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清华SIGS以实际行动书写“科研战疫” 2020-03-08 |

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科技是战胜疫情的硬核“武器”。3月2日,习近平总书记考察调研清华大学新冠肺炎防控科研攻关工作时强调,要把新冠肺炎防控科研攻关作为一项重大而紧迫的任务,综合多学科力量,统一领导、协同推进,在坚持科学性、确保安全性的基础上加快研发进度,尽快攻克疫情防控的重点难点问题,为打赢疫情防控人民战争、总体战、阻击战提供强大科技支撑。

疫情发生以来,清华大学深圳国际研究生院快速响应,主动作为,周密部署,用实际行动表达了投身“科研战疫”的意愿和决心。

“AI+大数据”助力深圳市南山区防控疫情科学复工

马兆远课题组与马岚课题组合作在新冠疫情爆发后公布了基于AI技术对全国疫情扩散情况及高峰期预测模型,其结果与国家卫计委公布的疫情实时数据高度吻合,平均准确率达98%以上;在疫情高峰期、拐点出现时间及总感染人数三个方面的预判也与钟南山院士的判断互相印证。在此基础上,课题组不断根据最新的数据变化调整参数、优化拟合结果。目前,课题组已配合深圳市南山区根据深圳当地返城复工规划、复工人员输出地来源、所从事行业、各企业用工场所聚集程度等综合因素,进行AI技术精准测算建模,协助当地政府精准、科学施策,推进在深企业人员进行有序复工,开辟社会经济复苏的抗疫“第二战场”。

深圳市“AI大数据复工指导试验”初见成效,未来一段时间内,课题组将结合北京乃至全国情况,提供更为全面、更为精准的疫情走向分析与科学有效的复工指导建议。

超声焊接技术助推防疫物资高质高速生产

口罩、医用防护服等医疗物资生产设备及技术是解决抗疫物资紧缺问题的核心驱动力,而在口罩的生产过程中,超声焊接技术是口罩缝制过程中的关键工艺,是助力医疗物资企业加速生产的核心突破口。面向防疫需求,深圳国际研究生院智能制造团队充分发挥制造领域技术优势,为医疗物资企业提供制造技术方案及服务。智能制造与精密加工实验室主要从事超声辅助精密加工技术与装备等研究,并致力于超声技术系列产品的研发及生产制造,已有十余年技术沉淀。面对疫情防控,团队高度重视,迅速行动,第一时间成立了超声焊接技术攻关小组,专注于为合作伙伴提供口罩等超声焊接技术、超声焊接系统设计解决方案等产品及服务。

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超声焊接核心零部件制造

超声焊接技术攻关小组不仅为合作企业提供免费的咨询服务,解决“超声焊接技术怎么用、怎么用好、怎么不出问题”等具体技术问题,团队还成功开发了自主知识产权的超声焊接核心零部件。在设备制作过程中,冯平法教授团队专注于超声焊接工艺及核心零部件制造,王晓浩教授团队专攻超声电源控制。在校企产学研合作的推动下,目前第一套样机已在校外合作企业完成测试。

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超声焊接的核心部件与控制器


研发可重复消毒使用口罩的纳米纤维过滤膜材料助力疫情防控

在抗击疫情的战斗中,口罩作为最重要的防护用品在市场上供不应求。医护人员和普通民众日常使用的一次性医用口罩、医用外科口罩和医用防护口罩均采用荷电的PP熔喷滤纤维作为有效过滤层,在蒸煮消毒之后,静电被消除导致防护作用劣化,无法实现重复使用。在这一关键时刻,对高性能口罩的要求凸显出来。

深圳国际研究生院李勃研究员团队与清华大学材料学院伍晖副教授团队近年来一直在合作开发纳米纤维类材料,并在研究中发现纳米纤维膜具有良好的过滤性能。在抗击新型冠状病毒肺炎疫情的战斗中,该团队紧急启动了用于口罩中间过滤层材料的纳米纤维膜的二次开发。通过实验发现,基于气纺纳米纤维超细的直径和高的纤维密度可以实现非静电方式的物理过滤,具有高的过滤效率和低的气阻,可以满足一次性医用口罩、医用外科口罩和医用防护口罩的技术要求,同时重复蒸气消毒后仍能维持高的过滤效率和低的气阻,可以满足民众在口罩短缺情况下的应急重复使用需求。目前,相关材料已经加快第三方检测工作,争取早日提供市场需要的材料产品。

安全科技助力城市疫情防控

清华大学公共安全研究院广东分院王飞副教授团队依托智慧安全佛山一期项目的平台功能和数据基础,快速研发佛山市肺炎疫情实时态势管理系统,全面归集市疫情信息,实时汇聚各类疫情防控措施落实情况、救治情况、防疫物资情况、舆论观点情况等防疫工作数据,形成“防疫一张图”,系统在佛山市防疫工作指挥部和城市安全运行监测中心上线运行。团队借助研究院在城市安全领域积累的科研成果,通过空间信息技术、大数据分析技术、风险评估技术为疫情综合分析、研判和决策提供及时的动态信息,为疫情防控工作的科学防治和精准施策提供辅助支撑。

