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Tsinghua Biomedical Micro-system Lab

Intro block Pioneer in Liquid Metal Research

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Introduction to the laboratory

医学微系统技术实验室成立于2008年7月,由清华大学百人计划引进学者刘静教授创立。

   实验室主要从事热科学与医学生物技术、信息技术及微/纳米技术等领域的交叉科学问题探索,力求基础与应用研究并重。近年来高端肿瘤微创治疗装备、手机医疗、先进芯片冷却技术、微/纳米热学与流体器件的发明和研制以及高/低温生物传热传质学基础研究等方面取得了一批国内外领先的原创性成果,并培养出一批优秀的青年科技人才。同时自2006年起,实验室每年于春季学期开设面向全校同学的《微/纳米生物医学技术与仪器》选修课程。

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生物医学中的基础热物理问题研究

纳米冷冻手术突破了传统低温医学技术的治疗极限。研究表明,当将一定量特定功能的纳米颗粒溶液添加到目标组织后,可以有选择性地显著提升该处的降温速率及强度,从而大大扩展常规冷冻探针的消融范围。特别是,由于纳米颗粒的加载,目标组织内冰晶的成核几率及结冰量会得以显著增强,从而对肿瘤细胞造成更为彻底的杀灭。而且,通过引入特定纳米颗粒,还可使得冷冻治疗过程中的冰球生长过程更易于通过医学影像设备监测出来,从而引导实现更为精确的肿瘤靶向治疗。根据需要,也可利用纳米颗粒携带抗肿瘤药物进入目标肿瘤,再结合低温手段对病变细胞造成多重杀伤。由于纳米颗粒的添加十分简便,因而能以一种相对易于实施的方式调控冷冻过程中冰球的生长方向、形状和大小,这对于实现精确化、绿色化及适形化肿瘤消融具有十分关键的意义。

近期,研究组在为肿瘤纳米治疗技术寻找毒副作用小、生物相容性好的纳米材料方面取得了新的进展。他们提出了基于可生物降解镁基纳米材料的肿瘤冷、热治疗方法,系列论文发表于纳米医学领域知名期刊:Nanomedicine。

临床优势

建立了刻画生物体复杂扩散过程的理论模型,研究了双稳态和激发态系统扩散过程动力学机制,特别研究了心电信号传输机理,揭示组织各向异性诱导的心电破碎机理。在此基础上,更首次推导出双稳态反应扩散系统中的各向异性扩散作用。

在该研究中,美国物理学会杂志编辑特别从美学角度将其中一幅数值模拟图纳入万花筒图片专题(PRE Kaleidoscope Images)。美国物理学会网站主页同时以主题为“各向异性斑图(Anisotropy Patterns)”的图片新闻进行了报道,认为论文中关于物质各向异性的研究对认识心脏搏动以及化学反应中的波传播等物理现象的机理非常有用。

为生物传热方程的数值求解发展了多种计算方法:如双倒易边界法,蒙特卡洛法,交替方向有限差分方法,自适应网格的边界热源法。上述算法,不仅计算精度高、计算效率高,同时为生物传热方程的推广应用奠定了坚实的基础。

 

基于生物传热学及红外热成像技术,紧密围绕着骨关节炎早期辅助诊断、预防筛查乃至关节功能康复引导和评估的重大临床需求,建立了一种高效、经济、易于推广的关节功能康复治疗的红外影像技术,发展出在骨关节病临床诊断、治疗上高效率、高可靠、低成本、易普及的热医学影像辅助诊断平台及规范。

红外热诊断技术还被应用于肿瘤的早期筛查、甲状腺疾病诊断、颈动脉粥样硬化斑块的辅助诊断、植入式医疗器械工作状态评估等领域,并可在激光辅助作用下进行体表血液流速测量。

该方法可确保只在目标部位释放高强度热量(组织温度最高可达200°C以上),而对周边组织则无明显加热及机械创伤,且毒副作用较小,这是许多传统热疗设备很难作到的。系列离体及在体动物试验,证实了新方法的可行性。



基于酸碱中和反应,构建了新型的微创热疗模式。生物酸和生物碱互相混合,发生中和反应释放出大量的热量,从而实现对靶向病灶的热损伤。该方法具有优异的适形化功能。

面向健康管理的普惠型医疗技术

基于蓝牙及手机平台的普适性体温无线监测及报警装置,可用于临床及日常生活中人体温度的长期监测及温度异常报警,在医学实践与日常生活中具有重要意义。

基于手机的人体心电信号无线检测装置,可应用于运动状态下心电监测、睡眠心电记录、不同生活习惯及心理状态下的心电信号捕捉,由此引申出广阔的普适医疗前景,并代表未来低成本医疗的一种重大发展方向。

基于蓝牙及手机平台的步态无线监测及报警装置,实现了足底压力数据的实时监测、无线传输及数据管理,可为足疾的功能康复、疗效评定和手术后效果鉴定提供客观评价,具有临床及日常实用价值。

基于蓝牙及手机平台的睡眠障碍声学监测与报警技术,采取鼾声作为分析依据,作为一种普及型低成本解决方法,具有无干扰、易操作、无须看护等特点,在很大程度上简化了多导睡眠监测程序,对日常生活中的普及型监护有独特价值。

手机医学图像与无线显微成像技术,成本低、易获取,是小型化和简化传统影像仪器的完美选择。

血管介入式全身热疗肿瘤微创治疗系统

全身热疗是一类极具应用前景的肿瘤治疗方法,它通过升高体温至40~42℃来治疗已扩散全身的恶性肿瘤,该治疗原理具有坚实的临床医学基础,全球已有不同种类全身热疗设备上市,但使用现有设备机体达到理想治疗温度所需时间很长,且不易维持温度和控制加热时间。血管介入式全身热疗肿瘤微创治疗系统在加热效率上明显优于现有全身热疗设备;采用微创技术,可减轻病人痛苦,从而降低传统全身热疗手术的复杂程度和风险性。

方法原理

通过介入血管的微细加热天线对流经自身的血液直接进行加热,再借助于血液流动将热量迅速传至各部位组织,从而实现对周围血液及远区组织进行快速升温。

临床优势

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