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            清華大學深圳國際研究生院12項硬核“武器”助力科研戰“疫”

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              科技

              是戰勝疫情的硬核“武器”

              疫情發生以來

              清華大學深圳國際研究生院

              快速響應,主動作為,周密部署

              12項科技進展和成果

              展示瞭投身“科研戰疫”的

              堅強意志和堅定決心

              01、超聲焊接技術助推防疫物資高質高速生產

              口罩、醫用防護服等醫療物資生產設備及技術是解決抗疫物資緊缺問題的核心驅動力,而在口罩的生產過程中,超聲焊接技術是口罩縫制過程中的關鍵工藝,是助力醫療物資企業加速生產的核心突破口。

              面向防疫需求,深圳國際研究生院智能制造團隊充分發揮制造領域技術優勢,為醫療物資企業提供制造技術方案及服務。智能制造與精密加工實驗室主要從事超聲輔助精密加工技術與裝備等研究,並致力於超聲技術系列產品的研發及生產制造,已有十餘年技術沉淀。面對疫情防控,團隊高度重視,迅速行動,第一時間成立瞭超聲焊接技術攻關小組,專註於為合作夥伴提供口罩等超聲焊接技術、超聲焊接系統設計解決方案等產品及服務。

            超聲焊接核心零部件制造

              超聲焊接技術攻關小組不僅為合作企業提供免費的咨詢服務,解決“超聲焊接技術怎麼用、怎麼用好、怎麼不出問題”等具體技術問題,團隊還成功開發瞭自主知識產權的超聲焊接核心零部件。在設備制作過程中,馮平法教授團隊專註於超聲焊接工藝及核心零部件制造,王曉浩教授團隊專攻超聲電源控制。在校企產學研合作的推動下,目前第一套樣機已在校外合作企業完成測試。

            超聲焊接的核心部件與控制器

              02、研發可重復消毒使用口罩的

              納米纖維過濾膜材料助力疫情防控

              在抗擊疫情的戰鬥中,口罩作為最重要的防護用品在市場上供不應求。醫護人員和普通民眾日常使用的一次性醫用口罩、醫用外科口罩和醫用防護口罩均采用荷電的PP熔噴濾纖維作為有效過濾層,在蒸煮消毒之後,靜電被消除導致防護作用劣化,無法實現重復使用。在這一關鍵時刻,對高性能口罩的要求凸顯出來。

              深圳國際研究生院李勃研究員團隊與清華大學材料學院伍暉副教授團隊近年來一直在合作開發納米纖維類材料,並在研究中發現納米纖維膜具有良好的過濾性能。

              在抗擊新型冠狀病毒肺炎疫情的戰鬥中,該團隊緊急啟動瞭用於口罩中間過濾層材料的納米纖維膜的二次開發。通過實驗發現,基於氣紡納米纖維超細的直徑和高的纖維密度可以實現非靜電方式的物理過濾,具有高的過濾效率和低的氣阻,可以滿足一次性醫用口罩、醫用外科口罩和醫用防護口罩的技術要求,同時重復蒸氣消毒後仍能維持高的過濾效率和低的氣阻,可以滿足民眾在口罩短缺情況下的應急重復使用需求。目前,相關材料已經加快第三方檢測工作,爭取早日提供市場需要的材料產品。

              03、安全科技助力城市疫情防控

              清華大學公共安全研究院廣東分院王飛副教授團隊依托智慧安全佛山一期項目的平臺功能和數據基礎,快速研發佛山市肺炎疫情實時態勢管理系統,全面歸集市疫情信息,實時匯聚各類疫情防控措施落實情況、救治情況、防疫物資情況、輿論觀點情況等防疫工作數據,形成“防疫一張圖”,系統在佛山市防疫工作指揮部和城市安全運行監測中心上線運行。

              團隊借助研究院在城市安全領域積累的科研成果,通過空間信息技術、大數據分析技術、風險評估技術為疫情綜合分析、研判和決策提供及時的動態信息,為疫情防控工作的科學防治和精準施策提供輔助支撐。

