您正在使用IE低版浏览器,为了您的雷峰网账号安全和更好的产品体验,强烈建议使用更快更安全的浏览器
此为临时链接,仅用于文章预览,将在时失效
医疗科技 正文
发私信给乔燕薇
发送

0

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

本文作者:乔燕薇 编辑:吴彤 2023-04-28 16:13
导语:黄家驷、蒋大宗、杨国忠、王明时、吕维雪......一代人的创业维艰,只为奏响一曲属于生医工学科的凯歌。

1978年5月,王明时站在天津医学院(天津医科大学前身)总医院的一间高干病房前,走廊人来人往,病人、护士不断从他身后经过,他的全部精力却只放在眼前的房门上。

这扇房门就像盲盒的盖子,里面放着王明时未来的命运转折,而他却无从得知。

王明时推开房门,病房中坐着两位穿病号服的白发老人,天津大学校长李曙森与天津医学院院长朱宪彝,也是将要决定他未来四十年职业方向的人。李曙森开门见山,请王明时向二人介绍他撰写的一份报告。

一个月前,在天津大学精密仪器系任教的王明时撰写了一份《建议在天津大学筹办生物医学工程专业》的报告。

为了确保这份报告不被当时的官僚体制淹没,在那个动乱刚刚结束、还无比强调组织纪律的年代,他冒天下之大不韪,越过教研室、精仪系、校长办公室等重重领导,直接将报告交给了校长李曙森。

这是一场不顾后果的豪赌。这时的王明时已经四十三岁,近二十年的职业生涯都在天津大学度过。赢了,就能得到李曙森的支持,在天津大学率先建立起全国最早一批生物医学工程专业,为他的科研和教育事业开辟出一条新的道路。

一个月里反复焦灼,王明时突然接到系里的通知——立刻去总医院面见李曙森。

这场会面让王明时的人生拐进了另一个岔路口,自这一天起,他的命运便与医学工程学科紧紧绑到一起,为学科的建设与发展奔波近四十年。

作为天津大学的代表,王明时与我国初代生物医学工程学家们携手掀开了属于生医工人的篇章。

弃医从工,投身航天事业

王明时早年的理想是成为一名医生。

报考大学之前,王明时在母校天津二中的组织下到天津医学院解剖室参观,负责讲解的医生掀开一口红色的盖子,向他们展示泡在福尔马林溶液中的人体脏器;转身又打开另一个柜子,露出里面的婴儿标本。

直到参观结束,王明时仍旧惊魂未定,对医学的热情也被浇灭在解剖室里。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

那时的中学生升学都由组织推荐,学校为王明时提供了两个选择,一是北京大学的外语系,二是北京航空航天大学的前身,刚刚成立三年的北京航空学院。王明时选择了更感兴趣的航天。

1955年,王明时被保送至北京航空学院自动控制系传感器专业。

进入大学的王明时成绩十分出色,还因此被选为班级总干事,相当于如今大学中的班长职务。1958年2月,周恩来总理亲自批准试制的轻型客机“北京一号”交由北航负责,成绩优异的王明时被选入设计组,参与了“北京一号”中央速度传感器的研发工作。

同年9月,“北京一号”在首都国际机场试飞成功,成为国内由高校研制成功的第一架飞机。如今,这架飞机仍停放在北航的航空航天博物馆内。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

“北京一号”飞机

年轻的王明时多才多艺,在社团活动中也叫得上名号,合唱、话剧、篮球、田径等等各类活动中都有他的身影。

他带领话剧社团成员自导、自演的抗战时期经典话剧《同志,你走错了路》,还曾在五道口的剧院里对外售票演出。

作为校篮球队的队长,王明时带领队伍获得过北京市“三好杯”篮球比赛的亚军,一众篮球队员们成为了学校里的风云人物,他言道,“就连食堂的大师傅都成了我们的球迷,打饭的时候特别照顾。”

