《中国科学报》:新方法应用为健康加“骨”劲

作者:黄辛、何叶摄影: 视频: 来源:《中国科学报》2020年1月10日发布时间:2020-01-10

骨质疏松症的早筛早治能有效避免患者骨折致残威胁。然而,传统的骨质疏松诊断设备大且有辐射,导致骨质疏松筛查难以推广。日前,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。

据介绍,作为国际上首创的采用“超声背散射法”的骨超声诊断系统,“骨超声诊疗仪”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,在体检机构、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。

他得安介绍称,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。其团队研发的仪器因采用了“超声背散射法”,只需使用一个超声换能器,就能测量桡骨、胫骨、腰椎等多种骨骼部位。

“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仅用一个超声换能器,节省成本的同时便捷了测量。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。

不过,新方法也伴随着新难题。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;他们又采用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,针对传统的骨质疏松治疗方法疗效不稳定、副作用较大等弊端,他得安团队还引入低强度脉冲超声技术,作为新的治疗方法。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。

据了解,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”等奖项。

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

对于诊疗仪的市场前景,他非常乐观:“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。另外,这款诊疗一体机还具有更便携、成本更低的优势。”

据了解目前,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,已建立了近6000例骨质疏松诊断数据库,效果良好。

制图:实习编辑:责任编辑:

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