              04、研制全自動血塗片顯微成像儀

              深圳國際研究生院何永紅課題組研制瞭全自動血塗片顯微成像儀,可以對血細胞顯微結構成像、分類、計數進行分析,利用成像儀對血塗片細胞形態顯微圖像進行全自動化的大量采集,利用神經網絡算法對這些高清圖像進行半監督學習,進而識別新冠肺炎血細胞的特征,用於輔助診斷。

              為瞭盡快將該項技術應用於新冠肺炎的臨床診斷,研發人員與合作者已組織瞭臨床實驗,成像儀被應用於新冠肺炎患者血塗片檢測並發現瞭“吞噬細胞變大、淋巴細胞減少、 破裂細胞增多” 異常變化,為新冠肺炎快速診斷提供瞭重要線索。

              課題組通過優化神經網絡進一步大量學習肺炎病人血細胞圖像,形成一套成熟的新冠冠狀病毒肺炎血細胞顯微形態學智能分析快速診斷系統。目前課題組正在加快研發,進展順利,有望盡快應用於疫情防控一線。

              05、偏振光學檢測方法

              助力中醫藥研究抗擊疫情

              深圳市第三人民醫院在抗擊新冠病毒肺炎過程中,在廣東省2003年防治“非典”的著名方劑“防感湯”1號方和2號方的基礎上,將結合中醫臨床辯證組方而成的“肺衛防感湯”加減制成的保健方在預防和改善患者癥狀方面發揮瞭作用,但其作用機制和有效成分尚不清楚。清華大學深圳國際研究生院生物醫藥與健康工程研究院馬輝教授、何宏輝副研究員團隊與深圳市坪山區人民醫院張振宇博士團隊開展合作,運用偏振光學檢測方法助力中醫藥研究抗擊疫情。

              該合作團隊嘗試采用自主研發的非標記活體動態偏振檢測技術,通過細胞和動物模型定量評估“肺衛防感湯”在抗2019新冠冠狀病毒過程中發揮的幹預作用及機制,闡明“肺衛防感湯”的主要有效成分,並與黃石市中醫院合作觀察“肺衛防感湯”治療新型冠狀病毒肺炎的臨床療效。這一工作將為中國傳統醫藥治療新型冠狀病毒肺炎提供新的方案和理論依據。

              06、AI+5G超聲輔助醫生對新冠肺炎重癥病人動態評估和治療

              新冠肺炎常規通過病史、CT等進行病情評估,但重癥病房應用超聲不便,還需要評估重癥患者的心臟等多器官,然而操作者絕大多數不是專業超聲醫生,這為如何在治療重癥患者的過程中更好地發揮超聲的作用提出瞭難題。深圳國際研究生院袁克虹團隊與深圳華聲醫療技術股份有限公司合作,用人工智能技術賦能5G超聲設備,增添采集心肺關鍵標準切面的導航以及關鍵參數的自動測量等功能,輔助醫生對重癥病人進行動態評估和治療。

              袁克虹團隊與深圳華聲醫療技術股份有限公司1月中旬組成研發團隊,在已有合作工作的基礎上,針對新冠肺炎重癥患者臨床超聲的迫切需求開展聯合攻關,半個月就獲得瞭較好的成果。該技術從2月初開始在武漢協和西院等多傢醫院使用,在一定程度上輔助瞭醫生對重癥患者進行疾病的動態評估和治療指導。

              目前該技術正由國傢感染性疾病臨床研究中心(深圳市第三人民醫院)牽頭開展進一步研究,將完善和改進現有功能,優化遠程診斷流程,實現超聲為醫生治療重癥患者提供更智能、更可靠、更專業的幫助。

