神奇微电子 还生命尊严
发布人: 管理员    发布时间: 2015-11-02    浏览次数: 247


编辑/杨 兰  美编/程 阁


科技创新 神奇微电子 还生命尊严


王志功教授(右)与吕晓迎教授(左)合作研究项目微电子神经 /肌电桥在瘫痪肢体运动功能康复中的应用

                       在第五届新侨创新成果交流会中荣获第五届中国侨界(创新成果)贡献奖

  

微电子神经 /肌电桥在瘫痪肢体运动功能康复中的应用荣获第五届中国侨界(创新成果)贡献奖

导语:在电影《阿凡达》中,潘多拉星球上的纳美人通过脑后的触角,可以和胯下的蝠鲼兽构成奇妙的心灵感应。而今天,意念操控已经不再是人类的遐想。2014年,美国哈佛大学神经学家ZivWilliams与同事完成了阿凡达猴子实验。他们通过选用两只猴子,一只作为主体,另一只作为受控的阿凡达,在主体大脑中植入电极和芯片,对其神经元活动进行记录并解码,而在阿凡达的脊髓中则植入32个电极,电刺激后使一只手动作。实验发现,主体能够控制阿凡达用操纵杆实现屏幕光标移动的动作,并且八九不离十。而事实上,早在五年前,我国东南大学、南通大学、中国康复中心等科研单位的科学家就已经成功进行了千里之外两只蟾蜍的神经互控实验。今天,我国东南大学射频与光电集成电路研究所的王志功教授和生物电子学国家重点实验室吕晓迎教授领导的联合研究团队已经取得了一系列更加突出的成就。

掌握微电子研制中国芯

今年刚过花甲之年的王志功教授1990年获得德国波鸿鲁尔大学博士学位,从1990年至1997年,先后在德国弗朗霍夫应用固态物理研究所做博士后和客座研究员。在海外多年,凭借着自身在电子信息学领域内的非凡天赋及坚持不懈的钻研精神,他已经在国际学术界赢得了很高的学术荣誉和广泛的尊重。然而,异国他乡良好的科研条件以及优厚的待遇,未能泯灭他胸中的爱国热忱,以平生所学报效祖国始终是他最深沉的期盼。

因此,1997101日,王志功教授毅然选择了回归祖国怀抱,以国务院归国定居专家身份回国工作,到母校东南大学担任教授。在教育部、江苏省和东南大学各方面的关心和全力支持下,他全身心投入了东南大学射频与光电集成电路研究所(简称射光所)的创建事业,走上了一条忘我的奋斗之路。

射光所的创建是从三四名师生和一间不到80平方米的空房子起步的。他利用一次次争取到的仅有几十万元量级的资金,朝着需要几千万资金才能达到的目标奋斗。为了实现建设国内外一流水平研究所的目标,他脚踏实地,一步一步向前迈进。从实验室房间的每一张桌椅,每一台仪器、每一种集成电路设计软件,到网站的每一页内容,都精心考虑,追求着止于至善(东南大学校训)的最高境界。这样,经过十多年努力,射光所达到了现在200多名成员,拥有2000多万元仪器设备的国内外知名的射频与超高速光电集成电路研究平台。建立了射频、超高速与光电集成电路设计的硬件和软件环境;开辟了国内外射频、超高速与光电集成电路多项目晶圆模式的10多条委托加工渠道;建立了一个功能齐全的射频、超高速与光电集成电路测试环境;研究了射频、超高速与光电芯片的封装技术和系统应用。

IC设计是一门包括面很广的技术和学科。概括地讲,它涉及到系统、电路、工艺、工具等四个方面的知识。所以学习IC设计,要求具备十分广泛的知识面,既要懂系统、懂电路,又要懂工艺、懂工具(主要指EDA工具)王教授这样解释自己为之奋斗多年的事业。他认为,产业化过程主要包括两个方面:第一,技术有一个积累的过程。即要把技术积累起来,达到不断成熟,然后才能做出产品。第二,到了产品阶段,也就是准备走向市场的时候,也有一个过程,即如何把科研成果同市场结合起来。这涉及到以什么样的机制、成果怎样转换、如何取得和利用相应的资金、如何建立一支产业化的团队、如何建立一种商业运行模式等。这两方面注定了产业化过程的艰辛和漫长。因此早在1999年,他就执笔撰写了关于国家设立集成电路设计人才培养专项基金,开展中国芯片工程的建议,得到时任国务院领导的批示,对十多年来我国集成电路技术和产业的蓬勃兴起起到了助推作用。

