心无旁骛做科研 科学注入“心”动力——记上海交通大学仪器科学与工程系教授杨明

吴应清

杨明

心脏是人体动力的源泉。其作为体内血液循环的核心，每一次跳动，都在为人体的新陈代谢注入新鲜的养分。如今，心脑血管疾病对人体的危害愈加严重，在中国14亿人口中，心血管疾病患者数量庞大，截至目前已达到3.3亿。除此之外，我国心脏病的发病率位居全球第一，并且死亡率持续上升。在这种社会形势下，加强对心血管疾病的研究与治疗辅助，意义重大。

众所周知，心脏移植是治疗终末期心衰患者的最有效手段之一。然而，因为供心紧缺加之治疗价格昂贵，不少终末期心衰患者未能真正等到供心到位的那一刻。而这时人工辅助心脏便成为大多数人的选择。上海交通大学仪器科学与工程系教授杨明主要的研究领域就集中在机械循环支持的研究与开发，如人工心脏辅助的研发等。一辈子专注于一件事，在心脏病治疗器械的研究中，杨明找到了引领其不懈奋斗的初心与理想，并在这项事业中一步步实现着人生的价值。

与医工交叉结缘

生于20世纪60年代，虽然当时的社会经济不是很发达，但是杨明的父母很重视对孩子的教育。当时，高中毕业后的杨明，对新事物表达了强烈的好奇心，特别是对光学机电及计算机集成技术，展现了浓厚的兴趣。等到高考时，杨明的父母选择尊重他的意见，让他根据自己的兴趣，选择自己喜欢的专业。兴趣是最好的老师，杨明相继考入东北重型机械学院（现燕山大学）检测技术专业、西安交通大学电磁测量专业和天津大学精密仪器及机械专业，完成本科、硕士和博士阶段的学习，并在博士阶段，迎来了自己人生的转折点。

在这一阶段，杨明在导师的引导下，选择大胆走出舒适圈，在超声电机领域开展全新的科研探索。勇敢跨领域研究，虽然让杨明经历了一系列的困难与坎坷，但是却给了他更多尝试新事物的勇气与决心。“在此之前，可能我不那么敢于迈出脚步来做一些事情，如果没有那个过程的话，也许自己就会被限制在过去知识的小圈子里了。”杨明说。

在此之后，杨明探索的脚步仍未停歇。1998年，他结束了在南京航空航天大学超声电机研究中心的博士后研究工作，并通过这一阶段的积累学习，在超声电机结构设计、超声电机实时检测与控制技术、基于超声电机的主动检测技术、超声电源等方面研究中积累了丰富的经验。

为了能够接触到更多科学前沿研究，2002年，杨明开始在英国利兹大学从事应用于人工心脏肌肉的超声器件研究，致力于通过自己的研究工作，为心脏病患者开辟一条康复通道。“一开始我并没有准备做医学相关的研究工作，现在做医工交叉研究，也许是冥冥中的缘分吧。”杨明说。多年来，他在不同的科研环境中，心无旁骛地开展研究工作，为他今后投身相关领域研究奠定了坚实的基础。

人工心脏打通患者康复之路

撇去浮躁、甘于寂寞，是杨明从事科学研究一直坚守的心态。在杨明看来，从事科学研究一直面临着两个选择。“科学家可以选用以往比较成熟的技术开展研究工作，所借鉴的东西也就更多。而独辟蹊径、开发更加新颖的技术应用在相关研究领域并解决问题，就需要攻克底部以及后端的技术问题。”他说。而后者更需要科学家有强大的恒心与毅力进行科研攻关。

脚踏实地，静心科研。近几年来，通过对相关领域进行研究探索，杨明团队发现：压电超声电机输出转速与人体自然心率工作范围一致，但是一般商业化压电超声电机主要应用于精密光学仪器设计，并不适合心室辅助的场景，有大量的技术问题需要克服。只要攻克相关的科研问题，新型的压电超声动作原理可望解决电磁原理对人工血液循环支持的限制。为了能够通过科学研究的力量真正为心脏病患者带来康复的希望，杨明和研究团队展开了一系列全新的科研尝试。