在那个粮食按人头分配的年代,北航专门为篮球队开了小灶,每人每月供给六十斤粮食,即便是身材高大、时常运动的王明时,也从没饿过肚子。

那时的他万万不会想到,工作后面临的第一个的困难,竟然是饥饿。

1960年前后,天津大学开始启动对航空仪表专业的建设,由于缺乏师资力量,天大向北航要了五个毕业生,王明时就是其中之一。

国家三年困难时期,没有了上学时篮球队员的身份加成,他的粮食配额被减到每月三十斤。王明时说起那时的艰难,“差点儿把我饿死。”

王明时被分配到精密仪器工程系,从属于初建的航空仪表教研室,教师队伍中,除北航毕业的王明时外,几乎都是门外汉。

为培训新教师,系里委任王明时为同事讲课。“我只能赶鸭子上架,把我在北航学的课程讲给他们听。”王明时回忆,这是他工作后过得最艰难的一段日子,不仅每天饿得头昏脑胀,还要晚上备课到凌晨两点,第二天上午连轴讲上仨小时的课。

1964年,航空仪表专业因教育部调整被停办,王明时又被分配到精仪系计时仪器教研室,教授“钟表测量仪器”课程。

可惜这项工作也没能持续太久,自1966年开始,国内高校纷纷停课,正带着学生在上海实习的王明时也被召回学校。

自此,国内的科学工作陷入长达十年的停滞期,研究机构被肢解,教学工作被中止,科研工作者被下放到农村或厂矿劳动。

王明时还算幸运,一直留在天大工作,只是不再进行科研和教学工作,从31岁到39岁,他青年时期最精力充沛的八年岁月,却窝在学校里从早到晚写大字报。蹉跎数年,王明时再也坐不住了。

1974年,他邀请天津大学的几位教师一起进行“激光摆轮平衡机”的研究。

在航天与军工领域,有一个关键的建立空间xyz坐标的元件——陀螺转子,这种小惯量的高速旋转体的重心质量中心如果偏离了旋转轴线,将产生振动,严重影响定位精度和仪器或钟表的寿命。

那一时期,军工领域顶尖的研究机构几乎全都分布在北京,在充足的经费与资源支持下,研究了许多年仍旧没能攻克这一难题。

出身航天领域的王明时深知这项研究的重要性,他拉上同在计时仪器教研室任职的同事戴品忠等人,尝试从钟表摆轮研究入手,探索用当时先进的激光技术平衡转子的新方法。

王明时将激光高温消融技术应用到陀螺转子的动平衡问题上,在轮摆转动过程中用激光去除其多余偏重,使陀螺转子的质量中心与旋转中心重合,以期解决动平衡问题。

经过两年多的研究,激光摆轮平衡机于1976年终于研制成功,采用“伺服瞄准”替代国内外普遍应用的“光电基准相位通道”来处理讯号,在提高平衡精度的基础上,使工效提高了两倍。

更让王明时惊喜的是,他发现“伺服瞄准”技术还可以应用于航天、导弹、鱼雷中的陀螺转子平衡以及大型发动机转子等的平衡,使激光摆轮平衡机的研究得以从钟表领域移植到航天、军工领域,也意味着他这两年多的辛苦研究没有白费。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

在王明时之前,激光技术与陀螺转子的结合这一思路还没有人尝试过,这项研究成果就像是滴进油锅里的一滴水,在军工领域炸开了锅。

掌握着尖端科研资源的军工专家们对他的成果并不信服,加之当时还没有标准的科研成果鉴定程式,在科研鉴定会上,王明时被要求从头演示所有的研究思路和细节,鉴定过程足足持续了五天。

