您现在的位置: 中国科技创新网 > 文章中心 > 创新人物百科 > 机械技术 > 文章正文
专家信息 科学研究 发明专利 论文专著 荣誉奖励 媒体报道

专家信息:


杨明,男,中国共产党员,博士。现任上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系教授、博士生导师。

先后在IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, Applied physics letters, Ultrasonics, Sensors and actuators A: Physical等国内、外学术刊物及会议发表论文,获‘超声电机研究’ 2003年度国防科学技术一等奖等奖励2项,主持国家自然科学基金面上项目及仪器科学基础专项重点项目、863项目、上海市浦江人才计划、工业合作开发等项目, 参加英国国家心脏基金研究。

教育及工作经历:

1985年东北重型机械学院(燕山大学)自动检测技术与仪器专业,获学士学位。

1990年西安交通大学电磁测量与仪表专业,获硕士学位。

1996年天津大学精密机械及仪器专业,获博士学位。

1996年至1998年在南京航空航天大学超声电机研究中心做博士后研究,作为Research Fellow。

2002年至2005年在英国利兹大学从事应用于人工心脏肌肉超声器件研究。

2005年上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器系工作。

主要学术兼职:

1、《电子测量与仪器学报》编委,

2、《振动、测试与诊断》杂志常务编委。

3、中国仪器仪表学会电磁测量信息处理仪器分会理事。  

4、International Journal of Instrumentation Technology 编委。

教学情况:

主讲研究生课程:

1、“微弱信号检测”。

培养研究生情况:

指导博生生已毕业8人、指导硕士生已毕业21人

 

科学研究:


研究方向:

1、精密心脏仪器:针对心力衰竭治疗中人工心脏血泵不能在可植入、搏动式血流、血液破坏小和长寿命等方面统一的问题,长期探索超声电机驱动人工心脏辅助技术研究。具体的研究包括超声致动血泵与心血管系统的耦合研究、人工心脏血液破坏研究、人工心脏无线能量传输研究等。应用领域包括心血管系统机理研究的调控工具、精密微泵、心脏康复装置、人工心脏等。

2、超声电子方向:针对功率超声应用的发热和频率漂移问题,研究开发功率超声器件,如超声电机等的散热技术和频率跟踪问题。主要目的是保持功率超声器件的长期稳定工作。具体的研究包括:高性能长寿命连续运转超声电机基础研究,已在实验室实现超声电机一天24小时连续运转一周。已研制出20kHz和40kHz,输出功率从几十瓦到2千瓦的高性能超声信号发生器。可在50mm的时间内完成频率自动跟踪,利用互联网技术具有远程监控功能,可满足大批量和高精度超声加工工程的需要。应用领域包括超声切割、超声焊接、超声清洗和精密驱动等。

3、检测技术方面,研究兴趣包括引力波检测、无损检测、量子传感、无线传感网等,主要是将检测技术与人工智能自主学习算法等数据处理算法相结合,自动寻找数据中的规律;将传感器与互联网技术相结合,实现智能家居、工业设备等的远程监控;将传感、动作技术与机器人技术相结合,开展机器人检测技术,如机器人视觉、听觉等的研究。应用领域包括智慧城市、智能家居、工业生产线、机器人等。

承担科研项目情况:

主持国家自然科学基金面上项目及仪器科学基础专项重点项目、863项目、上海市浦江人才计划、工业合作开发等项目,参加英国国家心脏基金研究。

1. 国家自然基金科学仪器基础研究专款项目“可植入搏动式超声致动血泵关键技术基础研究”,2011-2013。

2. 国家自然基金面上项目“人工心脏辅助超声致动血泵数学建模与温升控制”。

3. 20kHz2kW超声波信号发生器的研制,2015-2016。

科研成果:

1. 超声电机研究,2003年获国防科学技术一等奖。

发明专利:


授权的发明专利:

1. 杨明, 欧文初, 孟凡, 李奇磊, 许自豪. 一种超声电机液冷散热结构,中国发明专利,专利号:ZL201410445285.X,授权公告日:2017年1月25日。

2. 杨明, 安大伟, 徐郎特, 吴昊宇. 一种单振子激励的双行波旋转超声电机,中国发明专利,申请号:201710017874.1,申请日:2017年1月11日。

3. 杨明, 徐亮, 许自豪, 孟凡, 邬顺捷, 鹿存跃, 李世阳. 可植入涡旋式搏动型心室辅助血泵,中国发明专利,专利号:ZL2013100227792,授权公告日:2015年4月15日。

4. 杨明, 廖火根, 邬顺捷, 鹿存跃. 容积可调式直接心室辅助装置,中国发明专利,专利号:ZL201210106498.0,授权公告日:2014年11月12日。