研制全自动血涂片显微成像仪

深圳国际研究生院何永红课题组研制了全自动血涂片显微成像仪,可以对血细胞显微结构成像、分类、计数进行分析,利用成像仪对血涂片细胞形态显微图像进行全自动化的大量采集,利用神经网络算法对这些高清图像进行半监督学习,进而识别新型肺炎血细胞的特征,用于辅助诊断。

为了尽快将该项技术应用于新冠肺炎的临床诊断,研发人员与合作者已组织了临床实验,成像仪被应用于新型肺炎患者血涂片检测并发现了“吞噬细胞变大、淋巴细胞减少、 破裂细胞增多” 异常变化,为新型肺炎快速诊断提供了重要线索。

课题组通过优化神经网络进一步大量学习肺炎病人血细胞图像,形成一套成熟的新型冠状病毒肺炎血细胞显微形态学智能分析快速诊断系统。目前课题组正在加快研发,进展顺利,有望尽快应用于疫情防控一线。

偏振光学检测方法助力中医药研究抗击疫情

深圳市第三人民医院在抗击新型冠状病毒肺炎过程中,在广东省2003年防治“非典”的著名方剂“防感汤”1号方和2号方的基础上,将结合中医临床辩证组方而成的“肺卫防感汤”加减制成的保健方在预防和改善患者症状方面发挥了作用,但其作用机制和有效成分尚不清楚。清华大学深圳国际研究生院生物医药与健康工程研究院马辉教授、何宏辉副研究员团队与深圳市坪山区人民医院张振宇博士团队开展合作,运用偏振光学检测方法助力中医药研究抗击疫情。

该合作团队尝试采用自主研发的非标记活体动态偏振检测技术,通过细胞和动物模型定量评估“肺卫防感汤”在抗2019新型冠状病毒过程中发挥的干预作用及机制,阐明“肺卫防感汤”的主要有效成分,并与黄石市中医院合作观察“肺卫防感汤”治疗新型冠状病毒肺炎的临床疗效。这一工作将为中国传统医药治疗新型冠状病毒肺炎提供新的方案和理论依据。

AI+5G超声辅助医生对新冠肺炎重症病人动态评估和治疗

新冠肺炎常规通过病史、CT等进行病情评估,但重症病房应用超声不便,还需要评估重症患者的心脏等多器官,然而操作者绝大多数不是专业超声医生,这为如何在治疗重症患者的过程中更好地发挥超声的作用提出了难题。深圳国际研究生院袁克虹团队与深圳华声医疗技术股份有限公司合作,用人工智能技术赋能5G超声设备,增添采集心肺关键标准切面的导航以及关键参数的自动测量等功能,辅助医生对重症病人进行动态评估和治疗。

袁克虹团队与深圳华声医疗技术股份有限公司1月中旬组成研发团队,在已有合作工作的基础上,针对新冠肺炎重症患者临床超声的迫切需求开展联合攻关,半个月就获得了较好的成果。该技术从2月初开始在武汉协和西院等多家医院使用,在一定程度上辅助了医生对重症患者进行疾病的动态评估和治疗指导。

目前该技术正由国家感染性疾病临床研究中心(深圳市第三人民医院)牵头开展进一步研究,将完善和改进现有功能,优化远程诊断流程,实现超声为医生治疗重症患者提供更智能、更可靠、更专业的帮助。

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2月8日武汉协和西院ICU病房的医生为新冠肺炎重症患者做身体扫查

研制强电场调控的病毒高效消杀装备

在控制新型冠状病毒的传播方面,切断其传播途径是最重要的手段。针对病毒可能污染的环境物体表面及应急医院废水等进行高效消毒意义重大。深圳国际研究生院能源电工研究所张若兵副研究员团队积极拓展开发基于强场调控的致病微生物消杀关键技术,已初步研制出用于热敏性固体材料表面消毒的高活性宽幅等离子体便携式消杀装备及强脉冲电场调控的医疗废液灭活装备,有助于解决致病微生物消杀装备等资源短缺问题,为疫区医院防疫、含病毒医疗废水高效消毒提供强化消毒装备。

目前,团队正在对系统深入优化,并积极联合深圳大学总医院等合作团队着手开展后续效果评价工作,争取尽早推向应用,助力抗疫工作。

除了在抗击疫情中发挥作用以外,宽幅等离子体射流阵列和强脉冲电场技术在新一代精准医疗装备、热敏性材料封装和智能制造等领域也将发挥重要作用。

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等离子体射流阵列(左)及强脉冲电场电源(右)

研发基于微流控芯片技术的便携式核酸快检系统

快速准确地对疑似病例进行病原检测有助于确诊病例,尽早切断传染源,隔离疑似人员,是控制疫情蔓延的重要前提。深圳国际研究生院弥胜利副研究员团队与深圳市华迈生物医疗科技有限公司合作,在前期微流控芯片工作成果的基础上快速响应,积极申报新型冠状病毒感染应急防治专项,开展基于微流控芯片技术的便携式核酸快检系统研究的科研攻关任务,致力于研发并建立一种低消耗、低成本、高通量、自动化操作的微流控芯片及其检测方法。

