超声剪切波弹性成像关键技术及应用

1一、项目名称超声剪切波弹性成像关键技术及应用二、推荐单位意见医学超声既是临床疾病诊断的重要手段，也是医疗影像设备产业中的主要支柱。该项目针对肝硬化和乳腺癌早期无创诊断的重大需求和技术瓶颈，发明了基于超声波力学效应的超声剪切波弹性成像技术，实现了剪切波弹性成像理论创新、技术突破和仪器研制。核心技术与器件经过临床测试和转化，形成了具有自主知识产权的专用超声弹性成像以及融合弹性成像的高端超声影像产品，广泛用于临床诊断，取得了突出的经济效益和社会效益。该项目受到专家和行业的高度评价，是源于基础、技术创新开发和产业转化的链条式重大创新成果。该项目曾获得2015年度“广东省科学技术奖技术发明一等奖”和“中国科学院科技促进发展奖”。中国科学院决定推荐该项目申报2017年度国家技术发明奖。推荐该项目为国家技术发明奖二等奖。2三、项目简介项目属生物医学工程学领域。肝脏和乳腺疾病是危害数以亿计国民健康的重大公共卫生问题，尤其是肝硬化和乳腺癌会引起很高致死率，早期诊断是提高治愈率和改善预后的关键。医学超声是肝脏和乳腺重大疾病早期影像筛查的首选方法，但传统B超成像存在肝硬化检测敏感性差、乳腺癌检测特异性差的瓶颈。超声弹性成像利用超声波力学效应实现对人体组织生物力学参数的无创定量测量，是超声影像技术的重大革新，可以为肝硬化和乳腺癌等疾病的临床早期诊断提供关键依据。研发符合我国国情的新一代超声弹性成像技术和装备，推动新型医疗检测诊断技术的广泛应用，对创制高端医疗设备和提高我国重大疾病防治水平均具有重大意义。该项目在国家自然科学基金和科技支撑计划等支持下，历经八年攻关，率先在我国创建了具有完全自主知识产权的“超声剪切波弹性成像关键技术及应用体系”，取得主要技术发明点如下：1．发明了声辐射力诱导剪切波及定量超声弹性成像理论和方法，为成像设备研发提供理论基础和核心技术支持。首创基于时域有限差分法结合动量张量理论的生物组织中声辐射力计算方法，实现了对声辐射力诱导剪切波的精准控制；建立了基于剪切波传播速度的生物力学参数测量模型；发明了利用尺度不变特征点和希尔伯特变换的实时弹性成像方法，弹性模量测量精度可达±0.5kPa。2．研制了剪切波超声弹性成像专用核心部件和系列产品，实现了国内自主创新高端超声设备的跨越发展。发明了“声辐射力-成像”双模超声探头，研制了新型快速散热结构，解决了探头在产生声辐射力时温度高、寿命短的难题；发明了低频振荡复合超声探头，解决了振动源干扰回波信号的难题，测量深度达15cm；研制了基于外源式和内源式剪切波的超声弹性成像原理样机；自主研发了具有弹性成像功能的新型超声肝硬化检测仪和彩色超声成像仪两大系列产品。3．建立了利用超声弹性成像技术检测肝硬化和乳腺癌的方法和体系，为该类重大疾病的早期筛查和诊断开辟了新途径。通过产学研协同技术创新和推广应用，创建了基于超声弹性成像新技术的两种重大疾病早期筛查和诊断评估体系：面向中国人特征的肝硬化早期诊断标准和量化分级体系，及结合病变组织和其浸润边界硬度信息的乳腺癌判别体系，诊断准确率均达到90%以上。该项目成果获知识产权56项，其中PCT专利5项，发明专利36项，实用新型10项，外观设计3项，软件著作权2项；发表SCI论文30余篇；起草国家标准1项；获2015年广东省科学技术奖一等奖、2015和2016年中国专利优秀奖和2014年中国产学研合作创新成果奖；完成人获2013年国家杰出青年科学基金和2014年陈嘉庚青年科学奖。该项目产品取得国家三类医疗器械注册证、FDA和CE认证，被评为国家战略性创新产品；近3年累计销售约3800台，其中500余台进入三甲医院，出口1600余台，实现8.74亿元销售额和2.99亿元利润；在国内外1000余家医院推广应用，累计检查3000余万人次，诊断患者近20万人次。项目成果取得了显著的经济效益和社会效益，使我国高端医学超声设备步入世界前列。3四、客观评价（一）院士专家对项目成果的评价和验收意见1.