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專家信息 科學研究 發明專利 論文專著 榮譽獎勵 媒體報道

專家信息:


楊明,男,中國共產黨員,博士。現任上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器科學與工程系教授、博士生導師。

先后在IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, Applied physics letters, Ultrasonics, Sensors and actuators A: Physical等國內、外學術刊物及會議發表論文,獲‘超聲電機研究’ 2003年度國防科學技術一等獎等獎勵2項,主持國家自然科學基金面上項目及儀器科學基礎專項重點項目、863項目、上海市浦江人才計劃、工業合作開發等項目, 參加英國國家心臟基金研究。

教育及工作經歷:

1985年東北重型機械學院(燕山大學)自動檢測技術與儀器專業,獲學士學位。

1990年西安交通大學電磁測量與儀表專業,獲碩士學位。

1996年天津大學精密機械及儀器專業,獲博士學位。

1996年至1998年在南京航空航天大學超聲電機研究中心做博士后研究,作為Research Fellow。

2002年至2005年在英國利茲大學從事應用于人工心臟肌肉超聲器件研究。

2005年上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器系工作。

主要學術兼職:

1、《電子測量與儀器學報》編委,

2、《振動、測試與診斷》雜志常務編委。

3、中國儀器儀表學會電磁測量信息處理儀器分會理事。  

4、International Journal of Instrumentation Technology 編委。

教學情況:

主講研究生課程:

1、“微弱信號檢測”。

培養研究生情況:

指導博生生已畢業8人、指導碩士生已畢業21人

 

科學研究:


研究方向:

1、精密心臟儀器:針對心力衰竭治療中人工心臟血泵不能在可植入、搏動式血流、血液破壞小和長壽命等方面統一的問題,長期探索超聲電機驅動人工心臟輔助技術研究。具體的研究包括超聲致動血泵與心血管系統的耦合研究、人工心臟血液破壞研究、人工心臟無線能量傳輸研究等。應用領域包括心血管系統機理研究的調控工具、精密微泵、心臟康復裝置、人工心臟等。

2、超聲電子方向:針對功率超聲應用的發熱和頻率漂移問題,研究開發功率超聲器件,如超聲電機等的散熱技術和頻率跟蹤問題。主要目的是保持功率超聲器件的長期穩定工作。具體的研究包括:高性能長壽命連續運轉超聲電機基礎研究,已在實驗室實現超聲電機一天24小時連續運轉一周。已研制出20kHz和40kHz,輸出功率從幾十瓦到2千瓦的高性能超聲信號發生器。可在50mm的時間內完成頻率自動跟蹤,利用互聯網技術具有遠程監控功能,可滿足大批量和高精度超聲加工工程的需要。應用領域包括超聲切割、超聲焊接、超聲清洗和精密驅動等。

3、檢測技術方面,研究興趣包括引力波檢測、無損檢測、量子傳感、無線傳感網等,主要是將檢測技術與人工智能自主學習算法等數據處理算法相結合,自動尋找數據中的規律;將傳感器與互聯網技術相結合,實現智能家居、工業設備等的遠程監控;將傳感、動作技術與機器人技術相結合,開展機器人檢測技術,如機器人視覺、聽覺等的研究。應用領域包括智慧城市、智能家居、工業生產線、機器人等。

承擔科研項目情況:

主持國家自然科學基金面上項目及儀器科學基礎專項重點項目、863項目、上海市浦江人才計劃、工業合作開發等項目,參加英國國家心臟基金研究。

1. 國家自然基金科學儀器基礎研究專款項目“可植入搏動式超聲致動血泵關鍵技術基礎研究”,2011-2013。

2. 國家自然基金面上項目“人工心臟輔助超聲致動血泵數學建模與溫升控制”。

3. 20kHz2kW超聲波信號發生器的研制,2015-2016。

科研成果:

1. 超聲電機研究,2003年獲國防科學技術一等獎。

發明專利:


授權的發明專利:

1. 楊明, 歐文初, 孟凡, 李奇磊, 許自豪. 一種超聲電機液冷散熱結構,中國發明專利,專利號:ZL201410445285.X,授權公告日:2017年1月25日。

2. 楊明, 安大偉, 徐郎特, 吳昊宇. 一種單振子激勵的雙行波旋轉超聲電機,中國發明專利,申請號:201710017874.1,申請日:2017年1月11日。

3. 楊明, 徐亮, 許自豪, 孟凡, 鄔順捷, 鹿存躍, 李世陽. 可植入渦旋式搏動型心室輔助血泵,中國發明專利,專利號:ZL2013100227792,授權公告日:2015年4月15日。

4. 楊明, 廖火根, 鄔順捷, 鹿存躍. 容積可調式直接心室輔助裝置,中國發明專利,專利號:ZL201210106498.0,授權公告日:2014年11月12日。

5. 楊明, 徐亮, 鹿存躍, 李世陽. 可植入式仿生柔性搏動血泵,中國發明專利,專利號:ZL201210106696.7,授權公告日:2014年11月12日。

6. 楊明, 徐亮, 莊曉奇, 葉林. 類齒輪傳動行波超聲電機及其控制方法,中國發明專利,專利號:ZL201210103261.7,授權公告日:2014年11月12日。

