無輻射、無須插管，僅通過一條柔性繃帶貼合胸部，就能在患者呼吸之間實時捕捉肺部通氣區(qū)域的動態(tài)阻抗變化，讓沉默的肺部“說話”。

近日，南京航空航天大學副教授姚佳烽團隊研發(fā)的“可穿戴肺功能實時成像儀”獲2024年度江蘇省技術轉移聯(lián)盟“十大技術轉移優(yōu)秀案例”。

姚佳烽介紹，這款形似智能運動腰帶的設備，以多電極陣列布局、彈性可伸展繃帶設計為核心，不僅突破了傳統(tǒng)CT（計算機斷層掃描）、MRI（磁共振成像）的靜態(tài)成像局限，更以“床旁可視化”的便攜優(yōu)勢，為慢阻肺、哮喘等近億患者帶來無創(chuàng)、實時呼吸監(jiān)測的新體驗。目前，該設備已在暨南大學附屬第一醫(yī)院、上海交通大學附屬新華醫(yī)院等17家三甲醫(yī)院投入臨床，并用于甘肅、貴州、河南等地多家社區(qū)醫(yī)院的慢性肺病篩查，累計服務超2萬名患者。

讓肺部呼吸“看得見”

傳統(tǒng)的肺功能檢測依賴醫(yī)生的經(jīng)驗判斷，而CT、MRI等設備雖能提供影像，卻存在有輻射風險、設備笨重、成本高昂等問題。姚佳烽介紹，團隊研發(fā)的這款成像儀，通過電阻抗斷層成像技術（EIT），在患者胸廓表面布設16個柔性電極，可以實時捕捉肺部通氣區(qū)域的電導率變化，并將數(shù)據(jù)轉化為動態(tài)圖像，“就像給肺部裝了一個‘實時監(jiān)控攝像頭’”。

設備多電極布局設計讓它“耳聰目明”，能捕獲更全面的生物阻抗數(shù)據(jù)，大大提高了測量的準確性和可靠性。該設備通過算法解析電阻抗信號，并融合生物流體信息，可以清晰顯示氣流在肺葉中的分布、流動異常區(qū)域，甚至能捕捉細微的肺泡通氣不均的情況，為早期肺纖維化、慢阻肺急性發(fā)作提供預警。

“我們的設備不僅可以實時監(jiān)測肺功能，還能根據(jù)監(jiān)測結果自動調(diào)整呼吸機參數(shù)，減輕醫(yī)生的負擔。”姚佳烽說，這一技術實現(xiàn)了手術過程中肺功能的自動化監(jiān)測和調(diào)整，大大提高了手術效率。

相比進口設備，國產(chǎn)成像儀體積縮小80%，重量僅300克，并且支持云端數(shù)據(jù)分析，可自動生成肺功能評估報告，大幅提高基層醫(yī)院診療效率。此外，繃帶式設計可以適應不同體形，兒童、老人佩戴舒適，單次檢測成本僅為傳統(tǒng)設備的1/10。

9個月攻克首代樣機

“我國40歲以上慢阻肺患者近1億人，但肺功能成像儀長期被國外壟斷，進口設備售價高達140萬元，并且操作復雜?！?016年從日本回國后，姚佳烽親身感受到國內(nèi)外高端醫(yī)療裝備領域的巨大差距。

為改變這一局面，2016年開始，姚佳烽帶領團隊帶著EIT的初步構想，開啟了底層技術研究。起步期買不起國外昂貴的電阻抗研發(fā)設備，姚佳烽就和學生們窩在實驗室里，繪制電路圖、手工焊板、選購元器件、反復調(diào)試參數(shù)。僅用9個月，他們便攻克首代樣機，實現(xiàn)“從0到1”的突破。

姚佳烽坦承，起初團隊聚焦于硬件搭建與算法開發(fā)等基礎研究，但并未意識到這項技術的產(chǎn)業(yè)化潛力。直到2020年，德國同類設備以“抗疫利器”的標簽進入中國市場，售價高達140萬元，姚佳烽深受震撼并意識到“必須用國產(chǎn)替代打破壟斷”。

然而，研發(fā)之路充滿荊棘。首代樣機的圖像重建算法原始生成一幅圖需36秒，遠未達到臨床需求。團隊引入人工智能技術，通過上萬張開源CT圖像訓練模型，將成像速度提升至每秒40幀，達到國際領先水平。

“產(chǎn)業(yè)化的那幾年，我每周總有一大半時間在醫(yī)院里。今天在江蘇的醫(yī)院，明天就‘閃現(xiàn)’到上海的醫(yī)院。我們的腳步快一些，設備實現(xiàn)國產(chǎn)替代的進程就快一點。”姚佳烽說。

雖然設備在實驗室表現(xiàn)優(yōu)異，卻在醫(yī)院遭遇信號干擾問題?！笆中g室里監(jiān)護儀、呼吸機的電磁噪聲讓設備沒那么精準?！币逊榛貞洝榇?，團隊扎根臨床一線，反復調(diào)試硬件頻率與抗干擾設計，最終實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

歷經(jīng)8年，2023年“可穿戴肺功能實時成像儀”通過江蘇省二類醫(yī)療器械創(chuàng)新審批，2024年8月正式獲批中華人民共和國醫(yī)療器械注冊證，實現(xiàn)了可穿戴EIT設備的國產(chǎn)替代。

從肺部監(jiān)測到“全身掃描”

姚佳烽團隊在研發(fā)過程中，始終以國產(chǎn)替代為目標，致力于打破國外技術壟斷。他們研發(fā)的設備不僅在性能上達到了國際先進水平，更在價格上具有顯著優(yōu)勢?！拔覀兿Ｍㄟ^技術創(chuàng)新，降低設備成本，讓更多的百姓能夠用得起?！币逊檎f。

技術突破遠未止步。姚佳烽透露，新一代設備正嘗試將胸阻抗成像與氧療儀、電刺激技術結合，實現(xiàn)氧療-理療一體化。例如，針對慢阻肺患者，設備可實時調(diào)節(jié)氧療流量；對于術后呼吸肌無力患者，能通過電刺激同步強化膈肌運動。

新一代EIT設備核心部件。受訪者供圖

目前，他們正在與材料學專家合作，開發(fā)新的材料以解決電極帶引起的壓瘡問題，并計劃將研究成果應用于產(chǎn)品中?！拔覀兿Ｍㄟ^不斷的技術創(chuàng)新，提升產(chǎn)品的性能和用戶體驗?！币逊楸硎?，“同時，我們也希望通過與更多醫(yī)療機構的合作，進一步優(yōu)化我們的技術?！?/p>

團隊更宏大的愿景在于拓展電阻抗技術的應用邊界，目前已布局微流控腫瘤細胞檢測、乳腺腫瘤3D篩查等方向，甚至計劃為航天員設計肌肉運動監(jiān)測系統(tǒng)?！半娮杩钩上竦臐摿h超想象?！币逊楸硎?，“未來或許只需一件智能衣，就能完成全身器官的實時‘透視’?！?/p>

在這條創(chuàng)新賽道上，姚佳烽始終懷著科研報國的使命感?！翱蒲胁粌H要發(fā)論文，更要解決實際問題。我們就是想通過自己的努力打破壟斷，為國產(chǎn)醫(yī)療器械的發(fā)展注入活力，讓更多患者受益?！?/p>

來源：中國科學報