            2月8日武漢協和西院ICU病房的醫生為新冠肺炎重癥患者做身體掃查

              07、研制強電場調控的病毒高效消殺裝備

              在控制新型冠狀病毒的傳播方面,切斷其傳播途徑是最重要的手段。針對病毒可能污染的環境物體表面及應急醫院廢水等進行高效消毒意義重大。深圳國際研究生院能源電工研究所張若兵副研究員團隊積極拓展開發基於強場調控的致病微生物消殺關鍵技術,已初步研制出用於熱敏性固體材料表面消毒的高活性寬幅等離子體便攜式消殺裝備及強脈沖電場調控的醫療廢液滅活裝備,有助於解決致病微生物消殺裝備等資源短缺問題,為疫區醫院防疫、含病毒醫療廢水高效消毒提供強化消毒裝備。

              目前,團隊正在對系統深入優化,並積極聯合深圳大學總醫院等合作團隊著手開展後續效果評價工作,爭取盡早推向應用,助力抗疫工作。

              除瞭在抗擊疫情中發揮作用以外,寬幅等離子體射流陣列和強脈沖電場技術在新一代精準醫療裝備、熱敏性材料封裝和智能制造等領域也將發揮重要作用。

            等離子體射流陣列(左)及強脈沖電場電源(右)

              08、研發基於微流控芯片技術的便攜式核酸快檢系統

              快速準確地對疑似病例進行病原檢測有助於確診病例,盡早切斷傳染源,隔離疑似人員,是控制疫情蔓延的重要前提。深圳國際研究生院彌勝利副研究員團隊與深圳市華邁生物醫療科技有限公司合作,在前期微流控芯片工作成果的基礎上快速響應,積極申報新型冠狀病毒感染應急防治專項,開展基於微流控芯片技術的便攜式核酸快檢系統研究的科研攻關任務,致力於研發並建立一種低消耗、低成本、高通量、自動化操作的微流控芯片及其檢測方法。

              該微流控芯片技術可以大大縮短確診時間,減少人力的投入,以便於醫護人員更加有序和高效地開展防控工作;同時,該技術還可作為核酸檢測的通用技術,在未來廣泛地應用於多種疾病的檢測和預防。目前,樣機的主要模塊已搭建完成,後期將完成軟硬件聯調,準備申請醫療註冊證。

            團隊開發的微流控芯片示意圖

              09、核酸單分子熒光圖像測序智能檢測技術研究助力疫情防控

              深圳國際研究生院張盛副教授團隊在已開展的核酸測序方面的專用圖像傳感元器件關鍵技術基礎上,提出瞭“基於單分子熒光圖像測序的冠狀病毒核酸智能檢測技術”重大攻關項目研究方案。課題組通過遠程網絡討論與協作等多種方式,組織瞭相關學科的專傢多次進行技術研討,並與深圳市行業內的權威機構合作,在兩周內快速進行原理論證,形成技術方案,完成智能檢測裝置的原型結構設計及前期研究準備工作。

              項目致力於開發具有核酸智能檢測能力的低成本嵌入式物聯網設備,為公共衛生防疫事業提供更加有力、且具備“提前生產、快速部署、分散檢測”特點的新型核酸檢測的解決方案,有望實現未來冠狀病毒傳染事件中基因序列的快速發佈與潛在感染者的本地化核酸檢測能力快速部署,幫助醫護人員和民眾在傢庭或社區對感染或疑似患者進行現場篩查,減少潛在感染者的聚集與交叉感染,快速實現核酸檢測層次的確診檢驗與病癥初篩,助力疫病防控和公共衛生領域戰略科技力量的提高和儲備。

            微流控結構局部放大示意圖

            系統集成示意圖

              10、以智能化隔離系統與高通量非接觸式病患篩查系統為“防疫天眼”

              實施有效的隔離監測和大規模人群排查是預防疾病、遏抑疫情蔓延的有力措施。傳統的檢測手段需要面對面對人員挨個采集,不僅效率極低,而且存在安全隱患。近期,深圳國際研究生院王興軍教授團隊研發出一套穿戴式智能化隔離監測系統和一套高通量非接觸式大規模疑似病患篩查系統,有望有效解決這一問題。