为了克服目前电磁力驱动人工心脏存在的限制，杨明团队在国家自然科学基金、国家科技部“863计划”、上海市科委等的资助下，将新型动作原理和仿生机构设计应用在体外模拟中，研制出了两种可用于心功能恢复治疗的新型人工心脏辅助装置原理样机，目前已实现在全心动周期模拟自然心脏内血流，并可与自然心脏精密同步，与核磁共振兼容，与最新商业化人工心脏尺寸相近。这些技术不仅可以大幅降低现有人工心脏对血液的损伤，避免人工心脏与自体心脏不匹配导致的并发症，同时还能增加心功能恢复的机会。

长期以来，人工心脏被誉为“医疗器械皇冠上的宝石”，其主要功能是利用生物机械手段部分或全部替代心脏泵血功能，维持患者的血液循环，是治疗终末期或重症心衰患者的有效治疗手段，也是代替心脏移植的唯一有效治疗手段。但是植入人工心脏后相关并发症的问题，一直困扰着其相关功能和效用。

在这一背景下，杨明团队成功研制出了人工心脏血泵功能样机，其外形尺寸和目前国际上最新磁悬浮离心血泵尺寸相当;血泵出入口具有类似左心室流入道和流出道的仿生结构，在仿心动周期作用下能模拟出自然左心室完整搏动周期内的漩涡流场。在后载荷100mmHg的条件下，可输出每分钟3L的血流量;在体外模拟循环装置中，利用来自模拟心脏的同步触发信号实现了在模拟心室舒张期的精准相位反搏泵血。

使用这款人工心脏血泵的优势在于，如果患者心功能恢复满足撤出血泵条件，就可避免心脏移植;如果无法得到供体移植，也不能满足撤出血泵的条件，那么血泵长寿命工作和较少的并发症，也可以保证患者有较高的生存质量和较轻的医疗负担。“这样，人工心脏可望更好地服务于心衰患者的治疗需要。”杨明解释道。

培养交叉学科人才

科学研究往往要付诸实践才能真正将理论与应用的环节打通。特别是对工科研究而言，一切科研想法都要通过实验进行证实，而这时候就需要交叉学科的力量。“特别是超声电机领域的相关研究涉及机械结构、摩擦材料及检测等方面的知识，更需要集合不同专业学科的相关人才协同攻关，仅仅靠一个人是做不来的。”杨明说。在他看来，如果科研团队对某一个领域有欠缺，可能阻碍整体研究的推进，甚至没有能力将其继续下去。

一路走来，杨明十分感谢和自己一起共同开拓创新的科研人员，而作为团队的带头人，杨明也希望能够培养出更多交叉学科的科研人才。“虽然对本科生找工作而言，更需要专业化的培养。但是对研究来说，仍旧非常需要多学科知识的交叉，只有这样才能走出固有知识的框架，更好地将相关技术推向应用。”杨明说。

除此之外，杨明还认为：对学生科研兴趣及独立思考能力的培养至关重要。在他看来，每位学生的天赋差异是很大的，这时候就需要老师在更多的场合下帮助自己的学生找到闪光点，激发他们的科研潜能。“老师要根据学生的特长因材施教，在科研任务的设置上也要根据每位学生的优势进行合理安排，这样才能最大限度发挥他们的科研潜能。”杨明说。而只要自己的学生走向社会或者科研岗位，能够最大限度发挥自己的能力，为社会为国家作出自己的贡献，便是他最为欣慰的事情。

科学创新讲究水到渠成。二十余载春夏秋冬，杨明倾注了一腔心血和精力，未来他还将与研究团队投身在心脏辅助装置研究中，从底层研究的角度出发，研究人工心脏辅助装置与血液的内在规律，更好地用科学研究为我国的心脏病患者带去福音。一辈子研究一颗“心”，在这条研究道路上，杨明甘之如饴。