时隔四十余年,王明时还清晰地记得这场堪称严酷的鉴定会。好在最终顺利通过审核,激光摆轮平衡机的价值被业内承认,这项研究成果也入选了第一届全国科学大会。

1982年,国家的各项体制逐渐恢复后,这项技术又被授予了国家发明奖,并作为重大科研成果上报中共中央、国务院、全国人大、中央军委等相关单位。

与王明时共同研发激光摆轮平衡机的同事,后来也成为了和他一起建设生物医学工程专业的战友。

破釜沉舟,一个人拉起一支队伍

1961年,美国启动了万众瞩目的阿波罗登月计划,同样身处航空航天领域的王明时一直密切关注着这一计划的进展。登月过程中,地面站必须及时遥测航天员的各项生命参数,他所擅长的传感器技术在其中起着重要的作用。

阿波罗计划结束后,军用的传感器遥测技术开始转向民用。

二十世纪七十年代初期,Spacelabs Healthcare开发了用于危重病人监护的心脏护理监测系统,监测病人的心电、心率、血压、呼吸和体温等生命参数。

远在中国的王明时看到消息后,意识到这项新兴产业的巨大潜力,如果能够将测量、激光、计算机等技术应用在医学仪器的生产上,将会改变当时医学界仍主要依靠经验诊断和治疗的落后状态。

在同一时期的中国,多年动乱已经进入尾声,科研工作者们陆续回到工作岗位,也为科学界带来新的希望。其中让王明时最为关注的,就是生物医学工程这一学科在中国的萌发。

生物医学工程学科在中国扎根发芽的过程中,有一位科研工作者完成了其中不可或缺的一环——1972年,中国医学科学院情报所工作的杨国忠,在德文期刊中发现了“生物医学工程”这一名词,将这一学科引入国内。

此后数年间,在时任中国医学科学院院长黄家驷院士的支持下,杨国忠、中华医学会副会长胡传揆、西安交通大学生物医学工程专业创始人蒋大宗、浙江大学生物医学工程专业创始人吕维雪等一批学者多年奔走,终于在1978年的“全国科学大会”上,将生物医学工程学确立为一门独立的新学科。

此前一年,吕维雪在浙江大学建立生物医学工程与仪器专业,成为国内首个开办生医工专业的高校。

1978年7月,全国生物医学工程学科规划会在天津市蓟县召开,王明时与黄家驷、杨国忠、顾方舟、巴德年等人共同参加了此次会议,制定出我国第一部生物医学工程发展规划,《1978—1985年生物医学工程学科发展规划(草案)》。

多年后,蓟县会议的组织者之一杨国忠在回忆录中写道,这次会议是我国堪称第一代的生物医学工程专家们,从此携手进入生物医学工程学科建设新征程的起点。(雷峰网(公众号:雷峰网)后续将推出庄天戈、郑筱祥、陈思平、万遂人等生物医学工程学者的故事,欢迎添加作者微信抢鲜交流,微信号:qiaoyw186)

中国生物医学工程学会也即将于1980年成立。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

1980年11月 中国生物医学工程学会成立大会暨学术交流会合照

王明时的《建议在天津大学筹办生物医学工程专业》报告,就是在这一背景下撰写而成。

特殊年代,高校内部的学科建设等工作尚未恢复正常运行。按照组织纪律,王明时的这份报告要依次递交给他所在的教研室主任、精密仪器系党政联席会,全部通过后再转交至校长办公室。

“校长办公室主任会不会把报告呈报给校长,那就天知道了。很多好的想法就是这样被官僚体制淹没的。”王明时越过重重领导,直接将报告交到李曙森手中。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

李曙森

一个月后,在天津医学院总医院的高干病房里,王明时向李曙森与天津医学院院长朱宪彝汇报过自己的学科建设思路后,李曙森当即拍板:“王明时,你明天就从精仪系抽调出来,专门筹办生物医学工程这一专业,需要哪些教师、物资和办公室,直接向我打报告。”

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

朱宪彝

七十年代,大夫们最得力的工具还是挂在脖子上的听诊器,心电图、B超等电子设备都还不算普及,王明时口中的“先进医学仪器”,更是没影的事儿。

“在当时的情况下,即便有人提出先进的构思,但最终能否推动并成功建立一个学科,还要看领导的态度。”王明时感慨,至今想起李曙森校长、朱宪彝院长两位前辈,仍旧敬佩他们眼光之长远,决策之果断。