7. 楊明, 郭超, 徐亮. 一種超聲電機熱電散熱裝置,中國發明專利,專利號:ZL201210122519.8,授權公告日:2014年4月16日。

8. 楊明, 鄔順捷, 李晶晶. 可植入搏動式心室輔助血泵 ,中國發明專利,專利號:ZL201110204892.3,授權公告日:2013年12月25日。

9. 楊明, 呂雪烽. 超聲直線電機驅動的搏動式血泵,中國發明專利,專利號:ZL200910055968.3,授權公告日:2012年7月18日。

10. 楊明, 李晶晶, 鹿存躍, 李世陽. 超聲電機驅動隔膜式搏動血泵,中國發明專利,專利號:ZL201010247653.1,授權公告日:2012年2月01日。

11. 楊明, 劉一, 李世陽, 鄭喆俊. 氣動直接心室輔助控制器,中國發明專利,專利號:ZL200910161853.2,授權公告日:2012年2月01日。

12. 楊明, 何巍, 李世陽. 柔性致動超聲波電機,中國發明專利,專利號:ZL200810037830.6,授權公告日:2012年1月4日。

13. 楊明, 李世陽, 何巍. 雙驅動足圓弧形曲線超聲電機,中國發明專利,專利號:ZL200810037097.8,授權公告日:2011年08月31日。

14. 楊明, 李世陽, 何巍. 單驅動足圓弧形曲線超聲電機,中國發明專利,專利號:ZL200810037096.3,授權公告日:2011年8月31日。

15. 楊明, 陳許英, 鄭喆俊, 李世陽. 用于超聲電機的多頻寬帶雙路驅動裝置,中國發明專利,專利號:ZL200810037831.0,授權公告日:2011年8月31日。

16. 楊明, 韓元杰. 超聲電機驅動隔膜式血泵,中國發明專利,專利號:ZL200810037404.2,授權公告日:2011年7月20日。

17. 楊明, 呂雪烽, 李世陽, 劉一, 李晶晶. 人體模擬循環系統,中國發明專利,專利號:ZL200910055965.X,授權公告日:2011年4月06日。

18. 楊明, 劉一, 李世陽, 鄭喆俊. 氣動直接心室輔助裝置及其控制器,中國發明專利,專利號:ZL200810037403.8,授權公告日:2010年3月24日。

19. 楊明, 陳許英. 超聲電機通用測試裝置,中國發明專利,專利號:ZL200810037095.9,授權公告日:2010年3月10日。

20. 楊明, 韓元杰. 超聲電機驅動滾壓式血泵,中國發明專利,專利號:ZL200810037405.7,授權公告日:2010年2月10日。

論文專著:


先后在IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, Applied physics letters, Ultrasonics, Sensors and actuators A: Physical等國內、外學術刊物及會議發表論文30余篇,參編專著2部。 

發表英文論文:

1. Zhaopeng Dong, Ming Yang, Optimal design of a double-vibrator ultrasonic motor using combination method of finite element method, sensitivity analysis and adaptive genetic algorithm, Sensors and Actuators A Physical,2017,266:1–8

2. Dawei An, Ming Yang, Xiaoqi Zhuang, Tianyue Yang, Fan Meng, and Zhaopeng Dong,Dual traveling wave rotary ultrasonic motor with single active vibrator,Appl. Phys. Lett. 110, 143507 (2017)

3. Ou, WC ; Li, SY ; Cao, WW ; Yang, M, A single-mode Mn-doped 0.27PIN-0.46PMN-0.27PT single-crystal ultrasonic motor,JOURNAL OF ELECTROCERAMICS,2016,37( 1-4):121-126

4. Dong, Zhaopeng; Yang, Ming; Chen, Zhangqi; Xu, Liang; Meng, Fan; Ou, Wenchu, Design and performance analysis of a rotary traveling wave ultrasonic motor with double vibrators,ULTRASONICS,2016, 71: 134-141

5. Xiaoqi Zhuang; Ming Yang; Liang Xu; Wenchu Ou; Zihao Xu; Fan Meng; Huan Huang, Pumping rate study of a left ventricular assist device in a mock circulatory system,ASAIO JOURNAL, 2016, 62(4): 410-420

6. Zihao Xu; Ming Yang; Xianghui Wang; Zhong Wang, The Influence of Different Operating Conditions on the Blood Damage of a Pulsatile Ventricular Assist Device,ASAIO JOURNAL,2015 61(6): 656-663

7. Zihao Xu; Ming Yang; Xianghui Wang; Zhong Wang,Multi-objective optimization of pulsatile ventricular assist device hemocompatibility based on neural networks and a genetic algorithm,INTERNATIONAL JOURNAL OF ARTIFICIAL ORGANS,2015,38(6): 325-336

8. Ou wenChu; Ming Yang; Fan Meng; Zihao Xu; Xiaoqi Zhuang; Shiyang Li, Continuous high-performance drive of rotary traveling-wave ultrasonic motor with water cooling,SENSORS AND ACTUATORS A-PHYSICAL, 2015, 222: 220-227

9. Lin Ye; Yang Ming; Liang Xu; Chao Guo; Ling Li; DengquanWang,Optimization of inductive angle sensor using response surface methodology and nite element method,MEASUREMENT,2014,48: 252-262

10.Ye, Lin; Yang, Ming; Xu, Liang; Zhuang, Xiaoqi; Dong, Zhaopeng; Li, Shiyang,Nonlinearity Analysis and Parameters Optimization for an Inductive Angle Sensor,SENSORS,2014,14(3):4111~412   

11.Dynamic modeling of the outlet of a pulsatile pump incorporating a flow-dependent resistance, Med Eng Phys., 2013, 35(8):1097-104;