5. 杨明, 徐亮, 鹿存跃, 李世阳. 可植入式仿生柔性搏动血泵,中国发明专利,专利号:ZL201210106696.7,授权公告日:2014年11月12日。

6. 杨明, 徐亮, 庄晓奇, 叶林. 类齿轮传动行波超声电机及其控制方法,中国发明专利,专利号:ZL201210103261.7,授权公告日:2014年11月12日。

7. 杨明, 郭超, 徐亮. 一种超声电机热电散热装置,中国发明专利,专利号:ZL201210122519.8,授权公告日:2014年4月16日。

8. 杨明, 邬顺捷, 李晶晶. 可植入搏动式心室辅助血泵 ,中国发明专利,专利号:ZL201110204892.3,授权公告日:2013年12月25日。

9. 杨明, 吕雪烽. 超声直线电机驱动的搏动式血泵,中国发明专利,专利号:ZL200910055968.3,授权公告日:2012年7月18日。

10. 杨明, 李晶晶, 鹿存跃, 李世阳. 超声电机驱动隔膜式搏动血泵,中国发明专利,专利号:ZL201010247653.1,授权公告日:2012年2月01日。

11. 杨明, 刘一, 李世阳, 郑喆俊. 气动直接心室辅助控制器,中国发明专利,专利号:ZL200910161853.2,授权公告日:2012年2月01日。

12. 杨明, 何巍, 李世阳. 柔性致动超声波电机,中国发明专利,专利号:ZL200810037830.6,授权公告日:2012年1月4日。

13. 杨明, 李世阳, 何巍. 双驱动足圆弧形曲线超声电机,中国发明专利,专利号:ZL200810037097.8,授权公告日:2011年08月31日。

14. 杨明, 李世阳, 何巍. 单驱动足圆弧形曲线超声电机,中国发明专利,专利号:ZL200810037096.3,授权公告日:2011年8月31日。

15. 杨明, 陈许英, 郑喆俊, 李世阳. 用于超声电机的多频宽带双路驱动装置,中国发明专利,专利号:ZL200810037831.0,授权公告日:2011年8月31日。

16. 杨明, 韩元杰. 超声电机驱动隔膜式血泵,中国发明专利,专利号:ZL200810037404.2,授权公告日:2011年7月20日。

17. 杨明, 吕雪烽, 李世阳, 刘一, 李晶晶. 人体模拟循环系统,中国发明专利,专利号:ZL200910055965.X,授权公告日:2011年4月06日。

18. 杨明, 刘一, 李世阳, 郑喆俊. 气动直接心室辅助装置及其控制器,中国发明专利,专利号:ZL200810037403.8,授权公告日:2010年3月24日。

19. 杨明, 陈许英. 超声电机通用测试装置,中国发明专利,专利号:ZL200810037095.9,授权公告日:2010年3月10日。

20. 杨明, 韩元杰. 超声电机驱动滚压式血泵,中国发明专利,专利号:ZL200810037405.7,授权公告日:2010年2月10日。

论文专著:


先后在IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, Applied physics letters, Ultrasonics, Sensors and actuators A: Physical等国内、外学术刊物及会议发表论文30余篇,参编专著2部。 

发表英文论文:

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. 

发表中文论文:

1 基于电流和相位差的超声换能器频率自动跟踪 优先出版 左传勇; 杨明; 李世阳 应用声学 2016, (03): 189~194.

2 基于模糊PI速度调制的离心血泵搏动性研究 唐敏; 杨明 中国医疗设备 2016/01

3 基于数值模拟的血泵血液破坏性研究进展 许自豪; 杨明; 欧文初; 庄晓奇; 徐亮; 孟凡; 安大伟 中国医疗设备 2016, (01): 26~30.

4 直接心室辅助装置的研究进展与趋势 安大伟; 杨明; 许自豪; 孟凡 中国医疗设备 2016/01

5 儿童心室辅助装置发展现状 孟凡; 杨明; 胡仁杰 中国医疗设备  2016, (01): 16~20.

6 基于LabVIEW的微幅低频振动测量 李奇磊; 刘一; 杨明; 庄晓奇; 刘丽晨; 王阳 仪表技术与传感器 2015/06

7 基于神经网络的人工心脏温度预测 李奇磊; 杨明; 欧文初; 孟凡; 许自豪; 徐亮 中国医疗器械杂志  2015, (02): 87~89.

8 一种离心血泵的血流动力学特性分析 王阳; 杨明; 许自豪; 庄晓奇; 李奇磊; 徐亮 中国医疗器械杂志 2015, (01): 16~20.