在李曙森的支持下,王明时开始组建生物医学工程专业的教师队伍,然而过程却并不算顺利。

据王明时回忆,除了此前研制激光摆轮平衡机时的好搭档戴品忠,自告奋勇和他一起离开精仪系,就仅有一位实验员能来帮衬。

精仪系能够提供的支持有限,身边又无人可用,王明时只好将目光放到几个兄弟院系,挨个上门求助。

他最先找到电子系的领导,提出希望抽调几位教学水平高、有兴趣创办新专业的教师到生医工专业。对方答应得很爽快,立刻为王明时送去了五个人。

王明时起先很高兴,没想到这么容易就把人要来了,十分感激电子系的“雪中送炭”,可过了一阵子却发现不对劲,这几个教师“业务能力不强,但事儿特别多”,有人半夜十二点到王明时家敲门,只为问他要一张办公桌。

王明时又看上电子系另一位优秀教师武金鉴,系领导却不愿意放人,他三次上门要人都被拒绝。

王明时意识到这样漫无目的地四处拉人行不通,转而开始私下了解天大哪位老师的学问高、讲课好,拉好名单直接去找李曙森要批条,再带着校长批条到各个系里要人,终于把武金鉴要了出来。

“后来证明武老师无论在人品,还是学问和动手能力上都是模范。”

自动化系的领导又向王明时推荐了两位教学骨干,邵富春和邓景华;精仪系在国外访问的吕扬生、赵学刚二人听闻消息,主动提出要加入新专业的筹备工作;虞启链、 秦光侠等人也陆续加入,很快组成了生医工专业最初的骨干教师队伍。

天大的生医工专业最初命名为“医学仪器专业”,归属精仪学院管理,起先只分到一间狭小的办公室,老师们开会时拥挤不堪,挤在仅有的几张办公桌旁。

王明时只好找到李曙森要批条,向热工教研室借了一间地下室,分给其中几位老师进行科研工作,后来又从物理系借到了三间办公室,医学仪器专业教研组才勉强有了活动的空间。

艰苦的条件没有影响教研组成员们的工作进度,这是他们第一次主动选择了自己喜欢的工作,是历经文革十年的压抑后猛然迸发出的工作热情。

1980年,筹备工作基本完毕,天津大学生物医学工程专业即将迎来第一届新生。

筚路褴褛,幸得医学界相助

新生即将入学,王明时开始为课程设置困扰:对生物医学工程这样的交叉学科来说,医工融合是最大的难点。在有限的学时数内,如何合理安排工程和医学两大类课程,才能使学生既掌握了工科中的光、机、电的理论基础,又具备医学生理、解剖、生化及临床知识?

与早期创办生医工专业的另几所学校相比,天大有一份得天独厚的优势:天津医学院和知名医学专家的支持。

王明时指出,“生物医学工程学科的发展,离不开医学界的远见卓识。”大夫们在医疗工作中的实际需求,是推动他创办生物医学工程学科的重要因素。

当年放弃医学理想的王明时,兜兜转转二十余年后,还是一脚踏进这个行业。

1976年,天津总医院心脏内科主任石毓澍找到王明时,请他利用传感器技术研发一个测量病人心动过速的仪器,用于诊断迷走神经短路部位,通过激光消融法分离短路部分,达到治愈目的。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

石毓澍

石毓澍是我国人工心脏起搏器事业的开拓者之一,曾担任中华医学会副会长、中华医学会天津分会会长,在天津市医疗行业中有很大的影响力。这台仪器研发完成后,不仅帮助石毓澍提高了诊断的准确率,也让王明时在天津市的各大医院打响了名声。

王明时说起那时与医生们的来往,“医生们知道天大有一位工程出身的教师能研发医学仪器,都找过来合作。”

1978年,中国泌尿外科奠基人之一,天津医学院教授虞颂庭也找上王明时,请他帮忙研发一个测量男性排尿速度和流量的仪器。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