12.A Numerical Method to Enhance the Performance of a Cam-Type Electric Motor-Driven Left Ventricular Assist Device,Artificial Organs, Article first published online: 2 MAY 2013, DOI: 10.1111/aor.12077;

13.Exciting electrode optimization of a piezoceramic plate type ultrasonic motor by combining artificial immune algorithm and finite element analysis, International Journal for Computer-Aided Engineering and software, 2013,30(5):751-768;

14.Yafei Pang, Ming yang, Shiyang Li, Rotation Angle Analysis of Plate Ultrasonic Motor Under Dual-Mode Coupling Drive, Sensors and Actuators A, 2012,173:202-209;

15.Yafei Pang, Ming yang, Xuying chen, Wei He, shiyang li, and chaodong li, Performance Evaluation of Dual-Frequency Driving Plate Ultrasonic Motor Based on an Analytical Model, IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, 2011, 58(8):1641-1650;

16.Huan Huang,Ming yang, Wangfu Zang, Shunjie Wu,and Yafei Pang, In Vitro Identification of Four-Element Windkessel Models Based on Iterated Unscented Kalman Filter, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, 2011, 58(9):2672-2680.

17.Li Shiyang, Yang Ming,Analysis of the temperature field distribution for piezoelectric plate-type ultrasonic motor,Sensors and Actuators A Physical, 164 (2010): 107–115

18.Cuncen Li, Ming yang, Shiyang Li, Xuying Chen, Weihe, and Chaodong Li, A Piezoceramic Plate Type Ultrasonic Motor Using Dual-Frequency Modal Superposition Exciting, Ferroelectrics, 393:1–18, 2009

19.Li Shiyang and Yang Ming, Particle Swarm Optimization Combined with Finite Element Method for Design of Ultrasonic Motors, Sensors and Actuators A: Physical, 2008;

20.Li Shiyang, Yang Ming, L Cuncen, and Cai Ping, Analysis o Heart Rate Fluctuation Based o Wavelet Entropy, Fluctuation and Noise Letters, 2007;

21.Ming Y Hanson B Levesley MC, e al, Amplitude Modulation Drive t Rectangular-plate Linear Ultrasonic Motor with Vibrators Dimensions 8mm x 16m x 1mm, IEEE Transactions o ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, 2006;

22 Ming Y Zhu ML, Richardson RC, e al, Design and Evaluation o Linear Ultrasonic Motors For a Cardiac Compression Assist Device,Sensor and actuator, A Physical, 2005;

23 Yang M Richardson RC, Levesley MC, e al, Performance Improvement o Rectangular-plate Linear Ultrasonic Motor Using Dual Frequency Drive, IEEE Transactions o ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, 2004;

24 Ming Y, Levesley MC, Walker PG, et al,Transient Phenomenon of Longitudinal Flexural Coupled Vibrations in a Small Rectangular Piezoelectric Ceramic Plate,Applied physics letters, 2004;

25 Ming Y, Que PW, Performances Estimation of a Rotary Traveling Wave Ultrasonic Motor Based on Two-dimension Analytical Model,Ultrasonics, 2001. 

發表中文論文:

1 基于電流和相位差的超聲換能器頻率自動跟蹤 優先出版 左傳勇; 楊明; 李世陽 應用聲學 2016, (03): 189~194.

2 基于模糊PI速度調制的離心血泵搏動性研究 唐敏; 楊明 中國醫療設備 2016/01

3 基于數值模擬的血泵血液破壞性研究進展 許自豪; 楊明; 歐文初; 莊曉奇; 徐亮; 孟凡; 安大偉 中國醫療設備 2016, (01): 26~30.

4 直接心室輔助裝置的研究進展與趨勢 安大偉; 楊明; 許自豪; 孟凡 中國醫療設備 2016/01

5 兒童心室輔助裝置發展現狀 孟凡; 楊明; 胡仁杰 中國醫療設備  2016, (01): 16~20.

6 基于LabVIEW的微幅低頻振動測量 李奇磊; 劉一; 楊明; 莊曉奇; 劉麗晨; 王陽 儀表技術與傳感器 2015/06

7 基于神經網絡的人工心臟溫度預測 李奇磊; 楊明; 歐文初; 孟凡; 許自豪; 徐亮 中國醫療器械雜志  2015, (02): 87~89.

8 一種離心血泵的血流動力學特性分析 王陽; 楊明; 許自豪; 莊曉奇; 李奇磊; 徐亮 中國醫療器械雜志 2015, (01): 16~20.

9 超聲換能器并聯諧振頻率的復合式跟蹤方法研究 劉麗晨; 楊明; 李世陽; 莊曉奇; 李奇磊 應用聲學 2015, (01): 45~50.

10 基于自整定模糊PI算法的磁耦合離心血泵控制研究 楊磊; 楊明; 許自豪; 莊曉奇; 王偉; 張海波; 韓露; 徐亮 生物醫學工程學雜志 2014/05

11 機載光學定位測量跟蹤器研究 竺春祥; 鹿存躍; 楊明; 黃整章 電子設計工程 2014/20

12 碟形離心式血泵研制的設計與仿真評估 韓露; 劉金龍; 王偉; 張海波; 楊明; 俞曉青 中國體外循環雜志 2013/03

13 心電QRS波檢測與心室輔助裝置控制系統設計 廖火根; 楊明; 莊曉奇; 黃歡 生物醫學工程學雜志 2013, (03): 617~622.

14 微型體外循環應用現狀及發展趨勢 孟凡; 楊明 中國醫療器械雜志 2013, (03): 203~206.

