“微電子神經(jīng)肌電橋”研究者

蒙世葉

2010年1月20日，東南大學(xué)的科研人員正在做一項有趣的實驗：在攝像機(jī)的鏡頭下，兩只蟾蜍一只放在北京，一只放在南京，遠(yuǎn)隔千里。在北京的實驗室里，研究者用一滴醋酸滴到蟾蜍的左腳趾上，蟾蜍的左腿條件反射馬上收縮起來；在南京實驗室里的蟾蜍，也立刻做出同樣的動作。

2012年11月，第十四屆中國國際工業(yè)博覽會在上海隆重舉行，一個展位正在表演：“抬胳膊……張開手……握拳頭……”。隨著一名學(xué)生的動作，現(xiàn)場另一名被蒙上雙眼的學(xué)生，手臂和手指也跟著做起同樣的動作，甚至優(yōu)雅地彈起了電子琴。這是東南大學(xué)的師生在現(xiàn)場進(jìn)行兩人之間肢體控制實驗。觀眾們清晰地看到，參加實驗的人員沒有任何語言交流和身體接觸，僅在手臂上貼著若干普通的電極， 而這些電極通過連線連接到一個神秘的儀器上。同樣的現(xiàn)象發(fā)生在現(xiàn)場一位偏癱患者身上，他癱瘓的手臂可以跟隨學(xué)生手臂動作成功舉起、放下。

這些“神秘”的儀器到底是何物？竟然有如此神奇的“魔力”，能實現(xiàn)“異體控制”？為此，筆者帶著種種疑問采訪了東南大學(xué)教授王志功、呂曉迎。話題自然由此開始。

筆者（以下簡稱訪）：請問兩位教授，北京的蟾蜍是怎樣“控制”南京的蟾蜍的？實驗人員又是如何“控制”患者，使他動起來？

王志功教授（以下簡稱王）：北京蟾蜍“控制”南京蟾蜍，其實是建立在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出的神經(jīng)信號的基礎(chǔ)上。首先，北京蟾蜍受到刺激的左腿產(chǎn)生了本能的收縮動作，與此同時產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)信號。我們通過專門的微電極系統(tǒng)，捕捉到蟾蜍腿動時發(fā)出的“縮腿”神經(jīng)信號。然后，交由“微電子神經(jīng)橋”電路放大和處理后，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)從北京傳送到南京，接收并處理恢復(fù)為初始的神經(jīng)信號，然后通過微電極刺激南京蟾蜍的坐骨神經(jīng)，就產(chǎn)生相似的縮腿動作了。因此，我們看到了北京蟾蜍“控制”南京蟾蜍的有趣現(xiàn)象。

呂曉迎教授（以下簡稱呂）：同樣的，我們在博覽會的路演時，其中一個研究生戴著裝有傳感器的特殊手套，通過微電子模塊，把一個人手部動作的肌電信號放大并譯碼處理后發(fā)射出去，這是第一步；蒙上眼睛的人或者是患者手部的相應(yīng)部位接收到電信號后，刺激相應(yīng)的肌肉，做出了同樣的動作，這是第二步。這一個過程的完成，實際都是通過了“神秘”的電子系統(tǒng)——“微電子肌電橋”實現(xiàn)的?！爱愺w控制”不是“心電感應(yīng)”的魔力，也不是“特異功能”的法術(shù)，這是人類的智慧，科學(xué)的結(jié)晶。

訪：你們發(fā)明的“微電子神經(jīng)肌電橋”榮獲了國際發(fā)明展“特別金獎”，請簡要介紹一下。

王：2015年4月15日至19日，第四十三屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展在日內(nèi)瓦巴萊斯堡展覽會議中心舉行，我們東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所和生物電子學(xué)國家重點實驗室聯(lián)合研究團(tuán)隊發(fā)明的“微電子神經(jīng)肌電橋”獲得此次發(fā)明展的“特別金獎”。我們的發(fā)明項目是分類到醫(yī)療器械的M組的。M組每年參展的項目數(shù)都是最多的，今年是79項。M組獲特別金獎的難度很高，因為需要評審專家認(rèn)可發(fā)明器械醫(yī)學(xué)治療的有效性，更為重要的是，發(fā)明人要有臨床實驗結(jié)果、發(fā)表論文和實驗數(shù)據(jù)等支持他們的發(fā)明。沒有這些數(shù)據(jù)，評審專家，特別是具有很強(qiáng)醫(yī)學(xué)背景的專家會對發(fā)明持保留態(tài)度，就難以獲得特別金獎。

