【2019工博会】复旦大学他得安团队研制骨超声诊疗仪

作者:何叶摄影:杨泽璇 视频: 来源:新闻文化网发布时间:2019-09-19

骨质疏松是一种全身性骨骼疾病,在全球有超过2亿患者。由于骨质疏松极易诱发骨折,患者常常面临伤残甚至死亡的威胁。传统的骨质疏松诊断,采用双能X射线,设备庞大且具有辐射,导致骨质疏松的筛查难以推广。

由复旦大学信息科学与工程学院、工程与应用技术研究院教授他得安团队研制的“骨超声诊疗仪”打破了这一困境。作为国际上首创的采用超声背散射法的骨超声诊断系统,这款诊疗仪具有无电离辐射、安全、便携、成本低等优势,尤其适用于孕妇及新生儿等电离辐射不宜人群,以及体检机构、社区医院、康复中心、乡村医院等医疗机构,具有广泛的经济和社会效益。这一成果亮相2019年中国国际工业博览会。

全面反映骨质状况,治疗身体多个部位:

超声背散射法和低强度脉冲超声技术成两大“制胜法宝”

他得安团队对骨超声方面的研究始于2003年,经历15年的科研探索,这台集骨质诊断与治疗于一体的骨超声诊疗仪最终面世。基于超声背散射法的诊断方法,与基于低强度脉冲超声技术的治疗方法,是这台诊疗仪不同以往的两大“制胜法宝”。
透射法、背散射法、超声轴向传播法(包括第一到达波法和超声导波法)是骨质疏松诊断的三种主要超声检测方法。传统的超声骨密度仪器皆基于超声透射法或第一到达波法,而他得安团队研发的仪器却独辟蹊径地采用了超声背散射法,其中原因,在于这一检测方法具有一项独到优势——只需使用一个超声换能器。

传统的骨密度仪,无论是基于超声透射法还是第一到达波法,都需要使用两个超声换能器。这一客观限制不仅增加了成本,也限制了仪器能够检测的部位。例如,超声透射法要求两个超声换能器必须平行相对,因此通常只可用于测量根骨部位。

采用超声背散射法的骨质疏松诊断仪器则不再受此限制。“仪器产生的高压电信号经过超声换能器转换为超声波,经过人体软组织和皮质骨,到达松质骨。”他得安解释其中原理:“松质骨的微结构会将超声信号背向散射回来,再由同一个超声换能器接收,转换为电信号。”因此,采用超声背散射法的诊断仪就能够仅用一个超声换能器测量桡骨、胫骨、腰椎等多种骨骼部位。同时,超声背散射信号中包含了松质骨的结构和材料等信息,使得该方法能够更全面地反映骨质状况。

新方法必然伴随着新难题。如何提取与传统方法相比更为微弱的信号,如何从信号中提取有效的特征值,是困扰他得安团队的两项挑战。基于多年的理论、方法和实验基础,他们找到了解决方案。团队采用了超声编码激励的方法,在发射端采用编码激励信号,在接收端采用解码滤波器,大大提升了信号的信噪比;团队又采用了神经网络和深度学习的方法,通过在医院中采集近6000例病例,从大量的数据样本中学习出与骨密度相关性最高的特征参数,对仪器进行完善。

此外,传统的骨质疏松治疗方法也伴有诸多弊端:药物治疗的疗效不稳定,通常具有全身性,因而副作用较大;运动疗法的效果微弱且风险较大;全身性震动疗法无法治疗局部骨流失,且设备复杂,治疗效果也不稳定。

对此,他得安团队的应对,是选择全新的治疗方法——低强度脉冲超声技术。这是一种安全、舒适、无副作用的手段,并且能够用于局部治疗。通过大量的细胞实验、300多只大鼠实验和120只新西兰兔的实验,课题组找到了最佳的超声频率、强度以及治疗时长,研制出的仪器能够给出8路超声波输出,同时治疗身体的多个部位。

扩大适宜人群与场所,设备便携成本低:

科研成果正转化创更广泛经济、社会效益

骨超声诊疗仪已获8项国家专利授权,包括2项发明专利与6项实用新型专利,并获得了2019年第47届日内瓦国际发明“金奖”、2018年第20届中国国际高新技术成果交易会“优秀产品奖”、2017年教育部科学技术进步二等奖,以及2013年第25届上海市优秀发明选拔赛优秀发明金奖等奖项

“我们正在进行科研成果的转化。”如他得安所言,累累的专利与奖项并非终点,创造更广泛的经济和社会效益,才是团队一直努力的方向。

胎儿在成长过程中需要补充大量的钙,如果孕妇摄入钙不够多,自身就容易患上骨质疏松,这使得孕妇成为了骨质疏松检测的需求群体之一。传统的骨质疏松诊断采用双能X射线,具有辐射,并不适宜孕妇及新生儿等人群,而他得安团队发明的诊疗仪采用超声背散射法对骨质进行评价,无电离辐射,恰好解决了这一困境。据悉,由团队研发的这款诊疗仪适用于孕妇等人群,应用范围包括骨质状况的普查、新生儿骨营养、孕妇钙质检测及骨质疏松症的初步筛查,以及骨质疏松及骨折等病患的治疗。

相比于同类产品,这款诊疗一体机还具有更便携,成本更低的特点。该产品体积小、重量轻,使得骨质疏松的筛查和治疗更易推广。目前,该仪器已经在复旦大学附属中山医院、华山医院、儿科医院,长宁妇保医院、加拿大Alberta大学医院等5家医院试用,建立了近6000例骨质疏松诊断数据库,效果良好。

这一产品“集骨质疏松的诊断和治疗于一体,并且使用非常方便”,他得安团队对诊疗仪的市场前景非常看好。据介绍,该产品操作门槛不高,只需操作者在仪器界面上输入患者年龄、身高、体重、病史等信息,在探头上涂抹耦合剂,贴于患者脚踝等部位,点击测量即可,因此该仪器不仅可以在各大医院推广使用,而且能够在体检机构、社区医院、康复中心、乡村医院等所有医疗机构推广使用,为不同人群提供便利。

(封面制图:顾金)

制图:实习编辑:责任编辑:

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