分布式云超聲：超聲成像系統(tǒng)研發(fā)的新路徑

周建橋

（上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院超聲科，上海 200025）

超聲在臨床的應用非常廣泛，其應用范圍涵蓋淺表器官、腹部器官、婦產(chǎn)科、心血管等。由于具有實時成像、無輻射、無侵入性、性價比高等特征，在諸多醫(yī)學影像學檢查中，超聲的作用不可或缺。目前，醫(yī)學超聲成像設備主要分為傳統(tǒng)的臺式超聲和新開發(fā)的便攜式超聲2 種形態(tài)。便攜式超聲根據(jù)其尺寸和重量又可以分為筆記本超聲和掌上超聲。

微電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展促進了超聲成像儀器的進步。傳統(tǒng)的臺式超聲儀器可以安裝復雜的成像軟件，因而可提供更高質(zhì)量、更多模態(tài)的圖像，如彈性成像、黏彈性成像和超聲造影成像。同時，微電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展也催生了便攜式超聲，盡管犧牲了一定的成像質(zhì)量，但便攜式超聲的發(fā)展使得超聲檢查的普及性得到迅速提升，超聲儀器的操作使用者已經(jīng)從傳統(tǒng)影像科的超聲醫(yī)師擴展到臨床?？漆t(yī)師，甚至逐漸進入家庭。

超大規(guī)模集成電路、納米芯片和超大帶寬超高速通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，這些技術(shù)的進步能為未來超聲成像設備的研發(fā)帶來什么新機遇，值得關(guān)注。本文筆者提出并討論一個超聲成像設備開發(fā)創(chuàng)新途徑的新概念，即分布式云超聲(distributed cloud-based ultrasound system)。

過去和現(xiàn)在的典型超聲診斷設備

1947 年，奧地利神經(jīng)學家和精神病學家Karl Theodore Dussik 開發(fā)了一種使用超聲波來創(chuàng)建大腦圖像的儀器。然而，直到1963 年才開始出現(xiàn)最流行的超聲掃描設備設計，當時第一臺手持式復合接觸B 型超聲掃描設備在美國上市[1]。在此之后，Walter Krause 和Richard Soldner 于1965 年發(fā)明了實時成像超聲設備。1967 年西門子公司生產(chǎn)了世界上第一臺名為Vidoson 的實時超聲成像系統(tǒng)[1-2]；1983 年左右，日本Aloka 公司開發(fā)了實時彩色多普勒超聲成像設備[3-4]。

在20 世紀70 年代末和80 年代初，人們試圖將超聲設備小型化，以便在急診、床邊、野外和偏遠地區(qū)使用[5]。相對于標準的臺式超聲，便攜式超聲現(xiàn)在已經(jīng)成為超聲設備的另一種形式。目前，便攜式超聲設備已從筆記本電腦大小發(fā)展到口袋大小(掌上超聲)，實現(xiàn)了無負擔攜帶和隨時隨地的使用(見圖1)[6]。

圖1 目前典型超聲診斷設備

全世界多家公司已開發(fā)許多類型的商用臨床小型超聲設備，從袖珍超聲設備的先驅(qū)ACUSON P10 (西門子醫(yī)療系統(tǒng)有限公司)，到目前的新秀Butterfly iQ(Butterfly Network,Inc.)。在電容式微機械超聲換能器、云共享和遠程引導等新技術(shù)的支持下，便攜式超聲設備的應用不斷擴展[2,7-8]。然而，由于便攜式超聲缺乏多模態(tài)成像，提供的圖像空間和時間分辨率有限，無法完成類似于標準臺式超聲所能完成的完整診斷檢查[9-12]。另一方面，高端臺式超聲的價格昂貴，可能會限制其在不同醫(yī)院和專業(yè)服務機構(gòu)的應用。此外，系統(tǒng)和軟件的升級可能受到設備模式和平臺硬件的限制。隨著數(shù)字化和虛擬時代的到來，應用先進技術(shù)探索和開發(fā)新概念超聲成像系統(tǒng)和平臺已經(jīng)成為可能。

分布式云超聲：超聲診斷設備的未來樣式

便攜式超聲具有高成本效益和易于攜帶的優(yōu)點，但其圖像質(zhì)量較低，且缺乏多模態(tài)成像功能，而臺式超聲具有多模態(tài)成像和高分辨率成像的優(yōu)點，但價格昂貴，不易獲得。如果將便攜式超聲與臺式超聲的優(yōu)點整合，抵消缺點，將會產(chǎn)生一種令人興奮的新醫(yī)療技術(shù)設備。這里筆者首次提出了分布式云超聲設備的概念。得益于現(xiàn)代高速通信技術(shù)、人工智能和云計算技術(shù)的發(fā)展，分布式云超聲有望成為不同于便攜式和臺式超聲的新型超聲成像設備。