深圳市医疗器械行业协会组织了专家对该项目成果的评估，其中①超声工程领域著名专家王威琪院士评价“该技术代表了我国近十多年来医学超声核心技术的重大突破，实现了医学超声由彩超向弹性超声的跨越，具有重大的技术价值和临床价值”。②超声仪器领域著名专家陈亚珠院士评价该项目“具有技术创新并研制了肝硬化检测仪器和乳腺弹性成像仪器”“这个技术创新是经历了近10年的攻关和临床反馈完善，含有突出的技术创新价值”。③中华医学会超声医学分会主任委员张运院士评价“该超声弹性成像技术在科研与临床进行了深入的测试和广泛使用，产品已先后在国内外上千家医院应用，为临床检测提供了具有重大创新而且管用的超声医学新工具，服务了广大患者，产生了显著的经济效益和社会效益”。2.本项目任务来源于国家自然科学基金仪器专项项目，结题评为“优秀”；也获得国家支撑计划、广东省中国科学院战略合作项目和深圳市科技研发资金重大产业技术攻关项目等课题支持，均已通过结题验收。（二）国际权威专家机构对该成果创新性和效果的评价1.法国科学研究中心声学专家PhilippeMarmottant教授、华盛顿大学高级首席工程师OlgeSapozhnikov教授、乌克兰基辅州立大学物理与数学系主任YaroslavA.Zhuk教授等分别在JASA等国际声学领域权威杂志上多次对该成果给予正面引证：计算声辐射力的方法很强大(Suchanapproachisverypowerful)，因为其能够处理任意声场中任意形状和尺度物体受到的声辐射力(whichareparticularlyusefulforthecomplexobstaclesshapes)。2.美国物理学联合会网站将利用超声辐射力操控的工作作为“亮点（ResearchHighlight）”推荐报道。3.2010年和2011年连续被邀请在IEEEInternationalUltrasonicSymposium国际超声大会上作口头报告，2012年被邀请在香港召开的中美联合声学会议Acoustics2012上做特邀报告。（三）项目成果通过了国际国内权威检测和认证，给予认可1.项目研制的超声弹性肝硬化检测仪（ET-CD系列）通过国家食品药品监督管理局湖北医疗器械质量监督检验中心检测，符合GB9706.1-2007和GB9706.9-2008的标准要求；先后取得国家医疗器械注册证(中国)和CE(欧盟)认证。2.项目研制的高端彩色超声成像仪（DC-8及其升级系列）通过国家食品药品监督管理局湖北医疗器械质量监督检验中心检测，符合GB9706.1-2007、GB9706.9-2008和GB9706.15-2008的标准要求；先后取得国家医疗器械注册证(中国)、FDA(美国)和CE(欧盟)认证。（四）临床推广应用与用户评价报告1.超声弹性肝硬化检测仪系列产品近3年累计销售595台，每年检查人次达297.5万，其中肝硬化患者约6万人。湖南省人民医院、湖北省中医院和应城人民医院等用户评价概要：超声肝硬化检测仪可检测肝脏硬度，辅助肝硬化诊断，使用简4单方便、安全可靠，临床验证未观察到与仪器相关的不良反应，值得大力推广。2.高端彩色超声成像仪系列产品累计被国内外1000余家医院选用，近3年销售3200台，其中500余台进入三甲医院，出口1600台，每年检查人次超过1000万。上海瑞金医院、中山大学附属第一医院、武汉协和医院等用户评价摘要：具备超声弹性成像功能，能在结构图像之外提供病灶的力学参数信息，彩色图像目视清晰舒适。具有良好的测量重复性和出色的计算机辅助诊断模式，直接提高了诊断效率。该功能通过病灶与正常组织弹性值的对比，对于鉴定病灶良恶性具有不错的临床价值。（五）项目获得的自主知识产权、论文等成果及参编的相关标准1.项目成果获知识产权56项，其PCT专利5项，中国发明专利36项，实用新型10项，外观设计3项，软件著作权2项；在国际专业领域期刊上发表SCI论文30余篇；起草1项国家标准《超声准静态应变弹性性能试验方法》(国家标准YY/T1419-2016)；参与制定《影像型超声诊断设备新技术注册技术审查指导原则》。