9 超声换能器并联谐振频率的复合式跟踪方法研究 刘丽晨; 杨明; 李世阳; 庄晓奇; 李奇磊 应用声学 2015, (01): 45~50.

10 基于自整定模糊PI算法的磁耦合离心血泵控制研究 杨磊; 杨明; 许自豪; 庄晓奇; 王伟; 张海波; 韩露; 徐亮 生物医学工程学杂志 2014/05

11 机载光学定位测量跟踪器研究 竺春祥; 鹿存跃; 杨明; 黄整章 电子设计工程 2014/20

12 碟形离心式血泵研制的设计与仿真评估 韩露; 刘金龙; 王伟; 张海波; 杨明; 俞晓青 中国体外循环杂志 2013/03

13 心电QRS波检测与心室辅助装置控制系统设计 廖火根; 杨明; 庄晓奇; 黄欢 生物医学工程学杂志 2013, (03): 617~622.

14 微型体外循环应用现状及发展趋势 孟凡; 杨明 中国医疗器械杂志 2013, (03): 203~206.

15 基于闭环磁通门技术的超声波电动机电流测试系统 王璐; 杨明; 庄晓奇 微特电机 2013, (03): 30~32.

16 谈科研创新和教学实践的支撑——仪器(续) 杨明 实验室研究与探索 2012/11

17 谈科研创新和教学实践的支撑——仪器 杨明 实验室研究与探索 2012/10

18 模拟循环系统中的主动脉流间接测量 黄欢; 杨明; 邬顺捷 上海交通大学学报 2012, (07): 1138~1141.

19 基于温度反馈的超声波电动机速度控制系统 郭超; 杨明; 李世阳 微特电机 2012, (05): 62~64.

20 基于NuMicro M0516的超声波电动机驱动电路设计 皮文苑; 鹿存跃; 杨明 微特电机 2012/04

21 一种基于CompactRIO的超声波电动机控制系统设计 王锋良; 杨明 微特电机 2011/12

22 一种非血液接触式气动心室辅助装置的设计及体外测试 邬顺捷; 杨明; 黄欢; 李虹磊 中国医疗器械杂志 2011,35(6):398-401

23 感应式非接触角度传感器电磁耦合系统设计 李凌; 杨明; 叶林 传感器与微系统 2011, (10): 130~132. 

24 基于逆磁致伸缩效应的超声电机非接触扭矩测量 王登泉; 杨明 传感器与微系统 2011/09

25 超声波电动机自动优化设计研究 庞亚飞; 杨明 微特电机  2011, (06): 26~28.

