醫學工程

爲實現“強工、厚理、振文、興醫”,建設具有中國特色的世界一流綜合性大學的戰略目標,2018年4月,天津大學成立醫學部。醫學部以“醫學牽引、工程支撐、轉化創新、臨床示範”爲理念,促進我校工科、理科等傳統優勢學科與醫學學科交叉融合,帶動電子、物理、數學、計算機、信息技術等多個學科的發展,同時以醫學需求爲牽引,突破學科發展瓶頸,培育新興學科生長點,規劃良好學科生態,力爭以科技力量守護人民生命健康。

一、研究方向

天津大學醫學部依托國家重點研發計劃、863計劃、科技支撐計劃和自然科學基金等項目支持,聚焦神經傳感與成像、神經接口與反饋、神經刺激與調控、神經仿生與智能、神經再生與修複等的神經工程基礎機理與前沿技術,及其面向神經工程與組織工程、智能醫學與人機交互等重大領域的工程應用。重點發明了腦-機交互的神經信息學複合編解碼技術、肌-機交互的神經肌骨動力學複合調控技術以及體-機交互的人工神經系統視觸覺複合反饋技術。尤其在腦信號深度解碼、腦意圖精細辨識、腦-機快速通訊等方向形成了特色優勢。

天津大學醫學部自主研發的大指令集高速腦-機接口系統,通過創立超短SSVEP(200ms)和P300腦電波高效融合範式,設計時-頻-相混合編碼的視圖腦-機交互信息策略,采用先進的機器學習算法,對極微弱腦電特征進行了精細分辨與快速解碼,輸出一個指令僅用1.7s,在世界範圍內首次實現了超過一百像元靶目標的高速腦機交互系統,實現了真正意義上的全鍵盤腦控字符拼寫,也創造了目前頭皮腦電BCI在線控制最大指令集的世界紀錄。該超大指令集高速混合BCI系統大大擴展了腦控技術的應用範圍,顯著提高了視覺型腦-機系統的靈活性,具有廣闊的應用前景和優勢。

二、成果轉化

天津大学医学部在醫學工程领域的相关研究已形成包括100余项国家发明专利和国际专利在内的完整自主知识产权体系,并实现在临床康复、载人航天等领域的重大应用,达到国际领先水平。

在醫學領域,陸續設計出新型卒中人工神經康複機器人系統“神工一號”(2014年)、“神工二號”(2015年)並通過國家食品藥品監督管理局(CFDA)檢測,在多地醫院臨床測試成功,受益患者超過3000余例,被“觀察者”評爲“2014年度中國可能改變未來的十大科技成果之一”,有力推動了新興的腦-機交互技術在臨床康複工程領域的發展與應用。

在航天領域,與中國航天員中心合作,爲2016年我國“天宮二號”和“神舟十一號”載人飛行任務主持研制了空間腦-機交互技術試驗系統,國際上首次在軌進行腦-機交互技術空間適應性測試。該系統的建立和成功測試將爲未來深入開展先進交互技術在軌適應性研究和技術應用起到重要推動作用,爲我國載人航天工程的新一代醫學與人因保障系統提供了關鍵科學依據與技術支撐。

2019年5月,天津大學醫學部聯合中國電子信息産業集團,成功發布了世界首款腦機編解碼集成芯片,這款被命名爲“腦語者”的芯片擁有完全自主知識産權,適用範圍覆蓋了特種醫學、康複醫學、腦認知、神經反饋、信號處理等腦-機混合智能的重點應用領域。該芯片有望爲實現我國腦-機接口關鍵技術自主可控,促進腦-機交互技術可持續發展提供重要支撐。

相關研究成果還推廣到智能家居等相關領域,成功研制出國內首款人感仿生神經系統模塊並應用于海爾SmartFlow中央空調等系列産品。

三、科研合作

为充分把握资源优势和发展方向,积极推进新兴医学与工程学科的交叉,天津大学医学部聚焦“中国脑计划”等重大科技专项,建有“智能醫學工程”教育部工程研究中心,天津脑科学与类脑研究中心、天津市脑科学与神经工程重點實驗室、天津神经工程國際聯合研究中心、天津市智能人机交互康复工程技术中心等多个研究平台。团队与荷兰格罗宁根大学共建中荷老龄健康科技发展基地,推进人工智能、大数据等高端智能技术与医学深度融合;与中国电子信息产业集团等合作,在天津市共建“健康医疗大数据国家研究院”,以及“国家健康医疗大数据(试点工程)云脑中心”,推动海量健康医疗数据融合、共享和产业孵化。此外,天津大学医学部与包括军事科学院、中国医学科学院、中国残疾人联合会、中国航天员中心、中国航天科技集团公司第一研究院、第五研究院、中国航天科工集团第二研究院、第三研究院、中国电子信息产业集团、中国电子科技集团等近30所企事业单位展开深入协作共建,在天津、合肥等地布局了产学研转化基地,丰富实践就业通道。医学部还密切与天津大学天津医院、天津大学海河医院、天津大学儿童医院、天津大学环湖医院、天津大学中西医结合医院、天津大学胸科医院建立双向联动协作机制,在医工结合领域展开全方位的务实合作。