（六）项目成果获奖、平台与人才发展及影响1.项目成果“基于剪切波的定量超声弹性成像关键技术及应用”获2015年广东省科学技术奖技术发明类一等奖；“超声弹性成像技术及其肝硬化检测应用仪器”获2014年中国产学研合作创新成果奖；专利“一种超声探头”(ZL201320880335.8)获2015年中国专利优秀奖；专利“一种肝脏多维超声弹性检测装置及其检测方法”(ZL200910105618.3)获2016年中国专利优秀奖。2.“DC-8高端彩色多普勒超声成像系统”获2013年国家战略性创新产品和医学装备评估选型入选产品；“迈瑞牌超声显像诊断仪”获2013年广东省名牌产品；3.“企业创新发展能力建设(彩超)”列入2013年国家战略性新兴产业发展专向资金计划。4.项目完成单位中国科学院深圳先进技术研究院2011年获国家发改委批准建设国家地方联合高端医学影像技术与装备工程实验室。5.该项目研究推进了科技人才和创新团队培育：第一完成人获2013年度国家杰出青年科学基金和2014年陈嘉庚青年科学奖；项目核心人员组成的“高端医学影像技术与装备及其产业化团队获2015年中国科学院科技促进发展奖。（七）媒体报道1.2009年04月03日，《深圳商报》以“深圳先进院与一体医疗集团战略合作”为题，对项目完成和应用单位进行了报道“深圳科研机构与企业携手，共同开展技术攻关——研制最前沿的肝病治疗等高科技医疗器械设备,该院与深圳市一体医疗集团近日达成“战略合作框架协议”。2.2013年2月19日，《光明日报》以“我国自主知识产权肝硬化检测设备面市”为题，对项目成果进行了报道“这意味着我国首台具有完全自主知识产权的超声瞬态弹性成像肝硬化检测设备，可以进入市场，正式服务医学临床”。3.2013年1月29日，《中国科学报》以“超声生物组织力学测量及弹性成像研究获进展”为题，对项目成果进行了报道“在生物超声生物组织力学测量及弹性成像技术方向取得重要进展，核心技术已经申请PCT及发明专利”。5五、推广应用情况项目迅速将自主知识产权的专利成果转化到具体产品上，分别由深圳市一体医疗科技有限公司和深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司实施关键技术的产业化和推广应用，先后研制了两类超声弹性成像产品：超声弹性肝硬化检测仪（ET-CD系列）和高端彩色超声成像仪（DC-8及其升级系列）。产品先后取得国家医疗器械注册证、美国FDA和欧盟CE认证，进入市场，服务医学临床。在上海瑞金医院、武汉协和医院、中山大学附属第一医院等全国近20个省、市、自治区的1000余家医院内进行了广泛应用，并出口至美国、英国、德国、南非等多个国家和地区。超声弹性成像这一高端功能使得新产品表现出强劲的市场竞争力和国际竞争力。近两年半时间（2014.1-2016.6），累计销售约595台超声弹性肝硬化检测仪系列产品，每年检查约297.5万人次，其中有明确诊断的肝硬化患者约6万人次，实现17,003万元销售额和10,582万元利润；累计销售约3200台的高端彩色超声成像仪系列产品，每年检查超过1000万人次，其中有明确诊断的乳腺病患者约1万人次，实现70,475万元销售额和19,385万元利润，产生了显著的经济效益和社会效益。技术应用单位列表：部分临床应用单位列表：应用单位名称应用技术名称应用起始时间应用单位联系人及电话应用情况深圳市一体医疗科技有限公司超声肝硬化检测专用弹性成像整体技术2009-03至今杨海波13590213805研制出ET-CD系列超声弹性肝硬化检测仪,3年累计销售约595台。深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司超声乳腺弹性成像整体技术2010-01至今陈思思13510448682研制出DC-8及其升级系列高端彩色超声弹性成像仪,3年累计销售3200余台。应用单位名称应用产品名称应用起始时间应用单位联系人及电话应用情况上海交通大学医学院附属瑞金医院DC-8,Resona7系列彩色超