26 人工心室辅助装置远程监控系统 李晶晶; 杨明; 吕雪烽 中国医疗器械杂志 2011,1:1-5

27 心脏建模研究现状及发展趋势 庞亚飞; 杨明 中国医疗器械杂志 2011/01

28 非接触式旋转轴扭矩测量现状 王登泉; 杨明; 叶林; 李凌 电子测量技术 2010 年 33 卷第 8 期

29 基于BP神经网络的矩形压电振子振动模态区分 李存岑; 杨明 计算机应用研究 2010/05

30 人工心脏研究发展态势文献计量分析 赵雅洁; 杨明 北京生物医学工程 2010/02

31 基于超声多普勒人工心脏血栓检测系统的研究 徐修萍; 杨明 电子测量与仪器学报 2010,24(4):396-401

32 简易模拟心血管系统的设计与控制 刘一; 杨明; 李世阳; 郑喆俊 生物医学工程学杂志 2010/01

33 用于评估心室辅助装置的人体循环系统半实物仿真模型 李虹磊; 杨明; 李世阳 中国医疗器械杂志 2010,1:16-20

34 一种基于虚拟仪器的超声电机通用电源 陈许英; 杨明 压电与声光 2009/06

35 全人工心脏无线能量传输技术研究现状 张驰; 杨明 中国医疗器械杂志 2009年33卷第6期,425-428

36 一种不对称激励直线型驻波超声电机的研究 李世阳; 杨明; 何巍 压电与声光 2009/05

37 人工心脏血泵检测 杨明 电子测量与仪器学报 2009年第23卷第10期, 1-7

38 用于心室辅助装置性能测试的体外模拟循环系统 吕雪烽; 杨明; 李晶晶 中国医疗器械杂志 2009年第33卷第5期,313-316

39 超声电机振子振型激励技术研究进展 李存岑; 杨明; 李世阳 振动与冲击 2009/09

40 轴流式心室辅助装置的研究进展 徐修萍; 杨明 中国医疗器械杂志 2009/02

41 搏动型血泵驱动系统的探讨 韩元杰; 杨明 中国医疗器械杂志 2009年第33卷第1期,1-6

42 直接心脏辅助装置的现状与未来 刘一; 杨明 中国医疗器械杂志 2009年第33卷第1期,36-39

43 体外超声在心脏疾病治疗中的应用 吕雪烽; 杨明 生物医学工程学进展 2008/04

44 人工肌肉及其在直接心脏辅助装置中的应用前景 董静; 杨明; 郑喆俊; 颜国正 生物医学工程学杂志 2008/06

45 一种简单宽频带移相超声波电动机驱动系统 何巍; 杨明; 李世阳 微特电机,2008年第36卷第9期,49-51

46 超声波电动机驱动技术 郑喆俊; 杨明 微特电机 2008/08

47 人工神经网络在人工心脏研究中的应用 李存岑; 杨明; 李世阳 北京生物医学工程 2008/03

48 心力衰竭及其在直接心室辅助下的建模仿真研究 李世阳; 杨明; 李存岑; 蔡萍 上海交通大学学报 2008年第42卷第5期,817-821

49 直接心室辅助致动方法的现状与发展 杨明; 臧旺福 生物医学工程学进展 2008/01

50 基于SCI-E数据库的超声电动机研究 赵雅洁; 杨明 微电机 2008/02

51 人工心脏的测控技术及其研究进展 李世阳; 杨明; 蔡萍 北京生物医学工程 2007/02

52 变参量超声电机驱动电路的设计与分析 杨明; 刘嵊超; 朱宝实; 阙沛文 声学技术 2001/04

53 环形行波式超声马达变频特性的分析 杨明; 阙沛文; 季钢; 毛义梅; 罗海福; 赵淳生 中国电机工程学报 2001/10

54 大力矩超声电机 杨淇; 杨明; 阙沛文 应用声学 2001/03

55 超声电机变频驱动源的设计与分析 杨明; 阙沛文 压电与声光 2000/06

56 用Verilog-HDL设计数字逻辑系统 马朝; 李颖; 杨明 计算机工程 2000/12

57 旋转行波超声电机预压力的特性 杨明; 阙沛文; 赵淳生 上海交通大学学报 2000/11

58 基于混沌的信息检测技术 杨明; 刘嵊超; 阙沛文 机械工艺师 2000/10

59 基于激光散斑技术的超声马达定子的实验研究 杨明; 赵淳生 压电与声光 2000/02

60 环形行波式超声马达解析模型的仿真与实验研究 杨明; 赵淳生 声学学报 1999/05

61 基于阶跃响应的环形行波式超声马达特性测量 杨明; 赵淳生 压电与声光 1998/05

62 环形行波超声波电动机定子的测试研究,杨明 ,赵波雷,孙家鼒等,微特电机,1997

63 实现精密测温的脉冲调宽与三步替代法,杨明,刘君华,于轮元,电子测量与仪器学报,1991

荣誉奖励:


1.  “超声电机研究”2003年度国防科学技术一等奖。

媒体报道:


1、科学中国人2016年度人物机械运载领域提名人,《科学中国人》,2017年5月12日

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

3、人工心脏——心肌恢复治疗的桥梁,《科技文摘报》,2015年6月27日

4、仿心肌运动人工心脏有望“解救”更多心衰患者,《科技日报》,2014年4月22日

5、杨明:走在人工心脏的探索之路上,《科学中国人》,2013年1月27日

6、[学者笔谈]杨明:仪器支撑科研创新和教学实践,2012年10月13日,http://news.sjtu.edu.cn/info/1021/129220.htm

报道一:


杨明:走在人工心脏的探索之路上

人工心脏是利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心脏的功能。

人工心脏是目前解决心脏移植供心来源不足的一种有效途经。

能走在人工心脏研究的世界前沿,凭的是持之以恒,踏实努力。

细节决定成败,从细小问题入手就能发现一些新东西,鼓励和培养学生的仔细探索的精神。

每年都有无数人罹患心力衰竭,而可供移植的心脏却越来越难找到。研究者由此萌生大胆设想:用人造心脏取代自然心脏。来自上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器系的杨明教授就是关注此类问题的研究者。

科技攻关 成果卓著

杨明教授曾在英国利兹大学从事应用于人工心脏肌肉超声器件研究。2005年回国于上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器系继续从事人工心脏研究。

高效率、小型化、全植入体内的人工心脏可以显著改善病人的生活质量,使病人恢复到正常生活,甚至能够离开医院回到家中。这就对人工心脏的测量控制技术提出了更高的要求,成为制约患者生存率的主要因素。人工心脏的测量控制系统是用来监测人体血液循环、生理参数变化以及人工心脏运行的各项指标参数,控制人工心脏的工作状态,使之适应于实验或人体的循环生理需要,是保障人工心脏可靠正常运行、使病人长期存活的重要条件。