虞颂庭

王明时介绍,“对工程人员来说,这些研究轻而易举,却大大提高了医生的诊断水平,同时也让彼此间的合作更加密切。”

此后不久,经由虞颂庭搭线,王明时又结识了天津医学院创始人,院长朱宪彝。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

朱宪彝

朱宪彝住在成都道100号,距离天津大学只有两三公里远。二人相识后,王明时经常上门拜访,“朱宪彝院长长得比较瘦小,我每次去他家,都看见他‘团’在一把很大的藤椅里面,仰面朝上看一本外文杂志。”

朱宪彝年轻时曾就读于北京协和医院,在二十世纪二十年代亲历了协和的飞速发展,大批中外专家学者在那一时期将世界最先进的诊疗技术与研究方法传入中国,也培养了朱宪彝面对科学界新兴事物时的敏锐嗅觉。

得知王明时这位忘年交要创办生物医学工程专业后,他立刻察觉到这门学科将对医学领域产生的深远影响,决定全力支持王明时进行专业建设。

朱宪彝做的第一件事,就是帮助王明时解决医学课程设置的难题。

朱宪彝请来心内科专家石毓澍、内科专家甘又强、外科专家李庆瑞、放射专家吴恩惠和杨天恩等十几位资深医生,连续召开三次天津医学院的校务会,帮助天大医学仪器专业制定出医学课程的教学大纲与详细的授课方案,并安排天津医学院的教师到天大为新生教授医学课程。

新生们也对经验丰富的医学院教师十分欢迎,学习热情高涨,一下课就围住老师问问题。天津医学院的教务主任告诉王明时,他们的老师在医学院讲课时,课间还能休息一会儿,在天大反而一刻不得闲。

王明时的学生,天津大学医学科学与工程学院院长何峰,作为这一办学模式的受益者,对此深有体会:“医生和工程师的合作再亲密无间,也不如一个人兼顾两种本领,事半功倍,就像《射雕英雄传》里的周伯通左右互搏。”

学生时期积累的扎实功底,让何峰得以在后来的研究工作中与医生们能够毫无障碍地交流专业话题。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

1985年7月,首届生物医学工程毕业生的合影(前排:左八李曙森;左七吴咸中;右二王明时)

天津大学的生物医学仪器专业建立后,王明时与天津医学界的合作更加密切。

1983年,后来的中国工程院院士吴咸中接替朱宪彝,出任天津医学院院长。吴咸中是我国中西医结合专家,凭借对外科学基础和对中医理论体系的了解,在中西医结合治疗急腹症领域进行了深入探索,曾在国内首批开展了腹腔镜胆囊切除术。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

吴咸中

吴咸中担任天津医学院院长期间,了解到医学仪器对临床工作的巨大帮助,也找到王明时希望合作研究一种能够快速判断急腹症的仪器。

急腹症是以急性腹痛为临床表现的腹部疾病的总称,一般由腹腔脏器和血管的病变导致,急性阑尾炎、急性肠梗阻、急性胰腺炎等急腹症,都可能是导致急性腹痛的病因。

吴咸中向王明时介绍,急腹症患者的特点在一个“急”字上,对医生而言,在短时间内判断的腹疼原因非常重要,有的患者就急需立即外科手术治疗,有的则应该用中西医结合的办法对症下药。

王明时听完后接下了这项合作,决心要研发出一款能够帮助医生快速诊断病因的仪器。他决定从肠鸣音的拾取与分析入手,对急腹症的病因进行判断。

肠鸣音是急腹症的重要判断依据之一,反映了人体肠道的运动情况,能够帮助医生判断肠道状态,做出诊断。

过去依靠人耳与听诊器的检查方式,往往会遗漏大量有用信息,且缺乏准确的客观定量分析指标。因此,肠鸣音一直难以在临床上充分发挥作用。

为了更好地利用肠鸣音进行临床诊断,王明时利用传感器拾取肠鸣音信号,预处理后输入计算机专用分析软件,选取频度、每次音持续时间以及三分钟内有音时间等特征量进行分析,总结出气过水声、高调音和金属音三种异常肠鸣音的特征, 帮助医生完成急腹症的诊断工作。