我們的團(tuán)隊發(fā)明的“微電子神經(jīng)肌電橋”應(yīng)用通信原理、生物控制原理、微電子技術(shù)和電子針灸技術(shù)，創(chuàng)作出多種類型的肢體運動功能康復(fù)訓(xùn)練與功能重建儀器，既可實現(xiàn)健康人腦手并用帶動脊髓損傷的全癱病人或腦癱嬰兒做肢體動作訓(xùn)練，又可以實現(xiàn)偏癱病人健側(cè)的腦手并用帶動自己患側(cè)的肢體做動作訓(xùn)練。做出的十多臺樣機(jī)已經(jīng)在南京中大醫(yī)院康復(fù)科、針灸科和神經(jīng)內(nèi)科、江蘇人民醫(yī)院康復(fù)科、北京博愛醫(yī)院中國康復(fù)研究中心和香港查爾斯親王醫(yī)院對幾十例癱瘓病人進(jìn)行了臨床科學(xué)實驗，取得了顯著的訓(xùn)練效果。具有新穎性、創(chuàng)造性和應(yīng)用性強(qiáng)、技術(shù)水平高、市場前景廣闊、對社會和產(chǎn)業(yè)都有好處的六個特點。因此，得到了來自40多個國家的70多位評審專家一致推薦的“特別金獎”。

呂：1973年創(chuàng)立的“日內(nèi)瓦國際發(fā)明展覽會”是由瑞士聯(lián)邦政府、日內(nèi)瓦州政府和世界知識產(chǎn)權(quán)組織聯(lián)合舉辦的世界上規(guī)模最大、歷史最悠久的發(fā)明展之一。今年有來自48個國家和地區(qū)的1100余項新發(fā)明匯集這一國際發(fā)明展示盛會。獲特別金獎（Gold Medal with the Congratulations of the Jury）的前提是：所有評審專家一致同意授予金獎。我們的發(fā)明創(chuàng)造贏得了評審專家高度認(rèn)可，因而榮獲“特別金獎”。

訪：微電子神經(jīng)/肌電橋的科學(xué)原理是什么？

王：“微電子神經(jīng)橋”的科學(xué)原理是：利用一組微電極從神經(jīng)束上探測到作為信號源的動作電位脈沖序列，經(jīng)過微電子系統(tǒng)的放大和處理，形成與信號源對應(yīng)的電壓脈沖序列，傳送到受控的肢體上，通過另一組微電極刺激體內(nèi)的神經(jīng)或神經(jīng)肌肉接頭，就控制相應(yīng)的肌體產(chǎn)生期望的運動功能。

“微電子肌電橋”的科學(xué)原理與“微電子神經(jīng)橋”大體相同，不同之處有兩點：一是采用體表電極從皮膚上獲取肌電信號，二是將與信號源對應(yīng)的電位脈沖序列同樣通過體表電極刺激受控肢體皮下的神經(jīng)肌肉接頭或直接刺激肌肉。這樣，利用“微電子肌電橋”可以無創(chuàng)地實現(xiàn)肢體運動功能調(diào)控或重建。

呂曉迎教授：事實上，我們還可以自神經(jīng)取信號去控制肌肉，構(gòu)成微電子神經(jīng)-肌電橋，自體表取信號去控制神經(jīng)，構(gòu)成微電子肌電-神經(jīng)橋。四種橋接方式各有特點和特殊應(yīng)用的場合。

目前，我們正在將微電子神經(jīng)橋技術(shù)與我國傳統(tǒng)的針灸技術(shù)結(jié)合，利用針灸的微創(chuàng)醫(yī)術(shù)實現(xiàn)靈巧可靠的微電子肌電-神經(jīng)橋，以便更有效地在醫(yī)院針灸科或遍布城鄉(xiāng)的診所治療癱瘓病人。