杨明教授及其领导的研究小组将相关的医学知识、血液动力学、传感与动作技术、控制技术、电子技术、流体及精密机械等相关知识相结合,围绕治疗心力衰竭的人工心脏辅助器件、系统等开展研究与开发。

人工心脏研究的焦点是轴流泵和离心泵,血液基本以恒定的流量从泵体输送至全身。这种人工心脏的缺点是不能产生搏动血流和易造成血栓和溶血,不能充分实现组织灌注,对人体血液循环的影响一直存在争议。而传统搏动式人工心脏的发展由于受到驱动器体积、性能等条件的制约,亦遭遇了瓶颈。针对搏动式人工心脏发展所遇到的关键问题采用新的驱动装置,杨明教授及其科研团队提出并实现了多种新型搏动泵的设计方案,在满足人体生理需求的基础上,不断缩小人工心脏的体积,模拟自然心脏的各种生理功能。

现有的搏动式人工心脏一般是采用传统的电磁电机提供动力,但电磁电机在人工心脏的尺寸限制下转速较高、力矩较小,且易受到电磁干扰的影响。由于维持人工心脏的搏动需要维持较大的力矩和较低的转速,所以需要额外增加减速机构,电机的震动和冲击不可避免。通过研究讨论,他们引进了一种新型电机直接实现低速大转矩运行,既可直接达到接近人体心跳频率的有力搏动,并具有运转稳定、低噪声、不受电磁干扰影响等优点。与传统方案相比,缩小了泵体的尺寸,改善了血泵的性能。

心血管系统不仅是一套精密的流体系统,还承载着神经信号的传导、生理活动的控制等功能。因此生理控制器的研究逐渐受到关注。在临床中,人工心脏必须根据病人体型和不同生理状态(如睡眠、轻微运动、情绪波动)自动调节输出(流量、压力搏动频率等)。此外,对各种并发症(如右心衰竭、脑损伤等)的研究也要求将人工心脏视为整个心血管系统的一部分。由于临床应用中可获取的生理信号非常有限,必须基于体循环模型非接触地估计各种生理参数并合理地制定控制策略。他们在模拟体外循环平台上对流体参数辨识、自适应控制等领域进行了研究,并争取将这项技术应用到临床实践。

对于人工心脏来说,由于其长期持续运转需要大量的电力供应,目前的解决方案是利用外接电源为电机等一系列功耗元件提供能量。因此每个用户都要从体内穿过皮肤接出一条电源线,这无疑增大了患者感染的可能,也将会给患者的生活造成极大的不便。他们也致力于无线能量传输这一技术,希望不通过电缆,而是利用电磁场的耦合,实现体内和体外能量的交换。目前已经实现了近距离的无线能量传输,针对装置的安全性,效率等多个方面正在做深入研究。可以想象,无线能量传输技术一旦投入使用,将极大地推动人工心脏的临床应用。

此外,杨明教授目前还承担了一项国家自然基金科学仪器基础研究专款项目“可植入搏动式超声致动血泵关键技术基础研究”和一项国家自然基金面上项目“人工心脏辅助超声致动血泵数学建模与温升控制”等研究任务。

科学管理 捷报频传

杨明专注于利用超声马达的手段和方法研究人工心脏疾病相关的生命进程机理。在这一领域中,他用才情和执着书画着超越生命的蓝图。智者,敢于操纵梦想;师者,传道授业,必定选择永远的奉献。在杨明的人生字典里,我们能轻松的找到这些,似乎这就是他科研生命的主题。在专业领域,他是一个认真做事的人,生活中,他却奉行着低调做人的原则,如果说自己在专业领域取得了一些成果,那都是团队共同努力的结果,绝不是自己一个人的功劳。

回国后,除了科研工作外,杨明还积极探索科研协同机制,先后与一些三甲医院的心外科建立长效研究科研合作机制,为医工结合交叉学科的科研工作机制探索提供了有效的实践和经验。

几年来他共招收博硕士研究生20余人,其中已毕业的博士3人,硕士15人。在学生培养上倾尽全力,把所学的科研思想,实验技术毫无保留传授给学生,并鼓励工作人员和学生大胆创新,支持他们做探索性的工作。坚持以人为本,组织建设良好的人才团队,把“让想干事的人能干事,让能干事的人干成事,让干成事的人成大事”作为自己的工作思路。