15 基于閉環磁通門技術的超聲波電動機電流測試系統 王璐; 楊明; 莊曉奇 微特電機 2013, (03): 30~32.

16 談科研創新和教學實踐的支撐——儀器(續) 楊明 實驗室研究與探索 2012/11

17 談科研創新和教學實踐的支撐——儀器 楊明 實驗室研究與探索 2012/10

18 模擬循環系統中的主動脈流間接測量 黃歡; 楊明; 鄔順捷 上海交通大學學報 2012, (07): 1138~1141.

19 基于溫度反饋的超聲波電動機速度控制系統 郭超; 楊明; 李世陽 微特電機 2012, (05): 62~64.

20 基于NuMicro M0516的超聲波電動機驅動電路設計 皮文苑; 鹿存躍; 楊明 微特電機 2012/04

21 一種基于CompactRIO的超聲波電動機控制系統設計 王鋒良; 楊明 微特電機 2011/12

22 一種非血液接觸式氣動心室輔助裝置的設計及體外測試 鄔順捷; 楊明; 黃歡; 李虹磊 中國醫療器械雜志 2011,35(6):398-401

23 感應式非接觸角度傳感器電磁耦合系統設計 李凌; 楊明; 葉林 傳感器與微系統 2011, (10): 130~132. 

24 基于逆磁致伸縮效應的超聲電機非接觸扭矩測量 王登泉; 楊明 傳感器與微系統 2011/09

25 超聲波電動機自動優化設計研究 龐亞飛; 楊明 微特電機  2011, (06): 26~28.