该微流控芯片技术可以大大缩短确诊时间,减少人力的投入,以便于医护人员更加有序和高效地开展防控工作;同时,该技术还可作为核酸检测的通用技术,在未来广泛地应用于多种疾病的检测和预防。目前,样机的主要模块已搭建完成,后期将完成软硬件联调,准备申请医疗注册证。

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团队开发的微流控芯片示意图

核酸单分子荧光图像测序智能检测技术研究助力疫情防控

深圳国际研究生院张盛副教授团队在已开展的核酸测序方面的专用图像传感元器件关键技术基础上,提出了“基于单分子荧光图像测序的冠状病毒核酸智能检测技术”重大攻关项目研究方案。课题组通过远程网络讨论与协作等多种方式,组织了相关学科的专家多次进行技术研讨,并与深圳市行业内的权威机构合作,在两周内快速进行原理论证,形成技术方案,完成智能检测装置的原型结构设计及前期研究准备工作。

项目致力于开发具有核酸智能检测能力的低成本嵌入式物联网设备,为公共卫生防疫事业提供更加有力、且具备“提前生产、快速部署、分散检测”特点的新型核酸检测的解决方案,有望实现未来冠状病毒传染事件中基因序列的快速发布与潜在感染者的本地化核酸检测能力快速部署,帮助医护人员和民众在家庭或社区对感染或疑似患者进行现场筛查,减少潜在感染者的聚集与交叉感染,快速实现核酸检测层次的确诊检验与病症初筛,助力疫病防控和公共卫生领域战略科技力量的提高和储备。

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微流控结构局部放大示意图

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系统集成示意图

以智能化隔离系统与高通量非接触式病患筛查系统为“防疫天眼”

实施有效的隔离监测和大规模人群排查是预防疾病、遏抑疫情蔓延的有力措施。传统的检测手段需要面对面对人员挨个采集,不仅效率极低,而且存在安全隐患。近期,深圳国际研究生院王兴军教授团队研发出一套穿戴式智能化隔离监测系统和一套高通量非接触式大规模疑似病患筛查系统,有望有效解决这一问题。

“自动隔离监测系统”采用可贴身佩戴的体温传感器,轻巧方便,可以佩戴于额头或腋下等部位,可实时对体温进行采集。采集的数据通过网关或手机传至云服务平台进行数据整合和数据可视化,当出现数据不正常或出现被隔离者离开监测区域时,系统都会进行报警。对于在隔离期内生理数据正常的人员,可以在一定时间之内不用重复测量,避免重复检查。

“高通量非接触式大规模筛查设备”可以放置于火车站、地铁站、海关等人流密度较高的区域,利用红外热成像设备和可见光采集设备,搭配智能算法,可以实现在高人流密度区域同时对多人非接触式地、即时地采集体温和血氧数据,及时筛查出疑似患者,预防输入性病例。采集的数据将上传至云平台,用于进行公共卫生数据统计和数据交互。相关数据还能直接对接到卫生部门,方便进行后续的跟踪观测、诊断治疗。

上述两套系统可以为疫情隔离监测和大规模排查筛查提供全覆盖的服务,犹如“防疫天眼”。目前,产品正在加紧研发,希望能早日投入实际应用,助力抗击疫情。

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穿戴式实时体温采集设备佩戴示意图

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智能化隔离监测示意图

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高通量非接触式筛查识别系统使用示意图

研发新冠病毒检测试纸和试剂盒

病毒的快速、灵敏检测可以缩短疑似病例数量和病人隔离期,更短时间内筛查更多疑似病例,具有重要临床和公共卫生价值。核酸检测试剂盒检测耗时长、病毒RNA容易降解、难以检测小于100bp病毒片段,导致目前新冠病毒检测假阴性案例很多。清华-伯克利深圳学院(TBSI)助理教授秦培武团队将通过CRISPR反应、高灵敏光谱、单分子成像解决当前新冠检测面临的难题。

在以往工作的基础上,秦培武与罗彻斯特理工杜可教授合作开发基于Cas12a反应的DNA病毒检测方法,不扩增的条件下可以检测皮摩尔浓度非洲猪瘟病毒,成果已经被Biosensors and Bioelectronics接收。

针对新型冠状病毒检测,灵敏度、速度、高通量将是检测装置的主要设计指标。为此将整合光学灵敏度最高的单分子成像与信号放大最好的CRISPR酶反应,达到高灵敏、高通量、高特异新冠病毒检测,将CRISPR反应体系封装到载玻片作为检测试剂盒使用,加入病毒后产生的荧光信号可通过单分子显微镜采集。多个检测位点可以累计提高信噪比,crRNA阵列覆盖新冠病毒所有保守区将最大限度检测病毒提供的天然检测靶点。

本项目还将开发病毒检测试纸,将CRISPR反应系统溶解风干到试纸上。新冠病人咽拭子样品经核酸提取后先用试剂检测,信号可以目测或者利用高灵敏光谱检测,如果是阴性再进行试剂盒单分子检测,实现二级精准新冠病毒核酸检测。

头图:吴冰玉 

头图指导:温雪媛

编辑:黍离