微电子神经肌电桥

　　2010年1月20日，东南大学的科研人员正在做一项有趣的实验：在摄像机的镜头下，两只蟾蜍一只放在北京，一只放在南京，远隔千里。在北京的实验室里，研究者用一滴醋酸滴到蟾蜍的左脚趾上，蟾蜍的左腿条件反射马上收缩起来;在南京实验室里的蟾蜍，也立刻做出同样的动作。

　　2012年11月，第十四届中国国际工业博览会在上海隆重举行，一个展位正在表演：“抬胳膊……张开手……握拳头……”。随着一名学生的动作，现场另一名被蒙上双眼的学生，手臂和手指也跟着做起同样的动作，甚至优雅地弹起了电子琴。这是东南大学的师生在现场进行两人之间肢体控制实验。观众们清晰地看到，参加实验的人员没有任何语言交流和身体接触，仅在手臂上贴着若干普通的电极， 而这些电极通过连线连接到一个神秘的仪器上。同样的现象发生在现场一位偏瘫患者身上，他瘫痪的手臂可以跟随学生手臂动作成功举起、放下。

　　这些“神秘”的仪器到底是何物?竟然有如此神奇的“魔力”，能实现“异体控制”?为此，笔者带着种种疑问采访了东南大学教授王志功、吕晓迎。话题自然由此开始。

　　笔者(以下简称访)：请问两位教授，北京的蟾蜍是怎样“控制”南京的蟾蜍的?实验人员又是如何“控制”患者，使他动起来?

　　王志功教授(以下简称王)：北京蟾蜍“控制”南京蟾蜍，其实是建立在神经系统发出的神经信号的基础上。首先，北京蟾蜍受到刺激的左腿产生了本能的收缩动作，与此同时产生相应的神经信号。我们通过专门的微电极系统，捕捉到蟾蜍腿动时发出的“缩腿”神经信号。然后，交由“微电子神经桥”电路放大和处理后，通过无线通信网络从北京传送到南京，接收并处理恢复为初始的神经信号，然后通过微电极刺激南京蟾蜍的坐骨神经，就产生相似的缩腿动作了。因此，我们看到了北京蟾蜍“控制”南京蟾蜍的有趣现象。

　　吕晓迎教授(以下简称吕)：同样的，我们在博览会的路演时，其中一个研究生戴着装有传感器的特殊手套，通过微电子模块，把一个人手部动作的肌电信号放大并译码处理后发射出去，这是第一步;蒙上眼睛的人或者是患者手部的相应部位接收到电信号后，刺激相应的肌肉，做出了同样的动作，这是第二步。这一个过程的完成，实际都是通过了“神秘”的电子系统——“微电子肌电桥”实现的。“异体控制”不是“心电感应”的魔力，也不是“特异功能”的法术，这是人类的智慧，科学的结晶。

　　访：你们发明的“微电子神经肌电桥”荣获了国际发明展“特别金奖”，请简要介绍一下。

　　王：2015年4月15日至19日，第四十三届日内瓦国际发明展在日内瓦巴莱斯堡展览会议中心举行，我们东南大学射频与光电集成电路研究所和生物电子学国家重点实验室联合研究团队发明的“微电子神经肌电桥”获得此次发明展的“特别金奖”。我们的发明项目是分类到医疗器械的M组的。M组每年参展的项目数都是最多的，今年是79项。M组获特别金奖的难度很高，因为需要评审专家认可发明器械医学治疗的有效性，更为重要的是，发明人要有临床实验结果、发表论文和实验数据等支持他们的发明。没有这些数据，评审专家，特别是具有很强医学背景的专家会对发明持保留态度，就难以获得特别金奖。

　　我们的团队发明的“微电子神经肌电桥”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或脑瘫婴儿做肢体动作训练，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。做出的十多台样机已经在南京中大医院康复科、针灸科和神经内科、江苏人民医院康复科、北京博爱医院中国康复研究中心和香港查尔斯亲王医院对几十例瘫痪病人进行了临床科学实验，取得了显著的训练效果。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，得到了来自40多个国家的70多位评审专家一致推荐的“特别金奖”。

　　吕：1973年创立的“日内瓦国际发明展览会”是由瑞士联邦政府、日内瓦州政府和世界知识产权组织联合举办的世界上规模最大、历史最悠久的发明展之一。今年有来自48个国家和地区的1100余项新发明汇集这一国际发明展示盛会。获特别金奖(Gold Medal with the Congratulations of the Jury)的前提是：所有评审专家一致同意授予金奖。我们的发明创造赢得了评审专家高度认可，因而荣获“特别金奖”。

　　访：微电子神经/肌电桥的科学原理是什么?