26 人工心室輔助裝置遠程監控系統 李晶晶; 楊明; 呂雪烽 中國醫療器械雜志 2011,1:1-5

27 心臟建模研究現狀及發展趨勢 龐亞飛; 楊明 中國醫療器械雜志 2011/01

28 非接觸式旋轉軸扭矩測量現狀 王登泉; 楊明; 葉林; 李凌 電子測量技術 2010 年 33 卷第 8 期

29 基于BP神經網絡的矩形壓電振子振動模態區分 李存岑; 楊明 計算機應用研究 2010/05

30 人工心臟研究發展態勢文獻計量分析 趙雅潔; 楊明 北京生物醫學工程 2010/02

31 基于超聲多普勒人工心臟血栓檢測系統的研究 徐修萍; 楊明 電子測量與儀器學報 2010,24(4):396-401

32 簡易模擬心血管系統的設計與控制 劉一; 楊明; 李世陽; 鄭喆俊 生物醫學工程學雜志 2010/01

33 用于評估心室輔助裝置的人體循環系統半實物仿真模型 李虹磊; 楊明; 李世陽 中國醫療器械雜志 2010,1:16-20

34 一種基于虛擬儀器的超聲電機通用電源 陳許英; 楊明 壓電與聲光 2009/06

35 全人工心臟無線能量傳輸技術研究現狀 張馳; 楊明 中國醫療器械雜志 2009年33卷第6期,425-428

36 一種不對稱激勵直線型駐波超聲電機的研究 李世陽; 楊明; 何巍 壓電與聲光 2009/05

37 人工心臟血泵檢測 楊明 電子測量與儀器學報 2009年第23卷第10期, 1-7

38 用于心室輔助裝置性能測試的體外模擬循環系統 呂雪烽; 楊明; 李晶晶 中國醫療器械雜志 2009年第33卷第5期,313-316

39 超聲電機振子振型激勵技術研究進展 李存岑; 楊明; 李世陽 振動與沖擊 2009/09

40 軸流式心室輔助裝置的研究進展 徐修萍; 楊明 中國醫療器械雜志 2009/02

41 搏動型血泵驅動系統的探討 韓元杰; 楊明 中國醫療器械雜志 2009年第33卷第1期,1-6

42 直接心臟輔助裝置的現狀與未來 劉一; 楊明 中國醫療器械雜志 2009年第33卷第1期,36-39

43 體外超聲在心臟疾病治療中的應用 呂雪烽; 楊明 生物醫學工程學進展 2008/04

44 人工肌肉及其在直接心臟輔助裝置中的應用前景 董靜; 楊明; 鄭喆俊; 顏國正 生物醫學工程學雜志 2008/06

45 一種簡單寬頻帶移相超聲波電動機驅動系統 何巍; 楊明; 李世陽 微特電機,2008年第36卷第9期,49-51

46 超聲波電動機驅動技術 鄭喆俊; 楊明 微特電機 2008/08

47 人工神經網絡在人工心臟研究中的應用 李存岑; 楊明; 李世陽 北京生物醫學工程 2008/03

48 心力衰竭及其在直接心室輔助下的建模仿真研究 李世陽; 楊明; 李存岑; 蔡萍 上海交通大學學報 2008年第42卷第5期,817-821

49 直接心室輔助致動方法的現狀與發展 楊明; 臧旺福 生物醫學工程學進展 2008/01

50 基于SCI-E數據庫的超聲電動機研究 趙雅潔; 楊明 微電機 2008/02

51 人工心臟的測控技術及其研究進展 李世陽; 楊明; 蔡萍 北京生物醫學工程 2007/02

52 變參量超聲電機驅動電路的設計與分析 楊明; 劉嵊超; 朱寶實; 闕沛文 聲學技術 2001/04

53 環形行波式超聲馬達變頻特性的分析 楊明; 闕沛文; 季鋼; 毛義梅; 羅海福; 趙淳生 中國電機工程學報 2001/10

54 大力矩超聲電機 楊淇; 楊明; 闕沛文 應用聲學 2001/03

55 超聲電機變頻驅動源的設計與分析 楊明; 闕沛文 壓電與聲光 2000/06

56 用Verilog-HDL設計數字邏輯系統 馬朝; 李穎; 楊明 計算機工程 2000/12

57 旋轉行波超聲電機預壓力的特性 楊明; 闕沛文; 趙淳生 上海交通大學學報 2000/11

58 基于混沌的信息檢測技術 楊明; 劉嵊超; 闕沛文 機械工藝師 2000/10

59 基于激光散斑技術的超聲馬達定子的實驗研究 楊明; 趙淳生 壓電與聲光 2000/02

60 環形行波式超聲馬達解析模型的仿真與實驗研究 楊明; 趙淳生 聲學學報 1999/05

61 基于階躍響應的環形行波式超聲馬達特性測量 楊明; 趙淳生 壓電與聲光 1998/05

62 環形行波超聲波電動機定子的測試研究,楊明 ,趙波雷,孫家鼒等,微特電機,1997

63 實現精密測溫的脈沖調寬與三步替代法,楊明,劉君華,于輪元,電子測量與儀器學報,1991

榮譽獎勵:


1.  “超聲電機研究”2003年度國防科學技術一等獎。

媒體報道:


1、科學中國人2016年度人物機械運載領域提名人,《科學中國人》,2017年5月12日

2、上海交大多項高科技成果亮相第17屆工博會,2015年11月5日,http://news.sjtu.edu.cn/info/1003/786561.htm

3、人工心臟——心肌恢復治療的橋梁,《科技文摘報》,2015年6月27日

4、仿心肌運動人工心臟有望“解救”更多心衰患者,《科技日報》,2014年4月22日

5、楊明:走在人工心臟的探索之路上,《科學中國人》,2013年1月27日

6、[學者筆談]楊明:儀器支撐科研創新和教學實踐,2012年10月13日,http://news.sjtu.edu.cn/info/1021/129220.htm

報道一:


楊明:走在人工心臟的探索之路上

人工心臟是利用機械的方法把血液輸送到全身各器官以代替心臟的功能。

人工心臟是目前解決心臟移植供心來源不足的一種有效途經。

能走在人工心臟研究的世界前沿,憑的是持之以恒,踏實努力。

細節決定成敗,從細小問題入手就能發現一些新東西,鼓勵和培養學生的仔細探索的精神。

每年都有無數人罹患心力衰竭,而可供移植的心臟卻越來越難找到。研究者由此萌生大膽設想:用人造心臟取代自然心臟。來自上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器系的楊明教授就是關注此類問題的研究者。

科技攻關 成果卓著

楊明教授曾在英國利茲大學從事應用于人工心臟肌肉超聲器件研究。2005年回國于上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器系繼續從事人工心臟研究。

高效率、小型化、全植入體內的人工心臟可以顯著改善病人的生活質量,使病人恢復到正常生活,甚至能夠離開醫院回到家中。這就對人工心臟的測量控制技術提出了更高的要求,成為制約患者生存率的主要因素。人工心臟的測量控制系統是用來監測人體血液循環、生理參數變化以及人工心臟運行的各項指標參數,控制人工心臟的工作狀態,使之適應于實驗或人體的循環生理需要,是保障人工心臟可靠正常運行、使病人長期存活的重要條件。

楊明教授及其領導的研究小組將相關的醫學知識、血液動力學、傳感與動作技術、控制技術、電子技術、流體及精密機械等相關知識相結合,圍繞治療心力衰竭的人工心臟輔助器件、系統等開展研究與開發。

人工心臟研究的焦點是軸流泵和離心泵,血液基本以恒定的流量從泵體輸送至全身。這種人工心臟的缺點是不能產生搏動血流和易造成血栓和溶血,不能充分實現組織灌注,對人體血液循環的影響一直存在爭議。而傳統搏動式人工心臟的發展由于受到驅動器體積、性能等條件的制約,亦遭遇了瓶頸。針對搏動式人工心臟發展所遇到的關鍵問題采用新的驅動裝置,楊明教授及其科研團隊提出并實現了多種新型搏動泵的設計方案,在滿足人體生理需求的基礎上,不斷縮小人工心臟的體積,模擬自然心臟的各種生理功能。

現有的搏動式人工心臟一般是采用傳統的電磁電機提供動力,但電磁電機在人工心臟的尺寸限制下轉速較高、力矩較小,且易受到電磁干擾的影響。由于維持人工心臟的搏動需要維持較大的力矩和較低的轉速,所以需要額外增加減速機構,電機的震動和沖擊不可避免。通過研究討論,他們引進了一種新型電機直接實現低速大轉矩運行,既可直接達到接近人體心跳頻率的有力搏動,并具有運轉穩定、低噪聲、不受電磁干擾影響等優點。與傳統方案相比,縮小了泵體的尺寸,改善了血泵的性能。

心血管系統不僅是一套精密的流體系統,還承載著神經信號的傳導、生理活動的控制等功能。因此生理控制器的研究逐漸受到關注。在臨床中,人工心臟必須根據病人體型和不同生理狀態(如睡眠、輕微運動、情緒波動)自動調節輸出(流量、壓力搏動頻率等)。此外,對各種并發癥(如右心衰竭、腦損傷等)的研究也要求將人工心臟視為整個心血管系統的一部分。由于臨床應用中可獲取的生理信號非常有限,必須基于體循環模型非接觸地估計各種生理參數并合理地制定控制策略。他們在模擬體外循環平臺上對流體參數辨識、自適應控制等領域進行了研究,并爭取將這項技術應用到臨床實踐。

