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妙手乾坤,護(hù)航新生命
作為國際上最早從事智能系統(tǒng)設(shè)計與新生兒監(jiān)護(hù)的研究的學(xué)者之一,陳煒做了許多先驅(qū)性工作和貢獻(xiàn),深受業(yè)內(nèi)學(xué)者的國際認(rèn)可。她帶領(lǐng)課題組提出并實現(xiàn)了可穿戴無線傳感器系統(tǒng)對于健康參數(shù)的監(jiān)測以及反饋,這些系統(tǒng)集傳感器技術(shù)、信號處理、醫(yī)學(xué)信息分析、用戶舒適度、美觀等為一體,得到了社會的廣泛關(guān)注。
陳煒的臨床醫(yī)學(xué)信息傳感研究從新生早產(chǎn)兒開始。新生兒是非常特殊的群體,蘊含著人類發(fā)展的希望。但新生早產(chǎn)兒由于其特殊性,需要待在保溫箱里,和大多數(shù)嬰兒成長的環(huán)境完全不同。在保溫箱里,他們的各種生理信號通過凝膠電極、有線傳感器和笨重的設(shè)備、眾多的導(dǎo)線與身體直接連接來進(jìn)行監(jiān)測,并以相應(yīng)的醫(yī)學(xué)方法促進(jìn)新生早產(chǎn)兒成長。
陳煒的一個研究方向就是新生早產(chǎn)兒的監(jiān)護(hù)。圍繞相關(guān)課題,陳煒的主要目標(biāo)是:如何用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和信息科學(xué)的手段為新生早產(chǎn)兒提供更加舒適的、接近于家庭的、能夠跟父母自然交流的生存環(huán)境,讓他們的身心得到更好的發(fā)展,同時也使他們的生理信號達(dá)到醫(yī)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn),為醫(yī)護(hù)人員做診斷、做治療提供更加準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)。
陳煒課題組設(shè)計研究了有集成纖維傳感器(smart textiles)的智能服裝來監(jiān)測生命體征信號。她測試了多維纖維傳感器在心電信號監(jiān)測中的信號質(zhì)量和穩(wěn)定度,并與傳統(tǒng)心電貼片傳感器監(jiān)測的信號作對比,對纖維傳感器的大小和位置都進(jìn)行了優(yōu)化,提出并實現(xiàn)了一種基于頻譜分析的優(yōu)選算法來選擇在各種身體姿勢下可獲得最佳信號質(zhì)量的信道。這種新型的新生兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在荷蘭馬克西瑪醫(yī)療中心(Maxima medical center)成功試驗,其采集的心電信號滿足醫(yī)學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)。智能新生兒監(jiān)護(hù)服裝項目成果于2009年獲荷蘭Brainport 醫(yī)療項目大賽提名并獲TU/e Excellent Award二等獎。她的課題組在該領(lǐng)域旗艦國際會議IEEE Body Sensor Networks(BSN 2009)發(fā)表的關(guān)于智能服裝監(jiān)測心電信號的設(shè)計研究與測試的論文,由于其新穎獨創(chuàng)性得到了廣泛的關(guān)注。
遵循新生兒護(hù)理的發(fā)展思路和方案,陳煒帶領(lǐng)課題組設(shè)計了一系列關(guān)愛嬰幼兒的傳感檢測系統(tǒng)。她設(shè)計研發(fā)了可穿戴無線傳感器系統(tǒng)監(jiān)測體溫和血氧,在醫(yī)院成功測試了基于小型熱敏電阻溫度計的智能腰帶。她還設(shè)計研發(fā)了利用近紅外光譜技術(shù)的非侵入式反射型血氧監(jiān)測(Reflectance Pulse Oximeter)系統(tǒng),方便易用,可達(dá)到現(xiàn)有醫(yī)用設(shè)備的測量準(zhǔn)確度。她設(shè)計的基于電感的非接觸式能源傳輸(Inductive contactless energy transfer)系統(tǒng),具有友好的用戶界面,滿足新生兒監(jiān)護(hù)的需要,為新生兒在保育箱內(nèi)外持續(xù)提供電能,且為解決可穿戴無線傳感器系統(tǒng)換電池的麻煩做出了貢獻(xiàn)。該研究成果在國際知名期刊Journal of Ambient Intelligence and Smart Environments的可穿戴傳感器特刊上發(fā)表。
基于光電容積描記(photoplethysmograph,PPG)的心跳反饋系統(tǒng)是這一時期陳煒的重要設(shè)計研發(fā)內(nèi)容之一。該系統(tǒng)將母親的心跳通過一個小抱枕以輕微震動的方式傳給孩子,以緩解患兒的緊張心情。通過在荷蘭馬克西瑪醫(yī)療中心對10名新生兒的測試,該系統(tǒng)對90%的患兒有安慰效果并縮短70%患兒的哭鬧時間。她還設(shè)計實現(xiàn)了幫助癌癥患兒的有多媒體系統(tǒng)的時尚座椅,該設(shè)計應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)提高患兒與親友的交流。通過與荷蘭的廠商合作,2012年10月產(chǎn)品在荷蘭設(shè)計周展出,獲荷蘭科技時報等多家媒體報道,得到廣泛好評。同年11月在荷蘭凱特瑞娜綜合醫(yī)院(Catharina hospital)正式使用。