　　王：“微电子神经桥”的科学原理是：利用一组微电极从神经束上探测到作为信号源的动作电位脉冲序列，经过微电子系统的放大和处理，形成与信号源对应的电压脉冲序列，传送到受控的肢体上，通过另一组微电极刺激体内的神经或神经肌肉接头，就控制相应的肌体产生期望的运动功能。

　　“微电子肌电桥”的科学原理与“微电子神经桥”大体相同，不同之处有两点：一是采用体表电极从皮肤上获取肌电信号，二是将与信号源对应的电位脉冲序列同样通过体表电极刺激受控肢体皮下的神经肌肉接头或直接刺激肌肉。这样，利用“微电子肌电桥”可以无创地实现肢体运动功能调控或重建。

　　吕晓迎教授：事实上，我们还可以自神经取信号去控制肌肉，构成微电子神经-肌电桥，自体表取信号去控制神经，构成微电子肌电-神经桥。四种桥接方式各有特点和特殊应用的场合。

　　目前，我们正在将微电子神经桥技术与我国传统的针灸技术结合，利用针灸的微创医术实现灵巧可靠的微电子肌电-神经桥，以便更有效地在医院针灸科或遍布城乡的诊所治疗瘫痪病人。

　　访：“微电子神经/肌电桥”可以应用在哪些领域?

　　王：“微电子神经/肌电桥”应用前景广阔。我们研发了以“微电子神经/肌电桥”为核心的肢体运动功能调控或重建的系统方案和技术，就是希望因“中风”造成的偏瘫患者、早产或难产等原因造成的脑瘫患者和因脊髓损伤造成的截瘫或全瘫患者能早日康复;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200万人，累计幸存的“中风”患者有700万人，他们存在不同程度的残疾，即偏瘫。这些数以百万、千万的瘫痪患者期盼瘫痪肢体能够得到康复治疗，这是医学领域的应用。“微电子神经/肌电桥”还可以应用于体育技能训练、手工艺技巧传教、婴幼儿动作学习等等。如弹琴，曾有媒体设想，在著名钢琴演奏家郎朗和一群琴童的双手之间连接上“无线微电子肌电桥”，孩子们就可以在郎朗的带动下弹奏出同样美妙的乐曲。

　　吕：目前，我们的研究主要是针对瘫痪者肢体运动功能的康复治疗，重点是如何用最小功率、最小的尺寸和重量的微电子装置、对肢体没有创伤或以最小的创伤和最方便与准确的电极，实现对受控瘫痪肢体最有效的运动功能控制。当然，这是要经过许多深入研究和大量的临床科学实验，以确保该技术的安全性与可靠性。

　　访：“微电子神经/肌电桥”在研究推广面临哪些问题?

　　王：目前，利用“微电子神经/肌电桥”装置实现的大部分动作还是相对简单的，即只实现了最多5个关节的曲或伸。考虑到一个瘫痪病人的上下肢上各有30多块肌肉，需要全部协调控制才有可能实现全面的运动功能重建，因此，首要任务是研究并实现功能强大、性能可靠的便携式或植入式“微电子神经/肌电桥”，为瘫痪肢体运动功能的康复训练和多自由度协调重建提供高性能的器械。

　　现在，我们要解决如下问题：一是作为神经和肌肉与微电子系统的接口，需要解决不同调控目的所需要的穿戴式电极阵列的设计与制造问题。二是在肌电信号探测方面，需要解决各种连续和谐功能性动作涉及的多通道信号的有效获取、信号分离与模式识别算法等问题。三是在通过功能电刺激实现运动功能调控方面，需要在微电子系统中引入具有伺服功能的自动反馈回路。四是需要开展对人体神经系统“自激”信号的计算、分析和识别，引入拮抗信号阻断“自激”信号，实现和谐调控，解决肢体痉挛问题。

　　访：“微电子神经/肌电桥”科研成果转化方面是如何做的?