對于人工心臟來說,由于其長期持續運轉需要大量的電力供應,目前的解決方案是利用外接電源為電機等一系列功耗元件提供能量。因此每個用戶都要從體內穿過皮膚接出一條電源線,這無疑增大了患者感染的可能,也將會給患者的生活造成極大的不便。他們也致力于無線能量傳輸這一技術,希望不通過電纜,而是利用電磁場的耦合,實現體內和體外能量的交換。目前已經實現了近距離的無線能量傳輸,針對裝置的安全性,效率等多個方面正在做深入研究。可以想象,無線能量傳輸技術一旦投入使用,將極大地推動人工心臟的臨床應用。

此外,楊明教授目前還承擔了一項國家自然基金科學儀器基礎研究專款項目“可植入搏動式超聲致動血泵關鍵技術基礎研究”和一項國家自然基金面上項目“人工心臟輔助超聲致動血泵數學建模與溫升控制”等研究任務。

科學管理 捷報頻傳

楊明專注于利用超聲馬達的手段和方法研究人工心臟疾病相關的生命進程機理。在這一領域中,他用才情和執著書畫著超越生命的藍圖。智者,敢于操縱夢想;師者,傳道授業,必定選擇永遠的奉獻。在楊明的人生字典里,我們能輕松的找到這些,似乎這就是他科研生命的主題。在專業領域,他是一個認真做事的人,生活中,他卻奉行著低調做人的原則,如果說自己在專業領域取得了一些成果,那都是團隊共同努力的結果,絕不是自己一個人的功勞。

回國后,除了科研工作外,楊明還積極探索科研協同機制,先后與一些三甲醫院的心外科建立長效研究科研合作機制,為醫工結合交叉學科的科研工作機制探索提供了有效的實踐和經驗。

幾年來他共招收博碩士研究生20余人,其中已畢業的博士3人,碩士15人。在學生培養上傾盡全力,把所學的科研思想,實驗技術毫無保留傳授給學生,并鼓勵工作人員和學生大膽創新,支持他們做探索性的工作。堅持以人為本,組織建設良好的人才團隊,把“讓想干事的人能干事,讓能干事的人干成事,讓干成事的人成大事”作為自己的工作思路。

實驗室目前已研制出兩種人工心臟血泵原理樣機,其中一種的性能參數和國際刊物中發表論文中性能指標相當,甚至超過。為驗證人工心臟血泵的性能,他們也研制出了人體血液循環模擬系統。實驗室還在高水平國際刊物上發表論文7篇,授權中國發明專利10余件。這些科研成果的取得無一不是實驗室成員集體努力的結果。

盡管楊教授和他的科研團隊在人工心臟研究機制的探索的上做了大量的工作,獲得了眾多的科研成果,但他心里很清楚,所做的這些僅僅是人工心臟研究機制探索的一部分,還有大量的工作需要去做,這是一項長期甚至一生的事業,因此,他下一步的工作重點是與其他從事人工心臟研究工作的科研單位和科學家進行深度合作,共同協作,獲得系統性的突破和進展,將研究工作向上下游拓展,延伸至動物模型實驗,期望能夠獲得初步的研究成果。

人工心臟的研究方興未艾,其研究成果必將造福廣大心臟病患者,應用前景十分廣闊。目前國外的大量文獻報道了人工心臟長期替代人類心臟工作是可能的,并有多種型號已經投入臨床應用。我國作為世界人口第一的大國,終末期心臟病患者數量龐大,所以在國內開展人工心臟的研究更具意義。隨著國家對基礎科學領域投入的逐年增加,支撐人工心臟的各學科領域將得到長足進展,相信在不久的將來,人工心臟的幾大關鍵技術終將會取得突破。不論是作為短期的心室輔助,抑或是等待心臟移植供體的過渡橋梁,甚至是永久的替代心臟,人工心臟都將得到廣泛地應用。人工心臟的研究任重而道遠,但楊明堅信,不遠的將來,終將聆聽到永恒的心跳聲。

文章來源:《科學中國人》2012年22期

報道二:


[學者筆談]楊明:儀器支撐科研創新和教學實踐[圖]

[發布時間]: 2012年10月13日

[編者按] 繼2011年上半年推出“身邊的感動”系列報道受到廣泛好評后,從2011年10月起,我們推出了新欄目“學者筆談”。本欄目將陸續推出一批我校有影響的學者,重點展示他們在人才培養、科學研究、服務社會和文化傳承與創新等方面的觀點和見解、思路和做法及理論和實踐,旨在弘揚科學精神,激蕩人文情懷,回歸學術本位,濃郁學術氣象,全面提升交大學術的影響力和傳播力。  

