信号接口研究

无限近距离张沕琳老师专访

人物简介：张沕琳老师是我系线路所新引进的老师。她于清华电子系获得本、硕学位，港科博士毕业后...

人物简介：

张沕琳老师是我系线路所新引进的老师。她于清华电子系获得本、硕学位，港科博士毕业后在宾尼法尼亚大学做博士后工作，于2016年入选中组部青年千人计划。研究领域主要为：

(1) 针对传感－脑－机接口应用的芯片设计及系统研发。包含低功耗、低噪声、双向闭环脑机接口芯片的设计与实现方法的研究、可植入式脑信号采集/刺激器的系统设计与实现方法的研究、可穿戴/可植入传感器/传感器网络系统的设计与实现方法的研究等；

(2) 超低功耗模数混合信号集成电路设计。包含超低电压工作条件下的超低功耗、低噪声模拟集成电路芯片、模数/数模转换电路芯片、数字信号处理芯片的设计与实现方法的研究；

(3) 基于偏振获取的图像传感器设计与图像增强技术研发。包含偏振信息获取方法的研究、全集成CMOS工艺下偏振图像传感器的设计与研发、基于偏振信息的图像增强技术研发等。

在一个阳光温暖的午后，我们与张老师约在罗姆楼四层进行了这次访谈。我们很好奇这样一位年轻有为的老师会给我们带给怎样的惊喜。她的研究在未来又会给我们的生活带来怎样的改变。以下为采访中的主要内容，与大家分享。

Q:我们了解到张老师您的主要研究方向是脑机接口这样一个前沿课题，您能简单地介绍一下脑机接口具体是做什么的吗？和我们电子系专业所学有什么关联呢？

A：首先，脑机接口是一个系统概念，其目标是通过使用人造设备联通大脑与硬件外设。更广义上，可以扩展到人机接口这个概念，通过人造设备联通人体与硬件外设。在实现这样一个系统的过程中，涉及到的知识点几乎触及电子系所有学科。在实现这个系统的过程中，需要设计可穿戴甚至可植入体内的接口神经信号的硬件设备，这就要用到电路与系统的相关理论；需要设计追踪人体运动或感知的传感网络，这就要涉及到网络协议的相关理论；设计硬件设备之间的通信的时候，需要考虑如何更有效地传输采集到的信号，或者要根据医疗信号的特殊性设计专用的、高效的、有隐私保障的通信协议等。不仅如此，对于采集到的神经信号、体感信号、运动信号，我们还需要做大量的信号处理、信号特征检测等，这里就会用到深度学习与模式识别等很多信息处理方面的技术知识。如果再继续拓展，最终要做出一个成型的、用户界面友好的产品，那么擅长编程的同学在这里就有了用武之地。“脑机接口”这个主题虽然听起来像生医的话题，但是实现起来大量用到的是我们电子系的技术。

第二点我想要说的是，无论是脑机接口还是人机接口，这是一个跨学科的交叉研究领域。其涉及到的知识体系主要来自于两部分：一部分是生物医疗行业相关的知识，另一部分是从生物体获取信息和进行信息交互的技术，而我们电子系人擅长的就是后一部分。我的研究主要关注的是脑机接口中神经信号的采集、通过人造手段对神经行为的干预、硬件平台上的神经信号特征提取、无损压缩等信号处理、以及整合人体体感运动等传感信号的系统集成。

脑机接口虽然是一个前沿学科，但是基于这个概念的应用可以追溯到上世纪五六十年代的人工耳蜗。所谓人工耳蜗，就是通过使用人为电信号干预听神经，重新为听障患者的大脑建立起有效的听觉。再比如心脏起搏器、人工眼球、人工义肢等等，都是脑机接口的典型应用。另外还可以通过植入设备，对患有特殊疾病的患者做长时间的跟踪监控，记录特定发病状态时的诊疗数据，这将为医生的高效诊断提供极大的帮助。

Q：宾大的科研条件也很好，您为什么选择回到国内，回到清华电子系呢？

A：因为这是我们自己的地盘，有家的感觉。在国外，虽然可以做得很优秀，但是华人仍然是少数派，族裔的影响是确实存在的。不是故土的地方，总感觉好像缺一点什么。更重要的是国内有着很好的机遇，我的专长是集成电路设计，去年国家已经把集成电路上升到国家战略产业的高度，在这样强势的国家推动的大潮下，作为一个集成电路人，我认为回来是更好的选择。还有很重要的一点，清华电子系是一个涵盖极广的大系，这里有几乎各个学科的专家。正如刚刚所讲的，我的研究方向脑机接口是一个跨度很大的课题，各方面专家云集的大系为实现这样一个研究目标提供了可能。比如现在光电所盛兴老师在研究植入式探头，线路所的窦老师在脑MRI信号处理方面积累颇丰，汪玉老师在类脑计算方面深耕多年，刘勇攀老师在传感网络方面硕果累累。而系里对这样的前沿交叉学科是很支持的，我相信在不远的未来一定能够实现“1+1＞2”的效果。

Q：张老师，那么脑机接口现在在行业内发展到了怎样的程度了呢？

A：脑机接口硬件研究方面，超低功耗植入式设备是很前沿的研究方向，很多高校及顶尖科研机构都在进行相关研究。得益于近些年来集成电路水平的提高，脑机接口的临床应用研究最近几年也开展得如火如荼。欧美在做的有直接由神经信号控制的人工假肢和很多基于脑机接口的神经类疾病新疗法的研究。另外，脑机接口是脑科学研究的重要工具。欧美的脑计划都已经开展了一段时间。目前，中国的脑科学计划也即将展开，这也将成为脑机接口发展的新契机。脑机接口的研究将改变我们人类对自身的认知，进而改变我们对很多疾病的认识。帕金森、抑郁症等很多目前没有有效医疗应对手段的疾病都将有可能由于我们的研究而被攻克。

Q：张老师，三字班即将面临推研，请问您这里博士生和硕士生的名额是怎样的？

A：作为青年千人计划引进的老师，我今年将有两个博士生的名额，硕士名额待定，需要等系里再安排。我认为，对于一个年轻人而言，聪明、努力和兴趣是决定其成就高低的关键，三者中具备两者就能达到上人水平。如果有幸三者皆备，那么前途不可限量。对于每一个能够考上清华电子系的同学，我丝毫不怀疑大家的聪明程度与努力程度，因此，我非常欢迎对我的研究方向有想法、有兴趣的同学加入我的实验室，一起开拓一个不可限量的未来。