实验室目前已研制出两种人工心脏血泵原理样机,其中一种的性能参数和国际刊物中发表论文中性能指标相当,甚至超过。为验证人工心脏血泵的性能,他们也研制出了人体血液循环模拟系统。实验室还在高水平国际刊物上发表论文7篇,授权中国发明专利10余件。这些科研成果的取得无一不是实验室成员集体努力的结果。

尽管杨教授和他的科研团队在人工心脏研究机制的探索的上做了大量的工作,获得了众多的科研成果,但他心里很清楚,所做的这些仅仅是人工心脏研究机制探索的一部分,还有大量的工作需要去做,这是一项长期甚至一生的事业,因此,他下一步的工作重点是与其他从事人工心脏研究工作的科研单位和科学家进行深度合作,共同协作,获得系统性的突破和进展,将研究工作向上下游拓展,延伸至动物模型实验,期望能够获得初步的研究成果。

人工心脏的研究方兴未艾,其研究成果必将造福广大心脏病患者,应用前景十分广阔。目前国外的大量文献报道了人工心脏长期替代人类心脏工作是可能的,并有多种型号已经投入临床应用。我国作为世界人口第一的大国,终末期心脏病患者数量庞大,所以在国内开展人工心脏的研究更具意义。随着国家对基础科学领域投入的逐年增加,支撑人工心脏的各学科领域将得到长足进展,相信在不久的将来,人工心脏的几大关键技术终将会取得突破。不论是作为短期的心室辅助,抑或是等待心脏移植供体的过渡桥梁,甚至是永久的替代心脏,人工心脏都将得到广泛地应用。人工心脏的研究任重而道远,但杨明坚信,不远的将来,终将聆听到永恒的心跳声。

文章来源:《科学中国人》2012年22期

报道二:


[学者笔谈]杨明:仪器支撑科研创新和教学实践[图]

[发布时间]: 2012年10月13日

[编者按] 继2011年上半年推出“身边的感动”系列报道受到广泛好评后,从2011年10月起,我们推出了新栏目“学者笔谈”。本栏目将陆续推出一批我校有影响的学者,重点展示他们在人才培养、科学研究、服务社会和文化传承与创新等方面的观点和见解、思路和做法及理论和实践,旨在弘扬科学精神,激荡人文情怀,回归学术本位,浓郁学术气象,全面提升交大学术的影响力和传播力。  

■ 科学仪器是科学技术发展的重要前提和根本保障。  

■ 没有科学仪器创新,难有重大科研成果。应把科学仪器自主创新放在核心位置。  

■ 鼓励和培育具有原创性学术思想的探索性科学器设备研制,为科学研究提供新颖手段和工具,带动学科发展,开拓研究领域,提升我国科学研究原始创新能力。  

■ 营造有利于仪器创新的氛围,改革教学模式,培养年轻队伍。   

在最近英国举办的第41届世界技能大赛上,国内相关专家在总结比赛失利原因时,发现“我们带去的量具的精度就不如别人——拿着精度不够的量具,如何能做出高精产品”。文汇报对此做了“做制造强国,我们需要补什么”的深度报道。这一报道,用具体的实例说明了仪器对中国从制造大国向制造强国转变的重要支撑作用。更进一步作为生产力之一的科学研究方面,俄国化学家门捷列夫说过:“科学研究是从测量开始的”,现代科学本身就起源于科学仪器的使用。如伽利略制作的可用于天文观测的望远镜,在1609 年~1610 年进行一系列天文观测,发现了月球表面上的高山、裸眼见不到的恒星、银河中个别的星星以及绕着木星运转的四颗卫星。他的新发现将天文学研究引入一个新时代。伽利略改良的望远镜成为早期一个重要的人眼延伸的仪器。这项现代科学仪器深刻地改变了科学的实践活动,开启了现代科学研究的新纪元。有人可能会说,许多理论学家的原创性科学研究是不依赖于任何仪器的,例如爱因斯坦的相对论。是的,少数进行理论研究的科学家在进行研究时并未使用任何仪器,比如爱因斯坦的狭义相对论。然而,狭义相对论的一个最基本的前提——光速不变,却是在基于测定光速干涉仪的“迈克耳逊——莫雷”实验的基础上建立的。显然,科学理论促进了仪器的发展, 而仪器的发展,又反过来促进了科学理论本身的进步。仪器的水平实际上决定了科学研究的水平,完全脱离现代科学仪器来搞科学研究,实际上寸步难行。  

