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1704761022 为了更好地诊断和治疗各种心脏病，比如说研发心脏病新药，改进手术治疗方法等，几十年来，科学家一直想用计算机模拟一颗人的心脏，让一个与人的真实心脏功能完全一样的“虚拟心脏”先替人受“过”。近几年，随着计算机性能成指数增长，以及在用数学方法表达复杂心脏实际运行方面获得了极大的进步，这种“虚拟心脏”的构想逐步变为现实。构建描述单个心肌细胞以及整个心脏器官的“虚拟心脏”，建立一种心脏的计算机模型，以找到心脏病诊断和治疗研究以及测试心脏病药物的新方法，这就是由全球多家实验室共同参与的“虚拟心脏计划”，也称“Cardiome计划”，属于“生理人”计划的一部分。它实际上就是利用多种计算机模型，来描述单个心肌细胞、几百万个心肌细胞和整个心脏器官不同层次的电生理活动，并描述心脏血液的抽运过程。这也是吕维雪教授的博士生夏灵教授的研究方向。使用这种计算机软件，几分钟便能模拟出心脏的电生理过程以及相应的心电图波形等，我们可以利用它做各种各样的心脏病虚拟实验，对研究心脏病的形成机制以及研发心脏病的更准确诊断和治疗方法等具有极高的价值。

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1704761024 在全球范围实施的这一“虚拟心脏计划”，并没有设立正式的总部，但该计划的前沿工作是在英国牛津大学的一座四层楼的实验室中进行的。之后，各国的科学家从不同角度进行研究，浙江大学是一个取得较理想进展的机构之一。

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1704761026 为了探究奥秘，笔者来到了浙江大学生物医学工程与仪器科学学院的生物医学建模与仿真实验室。在这里，没有通常实验室的不锈钢实验台、显微镜和装有试剂的瓶瓶罐罐，而只装有运行着多种软件的计算机工作站。在这个实验室里，夏灵教授和他的博士生张宇，向笔者展示了这种“虚拟心脏”。这颗跳动着的“心脏”一根根心肌纤维都用线条表示，一小段代表一个具有电生理和力学收缩功能的心肌细胞，它们非常有规律地扭曲着收缩、伸张。心肌细胞的离子通道、动作电位、心肌纤维旋向等，实际上都是用数学描述方法存在计算机里的。鼠标一点，张宇“让”这颗虚拟心脏“心肌缺血”，结果，缺血区域的收缩形态马上明显改变了，缺血区域所受的压力明显大于正常区域；张宇又让这颗“虚拟心脏”分别“患”上了传导阻滞、心力衰竭及心律异常等疾病，显示心电图波形马上发生了不同的变化。各种各样的心脏病、同一类型心脏病但病变部位不同、严重程度不同等情况下相应的临床表现特征，这种信息对临床诊断和治疗是非常有用的。据夏灵教授介绍说，在与北京阜外医院合作的过程中，已经总结出了许多虚拟心脏在临床应用方面的经验，经常是临床医生不能理解的某些复杂心脏病临床表现特征，经过虚拟心脏模型仿真后就得到清楚解释了。这些模型十分繁杂，他们还在试着把基因这一要素考虑进去。基因在心脏病中起着关键作用，一个变异基因就有可能会引起人的早期死亡。甚至平时没有任何心脏病先兆，因环境影响，例如温度变化等原因也可能引发猝死。因此，为准确地模拟人的心脏病，模型研究人员必须考虑包括基因在内的多种因素。夏灵教授提到，东南亚一些国家的某些部落经常发生一些蹊跷的事件：许多40岁以下的青年男子经常在睡梦中死去，事先没有任何征兆，也不知道原因。当地群众十分惶恐，一时间谣言四起，许多人归结为是鬼怪作祟，认为鬼怪专门在深夜来夺青年男子的命，因此为了避难，青年男子纷纷穿上女性服装睡觉。近几年的研究表明，这其实是一种由先天性基因缺陷引起的心肌离子通道病，称为Brugada综合征，目前还没有有效的药物治疗方法，只能通过植入除颤器来预防猝死。夏灵教授利用虚拟心脏进行研究，得出的一个结论是：这种Brugada综合征的病灶部位是在心脏右心室的流出道，而其他心脏部位的心肌基本正常，这样将来就有可能发展一种定向靶向性给药的全新治疗方法。

