远程超声发展研究现状

吴欢云 张 钒 李国锋 李 征 裘向军 倪昕晔

1 上海市金山区卫生健康事业管理中心 上海 200540; 2 南京医科大学附属常州第二人民医院 江苏常州 213003; 3 上海市金山区金山卫镇社区卫生服务中心 上海 200540; 4 上海四维医学科技有限公司 上海 200080

随着医疗体系的完善，超声检查已经向基层开始下沉，应用市场越来越大，我国具有巨大市场。相对于DR、CT、MR等方式，超声检查收费低、无辐射、可移动、使用方便[1]。超声应用广泛，适合于各个层次医院，用于疾病的筛查及常见病的诊断。

目前，在超声学科面临诸多问题：各级医院超声水平存在明显差异[2]，现有的基层卫生超声医生普遍诊断水平不高，漏诊误诊现象较为普遍，对专家依赖程度高。基层卫生单位超声工作人员不足且专业技能不达标[3]，导致开展项目非常少，通常只开展腹部，不能满足基层卫生疾病筛选、慢病管理的基本定位。此外，偏远地区经济水平较为落后，甚至无法对患者实施超声检查。这些现象都导致患者或者专家不信任基层卫生的超声检查，或者由于没有需要的项目导致各种慢病复查，简单的疾病筛选也都去高等级医院，使得一方面基层卫生相应设备资源闲置，另一方面上级医院超声影像科室人满为患，不利于分级治疗的开展。

远程超声[4]是解决上述问题的有效方法，可以实现专家资源下沉，减少基层超声诊断的漏诊误诊情况。与此同时，人工智能技术的快速发展，通过大量数据的学习能够提高诊断的准确率、减少诊断时间[5]，能一定程度上缓解专家资源的紧张。随着这些技术的交叉、融合，未来的超声诊断将更准确、高效、便利，能很大程度上提高基层医疗机构的超声诊断水平，缓解医患矛盾。

1 远程超声临床应用现状

1.1 远程超声发展历史

20世纪50年代美国国家航空航天局开发了一项应用于 “农村帕帕戈医疗保健的空间技术”的地面并行项目[6]，远程超声于是最早就被用于监测宇航员的身体状况[7]，并在21世纪初逐步推广至民用。之后，远程超声主要在产科以及心脏检查领域发展，即使当时传输带宽和信号有限[8]，依然引起了研究人员足够的兴趣。之后，随着技术的不断革新，远程超声的效率和质量也不断提高。

在国内，相关人员较早就注意到了远程超声的应用前景[9]，但国内早期医疗体系不够完善，信息传输速度慢，虽然王龙等[10]开发出了对应的远程超声诊断系统，但没有被广泛应用，直到2012年前后才有部分医院初步使用[11]。而今随着技术的发展，解决了网络延迟、数据互通的问题，远程超声将具有广阔的临床应用前景。随着相关研究的进行，远程超声在未来的应用会越来越广泛，患者的就诊质量也会越来越高。

1.2 远程超声的应用

目前远程超声的模式可分为两种：通过远程视频会诊，上级专家实时指导基层医师完成各项检查，再给与诊断报告；依赖辅助机器人或机械臂等方法由上级医师专家直接远程操作超声设备并给与诊断结果。无论远程视频会诊还是远程操作，都需要良好的网络环境，后者还需要保证辅助器械的精确度和专家对操作系统的熟练操作。随着5G技术的出现，突破了无限传播的一大瓶颈，通过使用高频电波加快了信号在空气中传播的速度，带来了更加稳定、安全、快速的网络技术。智慧医疗与5G的结合，可以保障超声图像和数据无压缩地传输，使得多器官检查(如腹部超声)的图像能够一次性传输完成[12]，远程超声应用过程中的一些局限性问题将会迎刃而解。

远程超声的视频会诊大多应用于没有丰富的诊断经验的偏远地区以及急诊等特殊情况，虽然有一定延迟但方便快捷，是目前远程超声最广泛的应用模式。Mcbeth等[13]通过移动设备进行远程超声肺部诊断，在其所有测试情况下，均能捕捉到肺偏移，能为呼吸暂停和气胸做出实时的诊断且十分方便简单。Eadie等[14]使用远程超声进行患者入院前的超声诊断并加以专家指导，能允许急救人员通过这种方法对急诊患者实施早期诊断，尤其适用于通讯基础设施差、运输时间长的世界各地农村地区。Toscano等[15]测试了一种新型产科远程诊断超声系统，在该系统中，图像采集由无超声经验的操作员通过仅基于外部身体标志的简单扫描协议获得，并使用低带宽互联网上传，最后由非现场专家进行异步远程解释。近年来，远程超声在国内的应用也逐渐深入，汤辉等[16]将远程胎心监护联合超声用于高危妊娠监测，可提高宫内诊断准确率，改善新生儿预后。许幼峰等[17]分析了412例基层医院同步远程超声会诊病例，其中81.1%的患者在15 min内就能完成会诊。通过后期总结发现，远程会诊不仅能提高诊断效率和质量，还能一定程度上提高基层医生的诊断水平。张志君等[18]介绍了新冠疫情期间远程超声技术应用于护理重症患者膀胱工作中的可行性，能提高工作效率，缓解医疗资源紧张的压力。杨凤武等[19]联合5G网络探讨床旁超声远程会诊系统在新型冠状病毒肺炎诊疗中肺部检查中的价值，证实了其可行性。在5G的网络环境下，能实现专家和操作人员、患者实现零距离沟通。