仪器不仅是科学研究的技术支撑,还是高等学校人才培养的重要保障。大型、精密、贵重的仪器设备在科学研究和教学实践中发挥越来越关键的作用。中国科学家的工作能力是一流的, 然而中国科学家对现代科学原创性的重大贡献却很少, 中国本土科学家甚至还没有获得过诺贝尔奖。这可能与教育、文化、经费等很多因素有关,但其中一个重要的原因就是我们长期以来忽视工具研究与开发,认为买来的仪器设备要比自己研制的,性价比高。这种认识直接导致了难以及时发现科学研究中的问题,科学创新举步维艰。这种倾向在研究生的培养中也有很显著的体现,如我们研究生、博士生毕业的条件对是否发表论文有明确规定,但对新型科学仪器的研究与开发却没有任何关注。研究和开发新型科学仪器化的时间很多,风险很大但论文又很少。一般情况学生下不愿意做,老师也不选。对比国外和中国的研究生培养, 国外导师支持学生根据自己的想法设计仪器设备作博士论文,学校也不将论文发表与学生的学位挂钩,就使学生敢于选择一些风险较大但可能对科学技术和国民经济发展产生重大影响的学术问题进行探索;而现在,越来越多的国内著名的院士专家清楚地意识到仪器的掌握与创新对于研究生创新能力培养以及科学创新的重要性,例如,在对于生命科学这一极其依赖于仪器创新的学科中, 高校纷纷开设了科学仪器分析这一选修课;国家基金委专门设立了自然科学而基金科学仪器基础研究专款,专门用于资助新原理科学仪器的探索研制。这些改变对于仪器研发乃至科技创新都有着重要的意义。  

工欲善其事, 必先利其器  

《论语》的这句名言很好的印证了仪器在科学研究中的作用。新的科学研究成果和发现,如信息论、控制论、系统工程理论,微观和宏观世界研究成果及大量高新技术如微弱信号提取技术, 计算机软、硬件技术、网络技术、激光技术、超导技术、纳米技术等均成为促进仪器仪表和测量控制科学技术发展的重要动力, 现代仪器仪表不仅单独成为高技术新产品, 而且集成新原理、新概念、新技术、新材料和新工艺等最新科技术成果的综合装置和系统层出不穷。科学技术的发展,决定了科学仪器和设备的水平,反之科学仪器和设备的进步也推动了科学技术的不断发展和创新。当今, 科学仪器和设备的水平在一定程度上就决定了科学技术的发展和创新的水平。科学仪器和设备是社会的科研能力的重要组成部分,既是一个国家科学大厦的物质支柱, 也是一个国家科学技术水平的主要标志。各种现代传感器和检测仪器在物理、化学、生物、医疗等领域的应用也越来越广泛,借助于仪器, 人类感知能力的敏感程度得到了提高,感受方式得到了延伸。发明更加灵敏、更加精确的科学仪器, 成为科学研究工作中的重要部分和支撑经济社会发展和安全的重要手段。  

自主仪器创新 开拓科学疆土  

科学仪器设备是科技创新和经济社会发展的基石和重要保障,一流的科学研究往往离不开一流的科学仪器。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》明确提出要“重视科学仪器与设备对科学研究的作用,加强科学仪器设备及检测技术的自主研究开发”。当前是我国推进科学仪器自主创新的重大机遇期:国家领导人高度重视科学仪器研究开发工作;现实需求要求我国加强科学仪器自主研发;我国已具备大力推进科学仪器自主创新的基本条件,在政策、关键共性技术储备、人才队伍等方面已有基础。  

仪器的研制通常涉及多个学科,如最原始的显微镜涉及光学和机械学科;带图像处理功能的显微镜,也综合了电子技术、材料科学、计算机和数学等领域知识。所以一个现代仪器的开发,通常是一个多学科研究人员的联合行为。这也是科学仪器的研究与开发需要国家设立重大科研仪器设备研制和开发专项来支持的重要原因之一。  

仪器的研究,既需要善于将不同多学科知识融会贯通的大师,产生智慧的火花,同时也需要能工巧匠的工程师、技师,将想法变成现实;新仪器的开发,可能需要较长期的支持,但更需要巧妙的构思,解决研制的关键问题。仪器相关的研究一个重要特点是,不能只停留在理论分析和仿真阶段,还需要研制出样机。一台仪器的系统研制既需要软件调试,也需要硬件设计、加工等。特别是一些涉及生命科学的仪器,不仅涉及多个学科,也需要几代人的努力。如人工心脏的研究涉及到机械、电子、流体、控制、心脏外科、材料等多个学科。虽然早在1953年Gibbon在临床上成功地应用人工心肺机进行心内直视手术,但是到目前为止,人工心脏仍然有血栓、血液破坏等关键问题尚未解决,也只是在美国和欧洲等少数几个国家有成功临床应用的报道。所以仪器学科及其相关研究通常都需要更多的学者,及必要的研发与制造设备。  