■ 科學儀器是科學技術發展的重要前提和根本保障。  

■ 沒有科學儀器創新,難有重大科研成果。應把科學儀器自主創新放在核心位置。  

■ 鼓勵和培育具有原創性學術思想的探索性科學器設備研制,為科學研究提供新穎手段和工具,帶動學科發展,開拓研究領域,提升我國科學研究原始創新能力。  

■ 營造有利于儀器創新的氛圍,改革教學模式,培養年輕隊伍。   

在最近英國舉辦的第41屆世界技能大賽上,國內相關專家在總結比賽失利原因時,發現“我們帶去的量具的精度就不如別人——拿著精度不夠的量具,如何能做出高精產品”。文匯報對此做了“做制造強國,我們需要補什么”的深度報道。這一報道,用具體的實例說明了儀器對中國從制造大國向制造強國轉變的重要支撐作用。更進一步作為生產力之一的科學研究方面,俄國化學家門捷列夫說過:“科學研究是從測量開始的”,現代科學本身就起源于科學儀器的使用。如伽利略制作的可用于天文觀測的望遠鏡,在1609 年~1610 年進行一系列天文觀測,發現了月球表面上的高山、裸眼見不到的恒星、銀河中個別的星星以及繞著木星運轉的四顆衛星。他的新發現將天文學研究引入一個新時代。伽利略改良的望遠鏡成為早期一個重要的人眼延伸的儀器。這項現代科學儀器深刻地改變了科學的實踐活動,開啟了現代科學研究的新紀元。有人可能會說,許多理論學家的原創性科學研究是不依賴于任何儀器的,例如愛因斯坦的相對論。是的,少數進行理論研究的科學家在進行研究時并未使用任何儀器,比如愛因斯坦的狹義相對論。然而,狹義相對論的一個最基本的前提——光速不變,卻是在基于測定光速干涉儀的“邁克耳遜——莫雷”實驗的基礎上建立的。顯然,科學理論促進了儀器的發展, 而儀器的發展,又反過來促進了科學理論本身的進步。儀器的水平實際上決定了科學研究的水平,完全脫離現代科學儀器來搞科學研究,實際上寸步難行。  

儀器不僅是科學研究的技術支撐,還是高等學校人才培養的重要保障。大型、精密、貴重的儀器設備在科學研究和教學實踐中發揮越來越關鍵的作用。中國科學家的工作能力是一流的, 然而中國科學家對現代科學原創性的重大貢獻卻很少, 中國本土科學家甚至還沒有獲得過諾貝爾獎。這可能與教育、文化、經費等很多因素有關,但其中一個重要的原因就是我們長期以來忽視工具研究與開發,認為買來的儀器設備要比自己研制的,性價比高。這種認識直接導致了難以及時發現科學研究中的問題,科學創新舉步維艱。這種傾向在研究生的培養中也有很顯著的體現,如我們研究生、博士生畢業的條件對是否發表論文有明確規定,但對新型科學儀器的研究與開發卻沒有任何關注。研究和開發新型科學儀器化的時間很多,風險很大但論文又很少。一般情況學生下不愿意做,老師也不選。對比國外和中國的研究生培養, 國外導師支持學生根據自己的想法設計儀器設備作博士論文,學校也不將論文發表與學生的學位掛鉤,就使學生敢于選擇一些風險較大但可能對科學技術和國民經濟發展產生重大影響的學術問題進行探索;而現在,越來越多的國內著名的院士專家清楚地意識到儀器的掌握與創新對于研究生創新能力培養以及科學創新的重要性,例如,在對于生命科學這一極其依賴于儀器創新的學科中, 高校紛紛開設了科學儀器分析這一選修課;國家基金委專門設立了自然科學而基金科學儀器基礎研究專款,專門用于資助新原理科學儀器的探索研制。這些改變對于儀器研發乃至科技創新都有著重要的意義。  

工欲善其事, 必先利其器  

《論語》的這句名言很好的印證了儀器在科學研究中的作用。新的科學研究成果和發現,如信息論、控制論、系統工程理論,微觀和宏觀世界研究成果及大量高新技術如微弱信號提取技術, 計算機軟、硬件技術、網絡技術、激光技術、超導技術、納米技術等均成為促進儀器儀表和測量控制科學技術發展的重要動力, 現代儀器儀表不僅單獨成為高技術新產品, 而且集成新原理、新概念、新技術、新材料和新工藝等最新科技術成果的綜合裝置和系統層出不窮。科學技術的發展,決定了科學儀器和設備的水平,反之科學儀器和設備的進步也推動了科學技術的不斷發展和創新。當今, 科學儀器和設備的水平在一定程度上就決定了科學技術的發展和創新的水平。科學儀器和設備是社會的科研能力的重要組成部分,既是一個國家科學大廈的物質支柱, 也是一個國家科學技術水平的主要標志。各種現代傳感器和檢測儀器在物理、化學、生物、醫療等領域的應用也越來越廣泛,借助于儀器, 人類感知能力的敏感程度得到了提高,感受方式得到了延伸。發明更加靈敏、更加精確的科學儀器, 成為科學研究工作中的重要部分和支撐經濟社會發展和安全的重要手段。  

自主儀器創新 開拓科學疆土  

科學儀器設備是科技創新和經濟社會發展的基石和重要保障,一流的科學研究往往離不開一流的科學儀器。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》明確提出要“重視科學儀器與設備對科學研究的作用,加強科學儀器設備及檢測技術的自主研究開發”。當前是我國推進科學儀器自主創新的重大機遇期:國家領導人高度重視科學儀器研究開發工作;現實需求要求我國加強科學儀器自主研發;我國已具備大力推進科學儀器自主創新的基本條件,在政策、關鍵共性技術儲備、人才隊伍等方面已有基礎。  

儀器的研制通常涉及多個學科,如最原始的顯微鏡涉及光學和機械學科;帶圖像處理功能的顯微鏡,也綜合了電子技術、材料科學、計算機和數學等領域知識。所以一個現代儀器的開發,通常是一個多學科研究人員的聯合行為。這也是科學儀器的研究與開發需要國家設立重大科研儀器設備研制和開發專項來支持的重要原因之一。  

