融合在生活环境中,如衣服、生活用品、家具等,组成物联网,在并不影响正常生活的情况下测量人的生命体征、活动以及场景信息,然后数据通过无线方式传输并存储至云端,从而使医护人员及时取得信息并提供有效反馈。新型的健康监护系统不仅大大改进了舒适度,也提高了医护人员的服务质量,让医护人员可以远程得到患者精确的生理数据,便于指导病患生活和康复。
  从新生儿起步,发展到对孕妇、老年人,和一些重大疾病例如心脑血管疾病、糖尿病、睡眠呼吸疾病、精神疾病的患者等特殊人群的监护,陈炜科研团队针对不同用户群体不断加强系统功能,对患者行为进行监护控和提醒。如研发了基于可穿戴传感系统的智能康复服装帮助患者进行康复训练,通过对糖尿病患者和心衰患者的饮食、饮水量还有他们每天的锻炼情况的监测,一方面提醒他们饮食的摄入量情况,另一方面也总结数据直接提供给医护人员,方便医生远程指导和监护患者康复。这样,可以有效提高病患对于自己健康的管理水平以及促进和家人、医护人员之间的交流。
  不仅局限于此,陈炜在传感技术在智能设计中的研究和通信与信号处理也有突出成就,为提高睡眠质量、降低生活压力等方面的设计做出了贡献。而现在,科研成就卓越的陈炜自荷兰回到国内,在复旦大学开始了自己工作的新的征程。
  她坦言,国外的学习、科研工作生涯对她的人生有很大影响。她继承了几位导师严谨治学的品质与跨学科的创新思维,在科研道路上不断扬帆远航。复旦大学的智慧医疗电子中心为她提供了新的科研发展平台。而她在归国后的短短几个月内就适应了新的工作环境,并积极投入到了科研与国内临床医学研究中。目前,她不仅跟欧洲的医院合作,还与复旦大学附属医院建立起新的合作关系,并积极为科研成果的产业化作出努力。
  生活中的陈炜爱烹饪,爱旅游。她享受制作美味的成就,也享受游览名山大川的愉悦。她认为,生活和工作同样重要。只有在生活中得到给养,才能够更加精力充沛、身心愉悦地投入科研工作,为更多人的健康、为社会的进步,做出更大的贡献。
 

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