“這款監測儀什么時候能賣到歐洲來？”“到時候可以讓我做代理嗎？”……不久前在瑞士舉行的第50屆日內瓦國際發明展上，陳彥的展臺被圍得水泄不通。
這次陳彥是以雙重身份參展——中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）教授、合肥中科知奇信息科技有限公司董事長。
發明展上，他們團隊研發的“非接觸式心臟健康監測技術及應用”憑借創新性與應用價值，從全球近40個國家和地區的超千項科技成果中脫穎而出，斬獲金獎。
“使用這款監測儀時，用戶不需要佩戴電極，也不需要去除衣物，躺在床上，就能以無感的方式完成心電圖、呼吸、心率等監測，精確度達到臨床級別。同時，手機上的APP會及時反饋結果。”陳彥向《中國科學報》介紹。
發明展評委會主席David.TAJI為陳彥（右一）及團隊成員頒獎。受訪者供圖 中科知奇展廳內，用戶在體驗非接觸心臟睡眠健康監測儀。受訪者供圖突破百年局限，首創非接觸心電圖監測
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，其發病率與致死率均居世界前列。
近年來，心血管疾病年輕化。“特別是新冠疫情之后，我身邊的朋友或是朋友的朋友心臟出現了一些問題，嚴重的甚至在半夜睡覺時就走了。”陳彥感慨道。
心電圖自發明一百多年來，一直被視為臨床診斷心血管疾病的金標準之一。然而，現有的監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心電圖監測往往很難實施，導致一些患者錯過疾病診斷和治療的最佳時期。
有沒有更佳的解決方案？
陳彥早年在國外讀博期間，曾跟隨導師做室內無線通信研究。“我們發現，WiFi信號不僅可以傳遞信息，還可以感知環境的變化。于是，我們攻克了很多難題，研發出一套基于WiFi信號的感知系統。”陳彥說，這其實就是早期的“通信感知一體化”雛形。當時國內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，繼續開展相關研究。“WiFi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，系統立即可以監測到。但系統無法監測到房間具體人數以及每個人的狀態。”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WiFi頻段轉向毫米波頻段。
我們知道，傳統心電圖是通過接觸皮膚的電極，捕捉反映心臟狀態的電活動變化。而直接以非接觸式測量體表的電信號異常困難。
“在閱讀文獻時，我注意到《自然》曾發表一篇論文，文中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。也就是說，我們可以通過獲取心臟機械振動信息，監測心臟狀態。”陳彥介紹。
受此理論啟發，一年后，他帶領學生搭建了一套系統，實現了基于毫米波雷達的非接觸人體心電圖實時監測，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。相關研究成果發表于《IEEE 移動計算快報》，并被《IEEE Spectrum》報道。
“當時，我們做了一項可行性驗證工作——讓35位學生模擬正常呼吸、運動后和睡眠等不同生理狀態，利用團隊研發的系統與心電圖機同步監測心臟活動，再對比結果。”陳彥介紹，實驗結果證明用毫米波雷達做非接觸心電圖監測是可行的。
團隊同步使用監測儀與傳統心電圖采集數據。受訪者供圖
提升監測精度，驗證醫學應用價值
上述工作一經發表后，引起很多人的興趣，他們找到陳彥尋求合作。
“借此機會，我們聯合醫院開展了大規模人群實驗。”陳彥回憶，那時大概有大半年時間，團隊成員每天就學校、醫院兩頭跑，在不影響醫生正常工作的前提下，挨個詢問病人是否同意在做心電圖的同時，使用他們的系統采集數據。
通常，醫生根據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，系統監測的結果非常準。反之，不憋氣時，監測精度就會大幅下降。”陳彥說，很自然地他們想到呼吸對監測精度影響很大。
緊接著，他們做了非常深入的研究，發現了兩個重要的物理現象：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，顯著提升了監測精度。
“我記得當實驗成功的消息傳來時，我和幾名學生正在去外地出差的高鐵上。聽到消息后，我們非常激動。晚上到了賓館后開始連夜跑實驗。”陳彥回憶。
隨后，團隊做了進一步驗證：在大規模醫院場景（6千多名參與者）和日常生活場景（長達21個夜晚）中，該系統取得了26.1毫秒和34.1毫秒的中位誤差，充分驗證了其醫學應用價值。這項研究為毫米波雷達在心臟活動監測領域的應用奠定了重要基礎，相關成果發表于《自然-通訊》。
在醫院采集數據時，他們不僅僅在門診，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。其次，有部分患者對電極片過敏，無法長期貼附。”陳彥介紹，這些都是傳統心電圖監測的痛點問題。
陳彥逐漸意識到，團隊研發的系統很“有用”。如果能將其轉化為產品，通過儀器對人群進行非接觸式心臟監測是完全可行的。到那時，就可能做到心臟疾病的早期發現、快速診斷和早期治療。
團隊研發的心臟睡眠健康監測儀。受訪者供圖
不斷迭代升級，從實驗室走向市場
恰好同時期，中國科大作為國家“職務科技成果賦權改革”試點單位，創造性地提出了“賦權+轉讓+約定收益”模式。這極大激發了科研人員對科技成果轉化的信心。
于是，陳彥找到孫啟彬。“孫老師是中國科大研究員、IEEE Fellow，長期專注于機器視覺、媒體內容分析等研究。他主創的公司曾被某上市公司收購。所以孫老師擁有從科研創新到成果轉化的寶貴實踐經驗。”兩人認真討論一番后，一致認為“這可能是一個很好的機會”。
很快，團隊用了幾個月走完賦權流程。中科大資產經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，包括如何注冊公司、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。“知即感知，奇指奇點源頭，‘知奇’即探索本質。我們致力于通過非接觸感知技術，揭示心腦血管疾病的發病根源。”陳彥說。
為節省開支的同時保障公司正常運行，公司初期只招了2名全職員工：畢業于中國科大少年班的張冬博士擔任總經理，負責系統的工程化設計；另外一位是財務人員。孫啟彬則負責制定公司戰略規劃，陳彥帶領實驗室同學優化系統算法技術。
要把實驗室里的系統做成實實在在的產品，并不容易。
“在實驗室做系統時，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，系統必須實時出結果。”陳彥解釋，試想一下，如果用戶用監測儀做完心電圖后，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，團隊的每一位成員都把工作當作自己的事業，周末經常主動加班完善技術、寫代碼，不斷挑戰技術瓶頸。每每解決一個難點，大家都會不約而同地歡呼雀躍。“這意味著我們離成功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測系列產品的研發，也已與多家三甲醫院就成果落地達成了合作。今年下半年，系列產品將面向市場銷售。
除了醫療場景，監測儀也可用于日常生活中。“尤其是居住在養老院或獨居的老人，可以將監測儀安裝在床頭，用于監測他們的呼吸、心率、心電圖、卒中風險等。一旦出現異常情況，APP可以發預警信息給老人的子女。”陳彥強調，毫米波雷達的輻射功率比手機低800倍，所以不必擔心輻射問題。
接下來，團隊將圍繞非接觸心臟活動監測進行兩方面的研究，一是爭取解決目前系統落地所面臨的一些挑戰，例如運動偽影帶來的干擾；二是基于現有的感知系統，繼續探究一些常見心臟疾病的診斷和發病機理。
“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、全時段的實時監測及分析服務，及早發現潛在心腦血管健康問題。”陳彥表示。
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