这款肠鸣音分析仪完成后,使急腹症的诊断工作更加准确、高效。如今,肠鸣音分析仪等类似设备仍是急腹症临床诊断中的重要仪器。

在传感器的基础上,王明时与医学界开展了诸多研发医学仪器的合作,先后完成了“多功能手术监护仪”、“心电、呼吸、血压组合传感器”、“快速血液粘度测定仪”等多项研究,这些医学仪器为临床工作提供了极大的便利。

本着“不是国际先进的课题不搞”的原则,王明时的目光逐渐从国内转移到国际前沿。

解锁人类大脑的秘密

虽然在医工结合上顺风顺水,但作为刚刚成立不久的一级学科,天大生物医学工程的发展仍面临不少的难题。

当时开办生物医学工程专业的重点高校,无一不是由资历深厚的老教授牵头,如,浙江大学吕维雪、西安交通大学蒋大宗、东南大学韦钰、协和医科大学顾方舟等等,都是在学术界有了一定积累的学科带头人。

(雷峰网即将推出生物医学工程系列多位学者的专访,回顾浙江大学、东南大学、上海交通大学等高校建设生医工学科的艰辛与激情岁月,欢迎添加作者微信qiaoyw186提前交流)

反观天津大学,王明时等骨干教师当时还是讲师头衔,与兄弟院校相比并无优势。

为提高教师水平与学校影响力,八十年代起,学校派王明时等人先后出国访问学习。1985-1986年间,王明时赴日本访问,在东京大学教授斋藤正男的实验室工作。

访问期间,王明时参与了斋藤正男的电磁温热疗法治疗癌症、血氧饱和度测试等许多研究,两人也成为了好友。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

王明时、吕维雪、斋藤正男三人于东京大学合照

斋藤正男是国际生物医学工程学会创始人之一,曾担任国际生物医学工程学会主席、日本生物医学工程协会主席,在中国加入国际生物医学工程学会的过程中发挥了重要作用。

1979年,斋藤正男主动与我国有关部门联系,邀请我国加入国际生物医学工程学会。1983年,斋藤正男来华参加学术会议时再次表态,并与时任中国生物医学工程学会副理事长秦诒纯进行商谈。

直到1986年,在中国生物医学工程学会与斋藤正男的推动下,我国正式成为国际生物医学工程学会的国家会员。

斋藤正男还为中国高校的学科建设提供了许多帮助,清华大学、同济大学、复旦大学等高校都曾邀请他参与专业建设工作。

在王明时的推动下,斋藤正男受邀出任了天津大学名誉教授,四次前往天津大学讲学。他将许多国际上的前沿研究带来中国,分享给学科初建、经验尚不丰富的中国教师们。对待出国前往日本交流的中国教师们,斋藤正男更是倾囊相授。

在日本访问期间,王明时更深入地接触到国际生物医学工程学科的研究前沿。

他发现,人体各个器官的生理、病理和治疗已经具备了一定的基础,唯独对大脑的研究相当浅显,而人脑又难以像其它器官那样可以做离体研究,只能通过脑电脑磁和核磁等神经影像来探索脑的生理功能。

1989年,美国总统老布什提出“脑的十年”计划,将1990-2000年命名为“脑的十年”,并制定了以开发右脑为目的的“零点工程”。此后,欧洲、日本纷纷响应,使“脑的十年”计划成为世界性的行动。

斋藤正男的实验室中,配备了核磁、脑磁、脑电等科研设施。经过一年多的研究,王明时对脑科学产生了浓厚兴趣。1986年回国后,王明时开始在天津大学逐步开展脑科学相关课题。