儀器的研究,既需要善于將不同多學科知識融會貫通的大師,產生智慧的火花,同時也需要能工巧匠的工程師、技師,將想法變成現實;新儀器的開發,可能需要較長期的支持,但更需要巧妙的構思,解決研制的關鍵問題。儀器相關的研究一個重要特點是,不能只停留在理論分析和仿真階段,還需要研制出樣機。一臺儀器的系統研制既需要軟件調試,也需要硬件設計、加工等。特別是一些涉及生命科學的儀器,不僅涉及多個學科,也需要幾代人的努力。如人工心臟的研究涉及到機械、電子、流體、控制、心臟外科、材料等多個學科。雖然早在1953年Gibbon在臨床上成功地應用人工心肺機進行心內直視手術,但是到目前為止,人工心臟仍然有血栓、血液破壞等關鍵問題尚未解決,也只是在美國和歐洲等少數幾個國家有成功臨床應用的報道。所以儀器學科及其相關研究通常都需要更多的學者,及必要的研發與制造設備。  

在對科學研究評價方面,新型的科學儀器樣機的開發為相關研究提供了支撐,它與以新發現、新理論為基礎發表研究論文具有同樣甚至更高的科學和社會價值。當前,我國科學發展已進入到由量變到質變的關鍵時期,科研儀器設備研制水平成為制約我國基礎研究國際地位的重要環節。在這種情況下,對不同學科的研究人員,建立適應于各自學科特點的研究評價機制,對科學儀器的研究與發展將會有重要的促進作用。  

重構教學模式 改進儀器設備  

儀器科學的性質決定其注定是一個需要多學科廣泛基礎的學科。以前讀本科時,感到儀器學科的學生上課的學時數,比同系的其他專業學生多很多。但到攻讀博士學位時,發現還是不夠用,需要自學一些跨度比較大的課程。從多年來的研究工作中,感到儀器類學生的培養,不僅需要更多寬泛的基礎,同時還需要某一部分學科的精深。因為沒有寬泛的基礎,很難對儀器的設計有一個整體的把握;同時沒有一個特定精深學科的知識,就無法鎖定研究領域,提出要解決的問題。這就需要儀器科學類的學生選課既要廣,光、機、電相關的知識都是必要的基礎,同時還需要根據學生的興趣對某一特定的領域重點學習。如對某種智能材料、物理,或化學原理進行系統學習。本科是打基礎的關鍵時間,決定了學生以后的發展。在學制固定的條件下,對儀器科學專業的學生,可考慮側重基礎的教學模式。  

雖然計算機仿真研究實驗對課堂教學內容的理解有重要的幫助作用,但作為一個儀器科學與技術專業的學生來說,這還遠遠不夠。學生不能只會計算機仿真和使用現有儀器設備,還能根據需要自己設計與研發科研儀器。所以儀器科學學科的學生,不僅要求有較寬的理論知識面,還要求具有較強的動手實踐能力,在力所能及的范圍內,自己研制一些簡單的機構和測試電路等。  

新型儀器研制中涉及到一些內容,并不一定在教師自己熟悉的領域。使用新型的儀器,可以發現新的現象。所以一個研究小組能否不斷有新的成果,必須注意研究生獨立工作和分析問題能力的培養。鼓勵學生有不同的想法,只要小組討論中想法不被否定,就給學生機會去驗證想法。引導學生用事實說話,用從公開發表的文獻,或實驗結果,通過邏輯分析來支持自己的論點。  

每個同學都有自己的興趣和特長。教師培養學生的一個重要任務,就是要協助學生將自己的閃光點找出來。儀器學科涉及的面很寬,對不同專業背景、興趣與特長不同的學生,總是能有適合不同學生的研究任務。對教師來說:應保證讓每個學生積極參與到具體的研究課題中,以鍛煉其理論與實踐相結合的能力,并根據同學的研究進展,及時調整研究內容,使同學能在不斷地成功中,培養自信心,培養一種對未來工作的熱情。  

學者小傳  

楊明,上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器科學系教授、博士生導師。1990年在西安交通大學電磁測量與儀表專業獲碩士學位,1996年在天津大學精密機械及儀器專業獲博士學位,1996年到1998年在南京航空航天大學超聲電機研究中心做博士后研究。作為Research Fellow, 2002年到2005年在英國利茲大學從事應用于人工心臟肌肉超聲器件研究。  

2005年回國工作以來,主要從事精密醫療儀器、超聲電機及檢測技術等方面的研究工作。具體有:(1)針對現有搏動式人工心臟尺寸較大、較重,不易植入的問題,探索研究超聲致動人工心臟輔助。研制出具有以接近人體心跳頻率的搏動,運轉穩定、低噪聲、不受電磁干擾影響、尺寸更小的搏動式人工心臟血泵原理樣機。在體外模擬循環測試中,研制的人工心臟原理樣機可達到臨床心室輔助的生理要求。目前正在進行相關動物模型的實驗研究;(2)針對超聲電機輸出功率較小的問題,研究超聲電機的功率提升技術。在矩形板超聲電機上,利用雙頻驅動技術實現超聲電機輸出特性的大幅度提高;(3)針對與血液接觸人工心臟血泵的血栓非血接觸直接心室輔助,研制出氣動的直接心室輔助裝置的原理樣機。在這些研究中,已授權中國發明專利12件,獲得國家自然科學基金資助4項(其中一項為國家自然科學基金科學儀器基礎研究專款),上海市浦江計劃人才項目1項,高技術863項目1項。

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