超声机器人获取的图像质量与传统超声有较高的一致性，具有诊断价值，可应用于医疗远程实时诊断疾病[20]。2009年Koizumi 等[21]构建了远程超声诊断系统，利用通信网络可以实现远程诊断，定位主机械手和从机械手，以实现超声探头的平滑和精确运动。同时，在遇到传染性较高的疾病时，长时间与患者的接触很可能导致医生的感染，使用超声机器人可以减少接触时间，一定程度上降低感染风险。在远程诊断中，专家远程调节超声图像参数，实时操作机械臂，机械臂夹持超声探头根据远程专家操控的轨迹进行扫查并采集图像，同时反馈探头与人体的接触力度，为了保证患者的安全，接触的力度具有压力上限，机械臂也具有遇到力量回避的功能。实际操作时特殊位置图像采集需要变换体位，检查前还需与受检者进行充分沟通，降低其因机械臂摆动造成的紧张[22]。Ye等[23]选择23例COVID-19患者，按照协议接受了基于5G的机器人辅助远程超声系统肺部和心脏检查。远程超声系统成功安全地对所有患者进行了心肺检查，有助于远程评估新型冠状病毒肺炎的严重程度。Yu等[24]联合5G评估了2例新冠患者远程超声诊断的可行性。临床研究证明虽然5G远程超声机器人系统检查时间较长，但图像质量及诊断结果与常规超声检查相仿，在新型冠状病毒肺炎隔离患者的病情评估及诊断中能部分替代常规超声检查。

2 人工智能技术结合远程超声的应用前景

人工智能作为新兴的产业技术，引起了越来越多的关注。超声人工智能是一个多学科交叉合作的过程，需要广大高水平专科医生积极参与，提供高质量数据集训练，并为保障相关应用的准确性和稳定性进一步完善评估方案[25]。远程超声可能会存在的问题主要有两点：过多的远程超声会诊一定程度增加了上级医师专家的负担，如何适当减少工作量；基层及偏远欠发达地区的超声扫描设备相对落后，得到的超声图像质量差，给会诊造成了一定阻碍。人工智能技术与远程超声相结合，能一定程度上解决以上问题，王丹等[26]对乳腺、甲状腺等超声人工智能系统联合远程医疗的临床价值进行探讨。在612例患者中，通过人工智能技术结合远程超声会诊能使得基层医院的超声诊断水平大幅提高，误诊、漏诊率明显降低，能更有效地实现专家资源下沉，为基层患者提供更好的诊疗服务。

由于超声成像的安全性、无创性和低成本，人工智能算法在超声分割和分类方面得到了广泛的研究，可帮助医师快速准确地分割出病变的组织和器官。相比于传统分割方法，基于深度学习的分割方法能实现自动分割，并且分割速度更快，更契合远程超声诊断。基于深度学习的超声分割主要是通过神经网络对超声图像进行下采样提取低维特征信息，再进行上采样输出分割掩模，以此达到分割病灶的目的[27]。基于深度学习的超声自动分割能减少专家的工作量，能促进远程超声更轻量化，以此得到更广泛的应用。

目前基层医院的超声设备价格相对低廉，图像成像一般，因此，国内外专家在低分辨率超声到高分辨率超声进行了相关研究。 超分辨率重建方法[28]：传统基于插值，基于重构，深度学习[27]。基于插值的图像重建方法提出的时间最早，该方法首先通过估计图像中各像素之间的信息，再通过插值得到相应位置的像素值，但插值法提高图像的分辨率有限，重建质量不高。基于重构方法首先对低分辨率图像的采集过程进行建模，从而对图像的高频细节信息进行反向估计，但其收敛速度较慢，效率太低。由于这两种方法各自缺陷较大，并不符合远程超声对实时图像质量的要求。目前，深度学习十分热门，通过学习得到高分辨率图像与低分辨率图像之间的映射关系，可以更加高效、高质地重建低分辨率图像。随着高分辨率重建技术的发展，今后的远程超声将不再受制于基层医院的设备问题，即使是成像质量较差的设备生成的图像也能在云端对低分辨率图像进行高分辨率重建再进行诊断。

3 总结与展望

超声诊断远程化的实现，将有效地提高医生的工作效率，并且使得患者在周边社区卫生服务中心就可以得到专家级远程诊断，偏远地区的患者也能得到及时的高质量超声诊断。明确的诊断将有效地帮助全科医生制定临床治疗方案，提升患者对于医疗体系信心的同时可以减少患者的焦虑感，极大地提升患者的就诊体验。另一方面，可以分流缓解高等级医院门急诊压力，减少患者看病等待时间，化解医患之间的主要矛盾。对医院而言，通过建设远程超声诊断系统可以利用有资质和能力的医疗机构为本院提供超声的集中诊断、疑难会诊等服务，利用云架构的建设优势，根据业务量增长分配和扩展合理控制软硬件资源和运营服务成本，充分利用医院的基础设施、管理系统、数据分析系统、决策支持体系，提高医院的能级。