2000年,全球从事生物医学工程的华裔科学家学术会议在中国台北召开,由美国生物医学工程学家冯元桢教授担任大会主席,王明时被邀请参会。

冯元桢是生物力学的开创者与奠基人,被誉为世界“生物力学之父”,参与创办了美国圣迭戈加州大学的生物工程学系。

早在1979年,国内生物医学工程学科仍处于起步阶段时,冯元桢就曾与助手颜荣在武汉华中工学院和重庆大学两地举办了生物力学讲习班,培养了中国第一代生物力学研究队伍的骨干。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

王明时与冯元桢(左)合影

在这次的华裔科学家学术会议上,王明时结识了冯元桢与明尼苏达大学教授刘海婴,邀请二人到天津大学讲学,并聘请为天大客座教授。

刘海婴是脑科学领域知名学者,曾入选国内“长江学者奖励计划”,在脑认知功能、功能核磁共振等领域有多年积累。他的到来,为天津大学的脑科学研究解决了一个最棘手的问题:数据。

王明时的学生——UCLA 和Cedars Sinai Medical Center终身教授高伟,1999年考入天津大学生物医学仪器专业,研究生阶段进入王明时门下,跟随他进行脑科学研究。

据高伟介绍,天大当时还没有采购磁共振设备,难以采集脑科学领域研究所需的数据,而一台磁共振设备要上千万,2010年之前,国内的高校几乎都没有这个预算购买科研专用的磁共振。天大请来了长江学者刘海婴授课,也只是拨给他两百万的经费做研究,没能配备一台磁共振设备。

利用刘海婴从美国带回的几张光盘里的磁共振扩散张量成像数据,王明时带领高伟等学生一起开始了对脑白质内神经纤维重建的研究。

在当时的技术条件下,想要在活体上重建脑白质内神经纤维只有一个办法,就是通过磁共振扩散张量成像获取扩散的方向性信息,再利用这些信息对脑白质内的神经纤维进行三维重建。

然而,受当时磁共振成像设备与成像技术的限制,纤维重建的过程中存在着许多困难,如,磁共振扩散张量成像的数据是单元化和单一方向的,单元内纤维交叉就成了一个难题。

“那时候天大没有相关的研究团队和经验,磁共振看到的只是一堆数据,怎样从数据中提取白质纤维的走向?大脑各功能区怎么连接?都要从零开始,从文献中学。”

高伟形容那时的研究都是“摸着石头过河”,花费了两年时间,终于将大量的磁共振数据转化为可视的脑白质神经纤维。

基于这两年的研究,王明时团队提出了一种新的重建算法,相关向量加权跟踪(CVWT)法:利用纤维跟踪过程中待定方向点周围相关体元的主向量与分量各向异性(FA)值,计算纤维跟踪线的前进方向,从而更好地反映脑白质纤维的分布情况。

凭借这些研究成果,研究生毕业后,高伟顺利申请到美国北卡罗来纳大学教堂山分校的博士名额。后来的十余年中,始终专注于脑科学领域的研究。

国内「脑机接口」先驱王明时:从探索太空到解密人体,初代生医工人的「拓荒半生」

王明时与高伟于北卡罗来纳大学教堂山分校合影

王明时不仅仅培养出了许多如高伟一般的优秀青年学者,也为天大培育出了供脑科学飞速发展的土壤。

除脑白质纤维重建的研究外,王明时还先后进行了磁刺激对人睡眠的影响、视觉脉冲抑制的诱发电位特性研究、单个汉字认知过程中事件相关脑电特征表现等多项脑科学研究课题,并于2002年完成了基于脑机接口的智能康复系统的设计。

2005年,王明时从天津大学退休。他最初所栽下的那棵“脑机接口研究”的幼苗,在众多弟子的不断传承接力之下逐渐壮大。

近十年以来,我国脑科学研究进入快速发展阶段。2014年的香山科学会议上,各领域科学家提出“中国脑计划”一体两翼布局;2016年,“中国脑计划”——“脑科学与类脑研究”就作为重大科技项目被列入国家“十三五”规划;2021年,“脑科学与类脑研究”再次被列入“十四五”规划。