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1704761028 张宇用了一个形象的比喻：心脏好比是一个沙雕，正如沙雕由一颗颗细沙组成一样，心脏身上也有无数的“细沙”。如果详细了解每一颗“细沙”的功能和平常的状态，那么，这些“细沙”的一点细微变化都会被捕捉到，并准确判断它的问题所在。这颗虚拟心脏，是多层次计算机心脏仿真模型，是目前国际上唯一能够将心脏电生理和力学特性有机结合的模型，综合性能指标为国际领先和国际先进水平。夏灵教授以虚拟心脏模型为主要内容的博士论文，获得了我国生物医学工程学科第一篇全国优秀博士学位论文。

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1704761030 电子鼻：让机器代替人体去“受罪”

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1704761032 人的鼻子是很多行业用于评价物质气味的主要“仪器”，如对香料（化妆品、香皂等）、食品（鱼类、肉类、乳酪等）、酿造物（啤酒、威士忌、白酒、咖啡等）、烟草等物品的气味进行检测时，大多数时候就是需要人的嗅觉来进行评价。但是通过一些受专业培训的有经验的人员来对产品的气味进行评价，费用很昂贵，而且还常常受到人的经验、身体状况、情绪等外界因素的影响，工作时间也受到限制。更何况有些气味（如有毒气体和有害气体）是不可以用人鼻子进行直接检测的。造一个人工的“鼻子”，用机器代替人体来“受罪”，已经逐步成为现实。在不久的将来，一些既可以发现问题、又能避免自身伤害的机器品酒师、缉毒犬、生化武器专家将活跃在各条战线上。

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1704761034 所有的哺乳动物都可以凭它们的嗅觉器官来发现自己的同类和天敌，也可以发现伴侣以完成繁殖后代的任务，还可以寻找和选择食物。哺乳动物的鼻子具有相当宽的分辨功能和极高的分辨灵敏度，并可以辨别各种混合在一起的物体各自的特殊气体以判断各种物体。模拟哺乳动物有关嗅觉，我们人类能做什么？这就是人工嗅觉系统“电子鼻”的最初灵感。浙江大学传感器专家陈裕泉教授在访问意大利、英国的时候，发现有些传感器的研究者开始考虑是否可以借用自然的方法来实现我们的目标。回国以后，陈裕泉也开始了他的研究，浙江大学成为国内最早开展这项研究的单位之一，这个项目得到了国家863计划的支持。历时10多年，“电子鼻”终于研制成功，并获得多项国家专利。

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1704761036 利用人工嗅觉系统进行气体所含成分的检测是在传感器技术、计算机技术和人工智能技术得到了相当发展以后出现的一门新兴的多学科交融的技术。由于它应用了电子技术将原先复杂的物质分析转化为通过传感器列阵将气体所含成分转化为电信号，并经过信号处理技术由计算机进行神经网络训练、判别，根据不同成分的固定模式来对未知气体进行成分分类，从而得到气体成分的识别。它可以到现场检测并现场得出结果，而不必有所顾忌。“电子鼻”可应用于酒类的检测，也可以在化工物质检测（如有毒气体、可燃性气体），食品卫生（如咖啡的质量检测、烟草的质量检测、肉类的检验、化妆品的评价），蔬菜和食物的残留农药检测，以及毒品的判别等方面发挥很好的作用，而且在环境保护、医学诊断等领域也有重要的应用。人们可以把它用来做农药残留量的检测、名优白酒的识别和假酒检测、室内装修气体的污染物程度检测、汽车装修污染物检测、汽车尾气检测、烟草质量检测、化妆品质量检测、火灾隐患的预警等。

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1704761038 “电子鼻”是生物医学工程学科传感器研究中的一个小小成果。在陈裕泉眼里，传感器就是人的五官，它可以由各种材料研制而成。其他项目如人工味觉“电子舌”，像灰尘一样漂浮在空中，随时随地接受信息的“智能尘埃”，集合人体信息的“1米距离”无线信息集成系统等都正在研究中。

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1704761040 学科交叉，让大白鼠踱起了方步

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1704761042 一个用透明塑料板搭建的“田”字格通道，悬空架设，离地将近一米。一只头顶芯片的大白鼠在田字中间的横道上摸摸索索地往前走，走到“十”字中间，面临多种选择的大白鼠却“不假思索”，来了个90度右转。

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1704761044 生性胆小又恐高的大白鼠怎么一下子变得勇敢果断了呢？原来，浙江大学生物医学工程与仪器科学学院的张韶岷同学正通过电脑在遥控它。张韶岷按动手中用常规鼠标改制成的遥控器，大白鼠便按照“指令”左转右弯、爬楼梯、绕“8”字，甚至“勇敢地”奋身一跃，跳上30多厘米高的平台。