王志功教授(右)与吕晓迎教授(左)合作研究项目微电子神经 /肌电桥在瘫痪肢体运动功能康复中的应用第五届新侨创新成果交流会中荣获第五届中国侨界(创新成果)贡献奖十多年来,王志功教授在集成电路人才培养、科学研究和产业化推进方面努力拼搏,取得了一系列的成果。他本人已培养出硕士生120多名,博士生60多名,博士后10多名。200多本硕士和博士论文、10多本博士后出站报告以及他们发表的数百篇会议和期刊论文,加起来有三万多页,王志功教授对每一篇都亲自把关修改,差不多每一页都布满标注,同学们常常是深夜一点收到修改稿。由于他为每一位毕业研究生和出站博士后都倾注了心血,他们当中已有8名成为教授、12名成为副教授,其他也都成为国内外大学、研究机构和产业的科研与技术骨干。所创立的研究所培养出了500多名硕士、博士和博士后层次的集成电路设计高级人才,成为我国射频与光电集成电路设计的核心骨干和领军人物。王志功教授领导的射光所18年多来争取到国家863计划项目20多项,国家自然科学基金10多项,省部级研究项目多项和来自产业界的项目50多项,总研究经费数千万元。他们完成了几百批批上千种集成电路的设计制造和测试。几十种芯片通过专家技术鉴定,达到了国际先进甚至国际领先水平。早在2002年,他领导研制出了速度达40Gb/s的光纤通信用芯片,创造中国超高速第一芯,报道后为全国几十多家媒体争相转载。他还领导建成了江苏省射频与光电集成电路工程中心射频集成电路与系统教育部工程研究中心,在研究中心平台上,研发的无线遥控等芯片已经实现了销售上千万片的产业化规模。

王志功教授回国前,曾设计出上百种集成电路,创造多项世界纪录,获得七项德国和三项国际发明专利,发表论文60多篇。二十多次登上德、美、英、法、日等十几个国家的大会讲坛,并两次登上号称集成电路设计国际奥林匹克的国际固体电路大会讲坛。回国后又发表论文500多篇,其中SCI/EI/ISTP论文400余篇。获得20多项发明专利。他先后成为国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授,国家五一劳动奖章获得者、全国侨界十杰,全国侨联特聘专家。多次获得各种奖项和名誉,受到党和国家领导人的接见。国庆55周年出席了国庆招待会,国庆60周年登上了天安门的观礼台。

而当王教授与一同回国、在生物医学工程研究方面极有造诣的吕晓迎教授展开合作时,智慧的火花就是在以平方的规律无限扩大。


  

2012中国国际工业博览会向科技部万钢部长展示神手系统


  

2012中国国际工业博览会向科技部万钢部长展示神手系统右侧偏瘫患者体验双通道瘫痪肢体运动功能重建装置

利用微电子创意神经桥

在建立了射频和光电集成电路设计、多项目晶圆制造和测试平台,形成了一支集成电路研究开发的团队之后,王志功教授开始了一个跨学科的全新研究领域的征程,研究生物体专用集成电路,造福残疾病人。

因高空跌落、交通与体育事故和病变等多种原因引起的脊髓损伤导致的肢体瘫痪是人类可能经历的最严重的伤残之一。由于脊髓损伤常导致损伤面以下躯体的感觉和运动功能部分或全部丧失,形成截瘫或四肢瘫,从而使患者完全丧失劳动能力,日常生活不能自理。目前中国脊髓损伤患者数目在200万人以上。

针对脊髓损伤,2004年,东南大学王志功和吕晓迎领导的跨学科联合研究团队与南通大学的顾晓松教授合作,在国际上首次提出利用微电子神经桥技术实现受损脊髓神经的信号再生和功能重建的思路:采用一块高度集成的微电子芯片和两组微电极形成一个可以植入体内的模块,在瘫痪病人受损伤的脊髓断口处搭一座微电子神经桥,使得中断了的上下行神经信道实现信号再生,进而达到感觉和运动神经功能重建的目的。根据这一思路申报的中国发明专利微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置已于200812月获得授权,申报的PCT(美国)专利也已于201110月获得授权。

