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一束光穿过大脑:河北地质大学学生团队用光学探测技术做了一台便携无创脑血氧监测仪

发稿时间:2026-11-12 10:30:00 来源: 中国青年网

  电话一响,团队里的男生就出发。 

  从河北地质大学到那家屠宰场大约10公里。他们拎着一次性容器,站在门口等一袋还温着的猪血。 

  血会凝固。放久了,里面的成分就变了,测出来的数据也跟着变。他们要的是刚放出来的那一袋。 

  这样的“接血”,前后持续了3个月。除了猪血,还原剂用哪一种、生物因子用哪一种,都要一样一样试。很多材料当时买不到,还得跑很多地方。 

  “都是团队的男生去的。”侯力筝负责另一头:把带回来的信号洗干净。 

  用一袋袋猪血做实验

  “一个模糊的信号,通过算法的处理,让它看得更清晰,得到更准确的数据。”这是侯力筝的研究方向——光学信号处理。 

  2001年出生的她,是河北地质大学2024级硕士研究生,也是“光脑芯锐”学生团队的负责人。团队14个人,学什么的都有:电子信息、生物医学,还有会计学和管理学。名字是大家凑出来的:光是近红外光,脑是应用的地方,芯是那枚被塞进探头的芯片,锐是他们想做到的。 

  他们做的是一台便携式无创脑血氧监测仪。但在测别人之前,得先知道它测得准不准——于是有了那套自己搭的实验装置,和那些从10公里外接回来的猪血。 

  实验一次,算法要跑40个小时。 

  “不能间断。”侯力筝说。跑完一遍,把结果拉出来看,不对,改参数,再跑40个小时。她说,最难熬的不是失败本身,是“你花了一个星期做实验,结果还不如上一次”。 

  “当你试了一条路,发现效果反而没有上次好,再试一条,还是没有上次好。这个才是让人最崩溃的地方。” 

  有时候她也会想:难道这些外国的先进技术,真的就无法超越了吗? 

  光是为了确定用哪两个波长的光,这个实验他们整整做了16次。 

  每一次,做硬件的同学要把不同波长的激光器接到探头上,采集信号,再交给算法处理。一次40小时,一共做了16次。 

  “做一个产品自己用”

  2024年秋天,侯力筝接手这个项目的时候,上一届师兄留下的是一台测颈静脉血氧的仪器。 

  “当时并没有一个完整的解决方案。”她说,“我也担心,万一做不出来怎么办。” 

  转机在医院里。 

  团队用3个月跑遍了京津冀十余家三甲医院,蹲在麻醉科和ICU(重症监护室),跟一线医生、护士面对面聊,记下厚厚3本临床需求笔记。 

  医生告诉他们:颈静脉血氧不是必须的指标。麻醉科更想知道的,是病人的脑子到底缺不缺氧。 

  2024年,脑血氧监测被列入麻醉手术中的必要监测指标。但临床上大多还在用有创检测——从颈静脉穿刺抽血。可据团队调研,并发症发生率在13%左右。 

  进口的无创设备则是另一个极端:一台三四十万元,探头通道多、机器体积大,手术时来回挪动很不方便。更麻烦的是运动伪影——重症病人无意识地翻个身,数据就飘了,机器跟着误报。报得多了,医护人员就不再信它。 

  “基层医院买得起,用不起。”侯力筝说。 

  她回过一次承德老家,专门去区医院做调研。2025年,这家医院买了4台脑血氧监测设备,一台将近40万元,一共花了150万元。 

  “我就是看,为什么这些技术突破都是国外的实验室做出来的,我们自己研究这项技术的人这么少。”她说,“年轻人比较争强好胜嘛。” 

  “我们能不能自己做一个产品出来,就是自己用。”侯力筝说。 

  “数据是跟人有关系的”

  真正让她下定决心的,是一位医生随口讲的一件事。 

  那是一个20多岁的女孩,做了一个微创手术。手术很成功。但在麻醉复苏室,没有人发现她的喉罩移位了。 

  脑供氧不足。人没了。 

  “跟我们一样大。”侯力筝说。 

  采访中,她把这段话讲了两遍。第一遍,她说那个女孩“才20多岁”;第二遍,她说“跟我们一样大”。 

  “如果麻醉复苏室里也能配一台这样的设备,”她说,“也许这样的意外就不会再发生。” 