　　吕：2012年5月，在南京市政府“321”人才计划和东南大学的支持下，我们成立了名为“南京神桥”的医疗器械创业型公司，致力于瘫痪肢体运动康复仪的研制、开发和生产。经过3年努力，我们已经完成了双通道微电子肌电桥10多台样机的制作，开始医疗器械的认证程序。我们希望尽快批量提供微电子神经/肌电桥瘫痪肢体运动康复装置，让成千上万的瘫痪病人体验我们的创新技术，为他们早日康复提供帮助。

　　王：我们与东南大学附属中大医院康复科与针灸科、南京医科大学附属第一人民医院康复研究中心建立了合作关系，已经开始进行微电子神经/肌电桥的临床实验研究;我们希望更多的有志之士一起参与，共谋发展，实现多赢。

　　访：“神经调控”在全世界已经掀起了健康产业新浪潮，中国如何在这场科学革命中抢占先机?

　　吕：现在医学的发展已经从传统的药物治疗、手术治疗模式进入了现代的“神经调控模式”。中国在“神经调控模式”研究方面有多支研究团队都做出了具有国际水平的成果。如清华大学高上凯教授团队的脑机接口，浙江大学郑筱祥教授团队的“老鼠机器人”、“猴子控制机器手”、清华大学李路明教授的深部脑刺激技术治疗巴金森氏病等等。中国在科学研究和应用方面已经迈向国际前列。我们衷心希望国家能够重视这一研究领域，设立重大科研项目，组织优势团队联合攻关，争取在这场科学革命中抢占先机，推动科学技术和人类文明发展。

　　王：高新科技的飞速发展，将深刻地改变着人们的生活，由“神经调控技术”带来的健康产业新浪潮正迅猛而来，我们希望技术的创新能帮助众多瘫痪病人早日康复，造福于全人类。

　　访：党的十八大提出了“中国梦”，二位教授对此有何感想?

　　王：党的十八大提出了“中国梦”，要凝聚中国力量，增强自信，走自己的道路。“中国梦”既是民族梦，也是复兴梦，更是每个中国人实现自身价值的梦。18年前，我们放弃德国绿卡，回国创业，目的就是实现“两个梦想”，一是在自己的专业领域培养出几百名高水平科技人才，壮大我们的科研团队，为中华民族的伟大复兴做出点滴贡献;二是以学到的知识和掌握的技能为基础，扩展研究领域，有所发明，有所创造，做不平凡的专业学问，攻克一两个科学难关。我们合作开展“微电子神经/肌电桥”研究正是在追求这一梦想。我们相信，有祖国作“靠山”，有党和政府的英明领导，我们的梦想一定能实现!

　　吕：党的十八大提出的实施“创新驱动发展”战略，这是我国持续发展、实现民族复兴中国梦的宏图伟略。我认为，“创新驱动发展”战略的实施，一是要协同创新。微电子神经/肌电桥的研究是跨越电子信息科学与工程、生物医学工程、神经科学与工程等学科的交叉研究项目，迄今为止获得的研究进展是多个学科合作研究的成果。我们就与南通大学江苏省神经再生重点实验室和信息学院、中国康复研究中心、中大医院康复科和针灸科、南京医科大学生理学系和康复医学系、香港应用科技研究院等单位合作。

　　二是要勇于实践。创新不仅要产生新的思路，更需要通过实验加以验证。我们从事电子信息的研究，原来对生物的神经系统是不熟悉的，为了将电子信息技术与生物神经相结合，需要我们学习相关学科的许多新知识，直接去接触和熟悉动物的神经系统。为了实现动物的神经桥接，我们团队的成员，特别是女同学，经历了从第一次看到蟾蜍感到害怕，到后来，她们能在蟾蜍身上熟练地做各种实验的过程。10年来，我们做了几十只大鼠和上千只蟾蜍的实验，还在我们团队成员身上做过神经和肌电信号探测与功能电刺激的多种实验。“拼搏、创新、实践”是我们团队致胜的法宝。

　　作者：蒙世叶 来源：海峡科技与产业 2015年12期