课题组在国家自然科学基金支持下,设计芯片,研制系统,经过上百轮动物实验,实现了一个动物的一个肢体运动神经信号对同一或另一动物的另一肢体神经的电刺激后,产生和谐的伸缩动作。在此基础上,他们利用当时先进的3G无线互联网传输技术和自己设计制作的微电子神经桥,与中国康复研究中心合作,和,于2010120日实现了千里之外(北京-南京)两只蟾蜍的坐骨神经的远程桥接验证了无线远程异体神经功能重建的设想。

在成功实现动物同体和异体神经桥接的实验之后,王志功和吕晓迎两位教授领导的联合研究团队一方面继续向受损脊髓神经桥接的世界医学难关冲击,另一方面独辟蹊径,开始向瘫痪肢体无创伤运动功能重建的人体应用迈进。

大脑供血受阻或血管破裂造成的脑功能缺失即脑卒中,又称作中风,是当今世界上发病率最高的三大疾病之一,也是首位致残因素。2010年《中国卫生统计提要》和《中国心血管疾病报告》指出,中国每年新发中风患者达200万人,累计幸存的中风患者在700万人左右,其中约有80%,亦即超过500万人存在不同程度的残疾。预计到2050年,中国每年的新发中风患者将超过530万人,累计幸存患者将超过1900万人,其中残疾人将超过1500万人。由于偏瘫是中风残疾中最常见的类型,所以,在现在和未来的几十年内,中国将产生数量巨大且日益增长的偏瘫患者群。

中风造成的偏瘫主要发生在老年人群体中,而脑瘫则完全发生在新生儿当中。其产生的病理是出生时早产、窒息或黄疸等造成的脑神经网络发育不良或脑神经细胞死亡。因为脑神经网络在出生后大体定型且脑神经细胞一旦死亡就永远消失,所以脑瘫常常被视为不治之症。据国内相关资料统计,我国的小儿脑瘫患病率约为1.92‰,每年新增患儿约5万人。我国现有的脑瘫患者已经达到600多万人,其中12岁以下的脑瘫患儿有178万人,并且还有继续增加的趋势。

因中风和脑瘫导致的肢体瘫痪的病灶发生于脑内,不能像受损的脊髓那样进行神经桥接,因此,王志功和吕晓迎两位教授发展了微电子神经桥的概念,申报了微电子神经肌电桥的多项发明专利。其核心思路是,利用一个健康肢体的运动神经信号或肌电信号对瘫痪肢体进行功能电刺激,从而同样达到瘫痪肢体协调运动功能重建的目的。在这一思想的指导下,他们五年以来通力合作,应用通信原理、生物控制原理、微电子技术和电子针灸技术,创作出多种类型的肢体运动功能康复训练与功能重建仪器,既可实现健康人脑手并用带动脊髓损伤的全瘫病人做肢体动作训练,又可以实现偏瘫病人健侧的脑手并用带动自己患侧的肢体做动作训练,从而给脑中风偏瘫患者、脑瘫患者和脊髓损伤导致的肢体瘫痪患者带来了福音。

20128月,在南京举办的第八届全国研究生电子设计大赛决赛现场,一路过关斩将的东南大学射频与光电集成电路研究所与生物电子学国家重点实验室联合研究团队带着他们能够遥控五指动作的神手装置参赛。众目睽睽之下,在闪光灯聚焦中,一名被蒙上眼睛的研究生的一只手在另一名研究生的手无线遥控下优雅地弹起了电子琴。这一幕神奇的场面征服了全体评委、十多家媒体和全场观众。为此,他们赢得了决赛中唯一的特等奖,同时也是大赛开赛16年以来唯一一个特等奖。

随后,喜讯再度传来。201211月,东南大学研究团队的研究生带着他们基于微电子神经桥的瘫痪肢体功能重建系统参加了在上海举办的第十四届中国国际工业博览会中国高校展和大学生科技创新展览。参赛期间,一位身体右侧偏瘫的老人坐着轮椅来到东南大学的展台前,看到研究生们的现场表演后强烈要求直接体验。在老人的坚持下,研究生们利用他们的奇妙设备,在一位同学和偏瘫老人之间架起了肌电遥控的桥梁。瞬间,老人瘫痪的右手手腕在那位同学右手的带动下向上伸展起来。这一幕让现场的观众发出了一致的惊叹声。而那位老人也对这一高科技装置寄予了殷切希望。