  在这之前,她对这项技术的感情“并没有那么多”,更多是科研的要求。这件事让她意识到,自己每天在电脑前跑的那些数据,是跟人有关系的。 

  “一纳米一纳米地去试” 

  要把这件事做成,得先解决光。 

  近红外光的波长在600到900纳米之间,肉眼看不见。它能穿过颅骨、脑脊液和脑组织,再返回来。血液里的氧合血红蛋白和还原血红蛋白,吸收光的比例不一样——返回来的那束光,就带出了血氧的信息。 

  “说起来很简单,就是一束光穿过你的大脑,然后再返回。”侯力筝说,“但在实际应用中是复杂的。” 

  复杂在波长的选择。两个波长挨得太近,差异小得看不出来;离得太远,噪声又大。人一动,血在流,信号里全是干扰。 

  他们最初选的是660和905纳米——市面上成熟产品用的波段。实验室买回两台进口设备,接上光谱仪,把它们的波长量了出来,先照着做,再一点点改。 

  “一纳米一纳米地去试。”最后定在730纳米和840纳米。 

  结果是,探测深度增加了30%,精度保持不变。侯力筝打了个比方:原来是像素很低的相机,同样的距离拍出来是糊的;现在像素提上去了,同样的距离,照片清楚了。 

  算法这一关更难。病人翻身带来的运动伪影,是进口设备也没彻底解决的老问题。团队用了双波长近红外光谱,加上去噪算法和深度学习,拿1200余例真实临床数据去“喂”模型。 

  最后,患者躁动状态下的测量误差被控制在3%以内,与有创金标准的相关性达0.95。 

  硬件上,他们做了另一件事:把原本放在主机里的模块,集成到一枚更小的芯片上,挪进探头。 

  这意味着,探头插上就能用。医院不需要再买一台主机,只要在自己的设备上装他们的软件,激活,就能读出一个人的脑血氧。 

  针对进口设备“一体化探头”的耗材成本,他们又把探头拆成“复用式传感器+一次性医用柔性贴片”,单次耗材成本降了40%。 

  他们给这台机器算的价,是10万元左右。 

  团队成立5年来,这项技术获得了5项国家发明专利授权,2项核心专利进入实质审查。1篇SCI论文已经发表,还有1篇在投,修改过一次。 

  样机进了三家医院

  2025年2月,侯力筝作为校方代表,和河北金康安医疗器械科技有限公司、上海市胸科医院签订了三方合作协议,目标是拿到二类创新医疗器械注册证。 

  二代样机随后进了上海市胸科医院、河北医科大学第四医院、石家庄市人民医院,在手术麻醉、重症监护、神经康复这些场景里做科研临床验证。 

  2026年,她带着这个项目去参加“挑战杯”。指导教师是郑一博、王超然。 

  团队14个人,专业不同,对同一个项目的理解也不同。学会计的会问:真要成立公司,法人是谁,股东怎么分,税怎么报;学医的会提醒:医疗器械注册证的周期很长,投入很大。 

  “各种思想碰撞。”她说,最后还是得她来统筹,定方案。“众人拾柴火焰高嘛。” 

  问她成功那一刻是什么状态。 

  “并没有想象中那么开心。”她说,“就是松了一口气,如释重负。” 

  两年多前,她刚接手时,还不知道“负责人”这三个字有多重。“现在整个人更成熟、更稳重,我也有信心,有能力去面对更大的挑战。” 

  她喜欢一句话:“为者常成,行者常至。”“地质人用技术守护祖国的山河大地,”她说,“我们也能用同样的技术,守护国人的生命健康。” 

  团队的实验室,灯光常亮到凌晨。那台样机摆在桌上,接上电源,屏幕上会跳出一条曲线——一个人脑子里的血氧,正被一束肉眼看不见的光,一点一点读出来。(记者 姜文山) 

责任编辑:张亦弛