              “自動隔離監測系統”采用可貼身佩戴的體溫傳感器,輕巧方便,可以佩戴於額頭或腋下等部位,可實時對體溫進行采集。采集的數據通過網關或手機傳至雲服務平臺進行數據整合和數據可視化,當出現數據不正常或出現被隔離者離開監測區域時,系統都會進行報警。對於在隔離期內生理數據正常的人員,可以在一定時間之內不用重復測量,避免重復檢查。

              “高通量非接觸式大規模篩查設備”可以放置於火車站、地鐵站、海關等人流密度較高的區域,利用紅外熱成像設備和可見光采集設備,搭配智能算法,可以實現在高人流密度區域同時對多人非接觸式地、即時地采集體溫和血氧數據,及時篩查出疑似患者,預防輸入性病例。采集的數據將上傳至雲平臺,用於進行公共衛生數據統計和數據交互。相關數據還能直接對接到衛生部門,方便進行後續的跟蹤觀測、診斷治療。

              上述兩套系統可以為疫情隔離監測和大規模排查篩查提供全覆蓋的服務,猶如“防疫天眼”。目前,產品正在加緊研發,希望能早日投入實際應用,助力抗擊疫情。

            穿戴式實時體溫采集設備佩戴示意圖

            智能化隔離監測示意圖

            高通量非接觸式篩查識別系統使用示意圖

              11、研發新冠病毒檢測試紙和試劑盒

              病毒的快速、靈敏檢測可以縮短疑似病例數量和病人隔離期,更短時間內篩查更多疑似病例,具有重要臨床和公共衛生價值。核酸檢測試劑盒檢測耗時長、病毒RNA容易降解、難以檢測小於100bp病毒片段,導致目前新冠病毒檢測假陰性案例很多。深圳國際研究生院助理教授秦培武團隊將通過CRISPR反應、高靈敏光譜、單分子成像解決當前新冠檢測面臨的難題。

              在以往工作的基礎上,秦培武與羅徹斯特理工杜可教授合作開發基於Cas12a反應的DNA病毒檢測方法,不擴增的條件下可以檢測皮摩爾濃度非洲豬瘟病毒,成果已經被Biosensors and Bioelectronics接收。

              針對新型冠狀病毒檢測,靈敏度、速度、高通量將是檢測裝置的主要設計指標。為此將整合光學靈敏度最高的單分子成像與信號放大最好的CRISPR酶反應,達到高靈敏、高通量、高特異新冠病毒檢測,將CRISPR反應體系封裝到載玻片作為檢測試劑盒使用,加入病毒後產生的熒光信號可通過單分子顯微鏡采集。多個檢測位點可以累計提高信噪比,crRNA陣列覆蓋新冠病毒所有保守區將最大限度檢測病毒提供的天然檢測靶點。

              本項目還將開發病毒檢測試紙,將CRISPR反應系統溶解風幹到試紙上。新冠病人咽拭子樣品經核酸提取後先用試劑檢測,信號可以目測或者利用高靈敏光譜檢測,如果是陰性再進行試劑盒單分子檢測,實現二級精準新冠病毒核酸檢測。

              12、“AI+大數據”助力深圳市南山區

              防控疫情科學復工

              新冠肺炎疫情爆發後,深圳國際研究生院馬兆遠課題組與馬嵐課題組合作公佈瞭基於AI技術對全國疫情擴散情況及高峰期預測模型,其結果與國傢衛健委公佈的疫情實時數據高度吻合,平均準確率達98%以上;在疫情高峰期、拐點出現時間及總感染人數三個方面的預判也與鐘南山院士的判斷互相印證。在此基礎上,課題組不斷根據最新的數據變化調整參數、優化擬合結果。

              目前,課題組已配合深圳市南山區根據深圳當地返城復工規劃、復工人員輸出地來源、所從事行業、各企業用工場所聚集程度等綜合因素,進行AI技術精準測算建模,協助當地政府精準、科學施策,推進在深企業人員進行有序復工,開辟社會經濟復蘇的抗疫“第二戰場”。

              深圳市“AI大數據復工指導試驗”初見成效,未來一段時間內,課題組將結合北京乃至全國情況,提供更為全面、更為精準的疫情走向分析與科學有效的復工指導建議。