当时,科技部的万钢部长亲临展台,观看了东南大学团队的神奇展示。这台收获了阿凡达之手神手等美誉的高科技装置向观众们展示了异体神经功能控制的神奇功能,从而荣获了第十四届中国国际工业博览会中国高校展区的优秀作品奖。

20154月,王志功和吕晓迎两位教授携微电子肌电桥发明专利参加2015年日内瓦国际发明展览会,由于具有新颖性、创造性和应用性强、技术水平高、市场前景广阔、对社会和产业都有好处的六个特点,因此,获得了评审专家一致推荐的最高奖:日内瓦国际发明特别金奖

如今,他们的研究受到了一批医疗机构以及患者个人和家庭的期待。研究团队热切盼望着在政府、社会爱心机构和个人的关注与支持下,尽快地将这十余年来的研究成果应用于上千万肢体瘫痪患者,为整个社会和更多的生命带去福音。

如今,他们的研究受到了一批医疗机构以及患者个人和家庭的期待。研究团队热切盼望着在政府、社会爱心机构和个人的关注与支持下,尽快地将这十余年来的研究成果应用于上千万肢体瘫痪患者,为整个社会和更多的生命带去福音。

创新产生奇迹

201310月,在香港特别行政区举办的残障人士康复仪器应用展示会上,东南大学的科研团队再次向世人展示了神手系统微电子肌电桥双通道样机,引起了香港特别行政区食物与卫生局局长、香港特别行政区创新科技署署长和香港理工大学教授们的浓厚兴趣。

在谈到与美国的阿凡达猴子实验之间的异同时,王教授和吕教授均表示,尽管两者都是在两个分立的神经系统之间建立起联系,同是控制瘫痪肢体产生动作或运动,但区别还有不少。不同于将电极加装在神经系统,我们的控制信号取自志愿者健康肢体体表的肌电,再通过体表电极无创地加到受试者的皮肤上,这种做法对受试者不会造成任何损伤。不同于将电极加在神经系统上,我们的控制信号取自志愿者健康肢体体表的肌电,再通过体表电极无创地加到受试者的皮肤上,这种做法对受试者不会造成任何损伤。

目前,双通道的有线连接微电子肌电桥已有十多台样机在多方支持下完成制作,并通过了医疗器械检验机构的型式检验。利用这些样机,他们与南京中大医院康复科和针灸科、江苏人民医院康复科、北京中国康复研究中心、香港查尔斯亲王医院、江苏泰兴市中医院和泗洪县中医院合作,对五十多例瘫痪病人进行了临床科学实验,取得了显著的训练效果。

当前,中央政府全面推动的众创运动为两位教授的创新事业带来了巨大动力。我们希望器械通过认证后,在全国医院、诊所和家庭推广应用,为我国500多万偏瘫患者、600多万脑瘫患者,200多万脊髓损伤患者和800多万其他伤病造成的肢瘫患者提供一种全新的康复治疗体验。此外,团队还有一个关于手表操控的梦想,我们可以把健康人的动作信号取出存起来,开发一套装置,佩戴在患者身上。患者需要做什么动作可以按按钮,甚至用语言就能控制。比如说想要喝水,患者的手就能去拿杯子。通过无线信号传输为偏瘫病人服务。

如今,这一梦想正在王志功和吕晓迎教授的带领下逐渐变为现实。他们用满怀激情和兢兢业业的科研态度、积极的创新精神,用科技为生命唤回尊严,缔造着奇迹。

  

王志功,德国工学博士,博士后,国务院归国定居工作专家,东南大学信息科学与工程学院教授、博士生导师,“国家杰出青年科学基金”获得者,教育部“长江学者特聘教授”,“中国侨联特聘专家”,“江苏省劳动模范”,“全国侨界十杰”,“全国五一劳动奖章”获得者。

吕晓迎,德国牙科医学博士、博士后,东南大学生物科学与医学工程学院教授、博士生导师,东南大学生物电子学国家重点实验室副主任,与王志功教授等合作完成三项“微电子神经桥”相关的国家自然科学基金研究,共同主持了“利用微电子神经桥和3G无线互联网传输技术实现千里之外两只蟾蜍互动互感”的实验和健康肢体控制瘫痪肢体临床实验。