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1704761046 让大白鼠按电脑指令完成这么多“规定动作”的，是一支由浙江大学4个学科的10位研究生组成的创新团队。他们正在进行的是“脑机交互”这一交叉学科的研究。

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1704761048 学科交叉是当今学科发展的潮流。原浙江大学校长潘云鹤提出，浙江大学有国内最齐全的学科和最多的博士点，不进行学科交叉，学校的优势和潜力就不能充分发挥出来，就会落后于世界。他鼓励各学科不仅要探讨学科研究的前沿，还要探讨国家发展中面临解决的重大问题。要通过讨论，形成一些学校、国家乃至国际上感兴趣的课题展开进一步的科学研究。“脑机交互”就是这样的一个研究课题。通俗地说，“脑机交互”就是支持人脑和计算机的直接交互，通过实现计算机和人脑之间直接接收和发送信号来改变现有人机交互的方式。它属于多学科交叉的前沿方向。

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1704761050 2005年9月，在浙江大学以“崇尚民主学术风气，探讨科学前沿，整合大项目大成果”为宗旨，以促进学科的交叉，探讨科学的前沿，开拓创新思维为目标的浙江大学西湖学术论坛上，来自物理、生物、医学、计算机和信息科学等学科的六位学者围绕“脑机交互（BCI）”这一多学科交叉的课题进行了广泛深入的探讨。与会的专家结合自己的研究工作和国内外最新的研究成果，对脑机交互相关学科的研究方向和进展展开交流。生物医学工程专家郑筱祥教授介绍了目前国际上脑机接口方面的发展趋势和学校在该领域正在进行的相关研究，并对今后可能开展的研究项目进行了分析。

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1704761052 这次论坛以后，各学科重点在“脑的表达、脑控制和控制动物”三个研究方向上分不同的领域组成兴趣小组，将“脑机交互”这个课题深入地进行了研究。

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1704761054 2006年8月中旬，在郑筱祥的组织下，由浙江大学生物医学工程与仪器科学学院、计算机科学与技术学院、医学院和材料与化学工程学院的10名学生组成的创新团队正式成立，专题研究“动物导航系统”。

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1704761056 学生团队成员利用各自的学科特长，分工合作，发现问题，各个击破。根据专业特长，创新团队分成医学、生物相关实验及系统组装等4个组分别开展工作。经过反复设计和修正，他们设计并自制成功“无线压杆箱”，把对大白鼠的奖赏也通过电刺激来实现，从而提高了评价的精确度和手术电极定位的准确性。同时，他们还为白鼠设计了穿戴方便、舒适合体的马甲，将无线刺激器固定在白鼠背上，既保证了电极的稳定性，还实现了遥控，扩大了白鼠的活动空间和行动自由。

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1704761058 确定实验用房却费了些周折。在浙江大学找一个既要适合大白鼠生活，又不影响周围环境，还要方便架设各种实验设施的地方，可不是一件容易的事。最后，他们找到了大楼角落里的一间不到10平方米的泵房。在这里，各种粗粗细细的管路横陈其间，正好架实验台，还可以考验大白鼠是不是真的“听话”。很快，大白鼠买来了，并经过了行为学的初步筛选。随着电极制备成功，第一只大白鼠完成电极埋置手术，并顺利完成了“规定动作”的“表演”。随后，第二只、第三只……现在，第九只大白鼠也完成了相同的实验训练。

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1704761060 他们将三对电极分别埋置在大白鼠的前脑内侧束和左右胡须区。电极的刺激增加了大白鼠的喜悦感，引起周围细胞的兴奋，给大白鼠一种虚拟的感觉。他们发现，这种基于电刺激的奖励比传统的食物奖赏更加敏感、更加有效，大白鼠在很短的时间内就可以学会并完成一些简单的任务。

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1704761062 实验成功的那一刻，创新团队的成员们别提多高兴了。他们说：“做对了动作的大白鼠感受到的愉悦，应该和我们现在一样。”

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1704761064 张韶岷同学介绍说，接下来，他们将准备改进大白鼠的背包，增加小型的摄像头或者有毒气体的传感器，便于动物完成一些特定工作。还打算将刺激器集成化和小型化，用新型的生物材料将电极和生物传感器植入到动物的体内。如果实验成功，在动物模型的研究基础上，就有希望扩展到人体康复工程的应用中。比如，如果在残疾人的大脑植入这种“芯片”，让“芯片”指挥行动，那他们就可以像正常人一样活动自如，他们的生活将会发生翻天覆地的变化。

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1704761066 （作者：孙美燕）

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