在对科学研究评价方面,新型的科学仪器样机的开发为相关研究提供了支撑,它与以新发现、新理论为基础发表研究论文具有同样甚至更高的科学和社会价值。当前,我国科学发展已进入到由量变到质变的关键时期,科研仪器设备研制水平成为制约我国基础研究国际地位的重要环节。在这种情况下,对不同学科的研究人员,建立适应于各自学科特点的研究评价机制,对科学仪器的研究与发展将会有重要的促进作用。  

重构教学模式 改进仪器设备  

仪器科学的性质决定其注定是一个需要多学科广泛基础的学科。以前读本科时,感到仪器学科的学生上课的学时数,比同系的其他专业学生多很多。但到攻读博士学位时,发现还是不够用,需要自学一些跨度比较大的课程。从多年来的研究工作中,感到仪器类学生的培养,不仅需要更多宽泛的基础,同时还需要某一部分学科的精深。因为没有宽泛的基础,很难对仪器的设计有一个整体的把握;同时没有一个特定精深学科的知识,就无法锁定研究领域,提出要解决的问题。这就需要仪器科学类的学生选课既要广,光、机、电相关的知识都是必要的基础,同时还需要根据学生的兴趣对某一特定的领域重点学习。如对某种智能材料、物理,或化学原理进行系统学习。本科是打基础的关键时间,决定了学生以后的发展。在学制固定的条件下,对仪器科学专业的学生,可考虑侧重基础的教学模式。  

虽然计算机仿真研究实验对课堂教学内容的理解有重要的帮助作用,但作为一个仪器科学与技术专业的学生来说,这还远远不够。学生不能只会计算机仿真和使用现有仪器设备,还能根据需要自己设计与研发科研仪器。所以仪器科学学科的学生,不仅要求有较宽的理论知识面,还要求具有较强的动手实践能力,在力所能及的范围内,自己研制一些简单的机构和测试电路等。  

新型仪器研制中涉及到一些内容,并不一定在教师自己熟悉的领域。使用新型的仪器,可以发现新的现象。所以一个研究小组能否不断有新的成果,必须注意研究生独立工作和分析问题能力的培养。鼓励学生有不同的想法,只要小组讨论中想法不被否定,就给学生机会去验证想法。引导学生用事实说话,用从公开发表的文献,或实验结果,通过逻辑分析来支持自己的论点。  

每个同学都有自己的兴趣和特长。教师培养学生的一个重要任务,就是要协助学生将自己的闪光点找出来。仪器学科涉及的面很宽,对不同专业背景、兴趣与特长不同的学生,总是能有适合不同学生的研究任务。对教师来说:应保证让每个学生积极参与到具体的研究课题中,以锻炼其理论与实践相结合的能力,并根据同学的研究进展,及时调整研究内容,使同学能在不断地成功中,培养自信心,培养一种对未来工作的热情。  

学者小传  

杨明,上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学系教授、博士生导师。1990年在西安交通大学电磁测量与仪表专业获硕士学位,1996年在天津大学精密机械及仪器专业获博士学位,1996年到1998年在南京航空航天大学超声电机研究中心做博士后研究。作为Research Fellow, 2002年到2005年在英国利兹大学从事应用于人工心脏肌肉超声器件研究。  

2005年回国工作以来,主要从事精密医疗仪器、超声电机及检测技术等方面的研究工作。具体有:(1)针对现有搏动式人工心脏尺寸较大、较重,不易植入的问题,探索研究超声致动人工心脏辅助。研制出具有以接近人体心跳频率的搏动,运转稳定、低噪声、不受电磁干扰影响、尺寸更小的搏动式人工心脏血泵原理样机。在体外模拟循环测试中,研制的人工心脏原理样机可达到临床心室辅助的生理要求。目前正在进行相关动物模型的实验研究;(2)针对超声电机输出功率较小的问题,研究超声电机的功率提升技术。在矩形板超声电机上,利用双频驱动技术实现超声电机输出特性的大幅度提高;(3)针对与血液接触人工心脏血泵的血栓非血接触直接心室辅助,研制出气动的直接心室辅助装置的原理样机。在这些研究中,已授权中国发明专利12件,获得国家自然科学基金资助4项(其中一项为国家自然科学基金科学仪器基础研究专款),上海市浦江计划人才项目1项,高技术863项目1项。

文章录入:zgkjcx    责任编辑:zgkjcx 
  • 上一篇文章:

  • 下一篇文章:
  • 关于我们 | 加入收藏 | 联系我们 | 设为首页 | 广告说明 | 合作项目

    主办单位名称:科技创新网

    备案序号:京ICP备06031925号

    版权所有 未经授权禁止复制或建立镜像 E-Mail:zgkjcx08@126.com