訪：“微電子神經(jīng)/肌電橋”可以應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？

王：“微電子神經(jīng)/肌電橋”應(yīng)用前景廣闊。我們研發(fā)了以“微電子神經(jīng)/肌電橋”為核心的肢體運動功能調(diào)控或重建的系統(tǒng)方案和技術(shù)，就是希望因“中風(fēng)”造成的偏癱患者、早產(chǎn)或難產(chǎn)等原因造成的腦癱患者和因脊髓損傷造成的截癱或全癱患者能早日康復(fù)；2010年《中國衛(wèi)生統(tǒng)計提要》和《中國心血管疾病報告》指出，中國每年新發(fā)“中風(fēng)”患者200萬人，累計幸存的“中風(fēng)”患者有700萬人，他們存在不同程度的殘疾，即偏癱。這些數(shù)以百萬、千萬的癱瘓患者期盼癱瘓肢體能夠得到康復(fù)治療，這是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用?！拔㈦娮由窠?jīng)/肌電橋”還可以應(yīng)用于體育技能訓(xùn)練、手工藝技巧傳教、嬰幼兒動作學(xué)習(xí)等等。如彈琴，曾有媒體設(shè)想，在著名鋼琴演奏家郎朗和一群琴童的雙手之間連接上“無線微電子肌電橋”，孩子們就可以在郎朗的帶動下彈奏出同樣美妙的樂曲。

呂：目前，我們的研究主要是針對癱瘓者肢體運動功能的康復(fù)治療，重點是如何用最小功率、最小的尺寸和重量的微電子裝置、對肢體沒有創(chuàng)傷或以最小的創(chuàng)傷和最方便與準(zhǔn)確的電極，實現(xiàn)對受控癱瘓肢體最有效的運動功能控制。當(dāng)然，這是要經(jīng)過許多深入研究和大量的臨床科學(xué)實驗，以確保該技術(shù)的安全性與可靠性。

訪：“微電子神經(jīng)/肌電橋”在研究推廣面臨哪些問題？

王：目前，利用“微電子神經(jīng)/肌電橋”裝置實現(xiàn)的大部分動作還是相對簡單的，即只實現(xiàn)了最多5個關(guān)節(jié)的曲或伸?？紤]到一個癱瘓病人的上下肢上各有30多塊肌肉，需要全部協(xié)調(diào)控制才有可能實現(xiàn)全面的運動功能重建，因此，首要任務(wù)是研究并實現(xiàn)功能強(qiáng)大、性能可靠的便攜式或植入式“微電子神經(jīng)/肌電橋”，為癱瘓肢體運動功能的康復(fù)訓(xùn)練和多自由度協(xié)調(diào)重建提供高性能的器械。

現(xiàn)在，我們要解決如下問題：一是作為神經(jīng)和肌肉與微電子系統(tǒng)的接口，需要解決不同調(diào)控目的所需要的穿戴式電極陣列的設(shè)計與制造問題。二是在肌電信號探測方面，需要解決各種連續(xù)和諧功能性動作涉及的多通道信號的有效獲取、信號分離與模式識別算法等問題。三是在通過功能電刺激實現(xiàn)運動功能調(diào)控方面，需要在微電子系統(tǒng)中引入具有伺服功能的自動反饋回路。四是需要開展對人體神經(jīng)系統(tǒng)“自激”信號的計算、分析和識別，引入拮抗信號阻斷“自激”信號，實現(xiàn)和諧調(diào)控，解決肢體痙攣問題。

訪：“微電子神經(jīng)/肌電橋”科研成果轉(zhuǎn)化方面是如何做的？

呂：2012年5月，在南京市政府“321”人才計劃和東南大學(xué)的支持下，我們成立了名為“南京神橋”的醫(yī)療器械創(chuàng)業(yè)型公司，致力于癱瘓肢體運動康復(fù)儀的研制、開發(fā)和生產(chǎn)。經(jīng)過3年努力，我們已經(jīng)完成了雙通道微電子肌電橋10多臺樣機(jī)的制作，開始醫(yī)療器械的認(rèn)證程序。我們希望盡快批量提供微電子神經(jīng)/肌電橋癱瘓肢體運動康復(fù)裝置，讓成千上萬的癱瘓病人體驗我們的創(chuàng)新技術(shù)，為他們早日康復(fù)提供幫助。

王：我們與東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院康復(fù)科與針灸科、南京醫(yī)科大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院康復(fù)研究中心建立了合作關(guān)系，已經(jīng)開始進(jìn)行微電子神經(jīng)/肌電橋的臨床實驗研究；我們希望更多的有志之士一起參與，共謀發(fā)展，實現(xiàn)多贏。