在新生兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,陳煒帶領(lǐng)課題組還設(shè)計實現(xiàn)了擁有交互式前饋和反饋系統(tǒng)的心肺復(fù)蘇(cardiopulmonary resuscitation,CPR)輔助器材,該設(shè)計利用壓力傳感器,電致發(fā)光的薄膜(electroluminescent foil),及電子聲音節(jié)拍器來指導(dǎo)醫(yī)務(wù)人員在執(zhí)行心肺復(fù)蘇任務(wù)中的準(zhǔn)確胸腔壓力和節(jié)拍。開發(fā)了用于測試的嵌入壓力傳感器陣列的人體模特及算法軟件實時來分析壓力和節(jié)拍。該研究在該領(lǐng)域國際頂級期刊IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine發(fā)表,在荷蘭馬克西瑪醫(yī)療中心由20名醫(yī)務(wù)人員成功測試,使用輔助器材后,壓力和節(jié)拍的準(zhǔn)確度有顯著提高。
愛心飛揚,締造品質(zhì)人生
提及為何會介入醫(yī)療健康監(jiān)測系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和信號處理領(lǐng)域相結(jié)合的科研工作,陳煒談起她在荷蘭的艾因霍芬科技大學(xué)的一段回憶。當(dāng)時她和一位新生兒科專家同事聊起關(guān)于小兒科研究領(lǐng)域的一些問題時,同事告訴她,新生早產(chǎn)兒的皮膚非常稚嫩,保溫箱內(nèi)的傳統(tǒng)的電極貼片會刺激到早產(chǎn)兒的皮膚,甚至?xí)毫阉麄兊钠つw,并且打擾到寶寶的睡眠,外在的刺激也會讓嬰孩精神緊張,對他們的生長和發(fā)育都有害。能不能有一種先進(jìn)的方式,有一種新型的傳感器來替代這種貼片式的傳感器?
在荷蘭的一家醫(yī)院里,看著在保溫箱里連著無數(shù)根電極貼片、與父母隔著重重阻礙的新生早產(chǎn)兒,陳煒的心揪在一起,“當(dāng)時我就在想,如果我們的工程技術(shù)方面能夠做出一些努力,不但讓這些患者的生活環(huán)境更加舒適,也能更加精準(zhǔn)地監(jiān)控生理信號,對孩子以后的發(fā)展會有很大好處?!庇谑?,一系列檢測生理信號的傳感器系統(tǒng)設(shè)計誕生了。有和普通嬰兒衣服一樣的纖維傳感器智能服裝,有傳遞母親心跳的小抱枕等等。這些設(shè)計不僅是一項項科研項目成果,更是陳煒對新生兒無私的愛心、對社會深深的責(zé)任感。
就在這樣的一個機緣巧合中,陳煒真正看到了自己掌握的工程傳感器技術(shù)切實服務(wù)于患者。而隨著技術(shù)的發(fā)展,傳感器可以做得更輕、更小、更薄,易于貼近人的身體,融合在生活環(huán)境中,如衣服、生活用品、家具等,組成物聯(lián)網(wǎng),在并不影響正常生活的情況下測量人的生命體征、活動以及場景信息,然后數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸并存儲至云端,從而使醫(yī)護(hù)人員及時取得信息并提供有效反饋。新型的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)不僅大大改進(jìn)了舒適度,也提高了醫(yī)護(hù)人員的服務(wù)質(zhì)量,讓醫(yī)護(hù)人員可以遠(yuǎn)程得到患者精確的生理數(shù)據(jù),便于指導(dǎo)病患生活和康復(fù)。
從新生兒起步,發(fā)展到對孕婦、老年人,和一些重大疾病例如心腦血管疾病、糖尿病、睡眠呼吸疾病、精神疾病的患者等特殊人群的監(jiān)護(hù),陳煒科研團(tuán)隊針對不同用戶群體不斷加強系統(tǒng)功能,對患者行為進(jìn)行監(jiān)護(hù)控和提醒。如研發(fā)了基于可穿戴傳感系統(tǒng)的智能康復(fù)服裝幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,通過對糖尿病患者和心衰患者的飲食、飲水量還有他們每天的鍛煉情況的監(jiān)測,一方面提醒他們飲食的攝入量情況,另一方面也總結(jié)數(shù)據(jù)直接提供給醫(yī)護(hù)人員,方便醫(yī)生遠(yuǎn)程指導(dǎo)和監(jiān)護(hù)患者康復(fù)。這樣,可以有效提高病患對于自己健康的管理水平以及促進(jìn)和家人、醫(yī)護(hù)人員之間的交流。
不僅局限于此,陳煒在傳感技術(shù)在智能設(shè)計中的研究和通信與信號處理也有突出成就,為提高睡眠質(zhì)量、降低生活壓力等方面的設(shè)計做出了貢獻(xiàn)。而現(xiàn)在,科研成就卓越的陳煒自荷蘭回到國內(nèi),在復(fù)旦大學(xué)開始了自己工作的新的征程。