复旦大学、浙江大学(雷峰网即将推出《浙江大学郑筱祥篇》,欢迎添加作者微信qiaoyw186提前交流)、北京大学、清华大学等众多高校也相继建立起脑科学研究中心。

2014年,天津大学神经工程团队推出了全球首款适用于全肢体中风康复的“纯意念控制”人工神经康复机器人系统——“神工一号”,实现了大脑皮层与肌肉活动的同步耦合,有助于加快中风患者的康复进程。这项研究使脑机接口技术从纯理论研究走向了临床实际应用。

2016年,基于“神工一号”所研发的“在轨脑机交互及神经功效测试系统”随“天宫二号”升入太空,由中国航天员景海鹏与陈冬完成了人类历史上首次太空脑机交互实验。

2021年,该团队又与中国电子合作,发布了拥有完全自主知识产权的全球首款脑机接口编解码专用芯片“脑语者”,作为解决卡脖子问题的关键技术,入选了国家“十三五”科技创新成就展。

在科研上取得一定成绩后,天津大学开始尝试进军医科。2017年,天津大学医学工程与转化医学研究院成立。

耄耋之年的王明时看着为创办新医科而忙碌的学生们,仿佛看到了四十年前为创办生医工专业四处奔走的自己。虽然已经退休多年,他还是决定再为学生们出一份力。

他找到曾合作研发肠鸣音分析仪的老朋友,曾任天津医学院院长的国医大师吴咸中院士,两人为天津大学和更名后的天津医科大学牵线搭桥,推动两校于2018年联合创办了全国首个“智能医学工程”专业。

在天津大学的影响下,如今国内开办智能医学工程专业的高校已多达六十余所。

得益于王明时早年间打下的坚实基础,天津大学不仅在国内脑科学研究浪潮的兴起与发展之中占据了一席之地,更走出了一条独具特色的医工融合发展道路。

将火把交给下一代

今年是王明时退休的第18年。虽然早已离开教学科研一线,王明时却始终关注着生物医学工程及其相关领域的发展。

在他看来,近年来对生物医学工程领域促进最为显著的当属人工智能技术。王明时认为,人工智能技术的发展应该是人脑研究的扩展和进步,“人工智能要么解密大脑帮助我们扩展视野,要么讨好、甚至欺骗大脑。”

从研究临床工作中应用广泛的医学监测仪器,到探究人体最复杂的器官大脑,王明时的生物医学工程研究经历,也显示出这门学科的发展与更迭——从医学与工程学的简单结合,演变为借助各领域的新技术,探索人体更深层次的奥秘。

正如王明时所言,“技术的交替创新是人类发展的必经之路”,在初代生物医学工程学家们搭建起的医工融合的桥梁之上,一代又一代的接棒人为学科建设前赴后继。

作者注:

在1978年3月的全国科学大会上,“生物医学工程”被确立为一门全新的学科。

一批出身于工科的学者们毅然投身其中,在工程学与医学之间搭建起桥梁,成为我国第一代生物医学工程专家。此后四十余年,无数承继者不断加入,为学科发展带来了更多新的可能。

雷峰网启动《生物医学工程拓荒者们的峥嵘岁月》专题,将陆续推出王明时、庄天戈、郑筱祥、陈思平等学者的故事,重现生医工人的创业维艰与激情岁月。

关注更多生物医学工程领域故事,欢迎与本文作者乔燕薇交流,微信号:qiaoyw186。

雷峰网原创文章,未经授权禁止转载。详情见转载须知

分享:
相关文章

主笔

关注医疗科技领域。微信号:qiaoyw186
当月热门文章
最新文章
请填写申请人资料
姓名
电话
邮箱
微信号
作品链接
个人简介
为了您的账户安全,请验证邮箱
您的邮箱还未验证,完成可获20积分哟!
请验证您的邮箱
立即验证
完善账号信息
您的账号已经绑定,现在您可以设置密码以方便用邮箱登录
立即设置 以后再说