訪：“神經(jīng)調(diào)控”在全世界已經(jīng)掀起了健康產(chǎn)業(yè)新浪潮，中國如何在這場科學(xué)革命中搶占先機(jī)？

呂：現(xiàn)在醫(yī)學(xué)的發(fā)展已經(jīng)從傳統(tǒng)的藥物治療、手術(shù)治療模式進(jìn)入了現(xiàn)代的“神經(jīng)調(diào)控模式”。中國在“神經(jīng)調(diào)控模式”研究方面有多支研究團(tuán)隊都做出了具有國際水平的成果。如清華大學(xué)高上凱教授團(tuán)隊的腦機(jī)接口，浙江大學(xué)鄭筱祥教授團(tuán)隊的“老鼠機(jī)器人”、“猴子控制機(jī)器手”、清華大學(xué)李路明教授的深部腦刺激技術(shù)治療巴金森氏病等等。中國在科學(xué)研究和應(yīng)用方面已經(jīng)邁向國際前列。我們衷心希望國家能夠重視這一研究領(lǐng)域，設(shè)立重大科研項目，組織優(yōu)勢團(tuán)隊聯(lián)合攻關(guān)，爭取在這場科學(xué)革命中搶占先機(jī)，推動科學(xué)技術(shù)和人類文明發(fā)展。

王：高新科技的飛速發(fā)展，將深刻地改變著人們的生活，由“神經(jīng)調(diào)控技術(shù)”帶來的健康產(chǎn)業(yè)新浪潮正迅猛而來，我們希望技術(shù)的創(chuàng)新能幫助眾多癱瘓病人早日康復(fù)，造福于全人類。

訪：黨的十八大提出了“中國夢”，二位教授對此有何感想？

王：黨的十八大提出了“中國夢”，要凝聚中國力量，增強(qiáng)自信，走自己的道路?！爸袊鴫簟奔仁敲褡鍓簦彩菑?fù)興夢，更是每個中國人實現(xiàn)自身價值的夢。18年前，我們放棄德國綠卡，回國創(chuàng)業(yè)，目的就是實現(xiàn)“兩個夢想”，一是在自己的專業(yè)領(lǐng)域培養(yǎng)出幾百名高水平科技人才，壯大我們的科研團(tuán)隊，為中華民族的偉大復(fù)興做出點滴貢獻(xiàn)；二是以學(xué)到的知識和掌握的技能為基礎(chǔ)，擴(kuò)展研究領(lǐng)域，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，做不平凡的專業(yè)學(xué)問，攻克一兩個科學(xué)難關(guān)。我們合作開展“微電子神經(jīng)/肌電橋”研究正是在追求這一夢想。我們相信，有祖國作“靠山”，有黨和政府的英明領(lǐng)導(dǎo)，我們的夢想一定能實現(xiàn)！

呂：黨的十八大提出的實施“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”戰(zhàn)略，這是我國持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)民族復(fù)興中國夢的宏圖偉略。我認(rèn)為，“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”戰(zhàn)略的實施，一是要協(xié)同創(chuàng)新。微電子神經(jīng)/肌電橋的研究是跨越電子信息科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程、神經(jīng)科學(xué)與工程等學(xué)科的交叉研究項目，迄今為止獲得的研究進(jìn)展是多個學(xué)科合作研究的成果。我們就與南通大學(xué)江蘇省神經(jīng)再生重點實驗室和信息學(xué)院、中國康復(fù)研究中心、中大醫(yī)院康復(fù)科和針灸科、南京醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)系和康復(fù)醫(yī)學(xué)系、香港應(yīng)用科技研究院等單位合作。

二是要勇于實踐。創(chuàng)新不僅要產(chǎn)生新的思路，更需要通過實驗加以驗證。我們從事電子信息的研究，原來對生物的神經(jīng)系統(tǒng)是不熟悉的，為了將電子信息技術(shù)與生物神經(jīng)相結(jié)合，需要我們學(xué)習(xí)相關(guān)學(xué)科的許多新知識，直接去接觸和熟悉動物的神經(jīng)系統(tǒng)。為了實現(xiàn)動物的神經(jīng)橋接，我們團(tuán)隊的成員，特別是女同學(xué)，經(jīng)歷了從第一次看到蟾蜍感到害怕，到后來，她們能在蟾蜍身上熟練地做各種實驗的過程。10年來，我們做了幾十只大鼠和上千只蟾蜍的實驗，還在我們團(tuán)隊成員身上做過神經(jīng)和肌電信號探測與功能電刺激的多種實驗?！捌床?chuàng)新、實踐”是我們團(tuán)隊致勝的法寶。