一、分布式云超聲的概念及優(yōu)點

分布式云超聲是利用多個終端的超聲探頭完成超聲信號的發(fā)射、接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用超大帶寬高速通訊技術(shù)將原始射頻信號上傳到云端服務器，由云端服務器完成超聲信號的處理和成像，并將高質(zhì)量、多模態(tài)超聲圖像實時傳輸至各顯示終端。其多個超聲探頭可以同時連接到集中的云端系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以處理和分發(fā)超聲圖像到終端用戶的工作站上。分布式云超聲將算法部署在云服務器上，由云端服務器提供強大的計算能力，取代了傳統(tǒng)臺式超聲主機的超聲信號處理和成像模塊。由于分布于不同區(qū)域多個終端的超聲探頭共用同一云服務器，有效降低了硬件成本，在獲得高質(zhì)量超聲圖像的基礎上，還可進行彩色多普勒、超聲彈性成像和造影成像等多模態(tài)的超聲成像?？梢姡植际皆瞥曄到y(tǒng)既保留了高端臺式超聲圖像質(zhì)量優(yōu)、成像模態(tài)多的優(yōu)點，又保留了便攜式超聲成本低、重量輕、便于攜帶、可廣泛使用的優(yōu)點。

二、分布式云超聲的關(guān)鍵技術(shù)

分布式云超聲具備了和高端臺式超聲相似的成像質(zhì)量和功能，并實現(xiàn)了去主機化和小型化，即每一個終端只需要專用探頭和一個工作站，這需要多項關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同。

1.特殊的超聲探頭：分布式云超聲的探頭不僅要滿足常規(guī)探頭對于陣元數(shù)量、掃描線數(shù)的要求，同時還需要擁有探頭內(nèi)置的時間增益補償、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的電信號處理單元，以及超聲原始射頻信號輸出的單元。

2.超大帶寬高速通訊傳輸網(wǎng)絡：分布式云超聲的原始射頻信號不是由傳統(tǒng)超聲設備內(nèi)置的單片機進行硬件波束合成，而是傳輸?shù)阶鳛樾盘柼幚碇行牡脑贫耍M行軟件波束合成和后續(xù)的成像，因而分布式云超聲對于網(wǎng)絡的傳輸帶寬和傳輸速度有極其嚴苛的要求。以64 通道超聲探頭為例，要上傳波束合成之前的超聲原始射頻信號，要求數(shù)據(jù)傳輸速率達到10～40 Gbps，傳統(tǒng)的通信技術(shù)顯然無法達到這個傳輸速度。

通信技術(shù)的快速發(fā)展，如太赫茲和光保真(Li-Fi)通信技術(shù)[13-14]，為分布式云超聲提供了強有力的技術(shù)支撐。例如，最近成功建立的面向6G 的360～430 Ghz 太赫茲實時無線傳輸通信實驗系統(tǒng)，其傳輸速率達到100～200 Gbps，是5G 的10～20 倍[15]。

3.軟件波束合成：超聲的成像質(zhì)量很大程度上取決于波束合成算法的優(yōu)劣。目前，越來越多的高端超聲設備會使用軟件波束合成，但軟件波束合成對于傳輸通道帶寬要求較高，通常為PCIe、SRIO 之類的超高速互聯(lián)總線，不適用于常見的USB、WIFI等中低速互聯(lián)協(xié)議。對于分布式云超聲而言，太赫茲和LIFI 網(wǎng)絡可以滿足軟件波束合成算法對帶寬和傳輸速度的要求。應用先進的算法，軟件波束合成可在圖像的每一點都提供了發(fā)射和接收的焦點，獲得了許多明顯的益處，包括極大地提高了空間分辨率，改善了圖像的均勻性，提高了深部的圖像質(zhì)量，并減少了成像偽影[16]。在傳統(tǒng)超聲設備中，軟件波束合成常受硬件資源限制，而在算力強大的云平臺，這種限制將不復存在。

除此以外，基于分布式云超聲強大的平臺運算功能，也可以將各類人工智能算法部署于云超聲的服務器上，實現(xiàn)人工智能的優(yōu)化圖像、協(xié)議標準化和輔助診斷等功能(見圖2)。

圖2 分布式云超聲概念圖

三、分布式云超聲的應用場景

由于使用高計算能力云服務器對原始射頻信號進行處理和成像，分布式云超聲可以提供高質(zhì)量的多模態(tài)超聲圖像，可以應用于三級或二級醫(yī)院，滿足超聲科臨床、科研和教學工作的需求。這不僅能有效減少醫(yī)院超聲設備的采購成本，而且其優(yōu)異的便攜性可以使其靈活地應用于急診、手術(shù)室、傳染科和其他臨床科室，解決了傳統(tǒng)臺式超聲占地大、難以挪動、消毒困難等問題。

對于基層醫(yī)院，部署在分布式云超聲的標準化協(xié)議和人工智能模塊可以提供輔助診斷和教學功能，對于缺少訓練的基層醫(yī)生，這些協(xié)議和人工智能模塊可提供有益支持。分布式云超聲還可應用到急救車體系，不僅可以進行急救現(xiàn)場高質(zhì)量的超聲成像，同時也可以通過云平臺獲得急救中心的實現(xiàn)遠程技術(shù)協(xié)助。

局限與展望

在偏遠地區(qū)的基層醫(yī)院或是在急救車上，可能會面臨帶寬和傳輸速度受限的問題，此時，可使先將原始射頻信號轉(zhuǎn)換成正交信號再上傳至云服務器。正交信號數(shù)據(jù)量較小，因而對帶寬的要求較低，然而這必然會降低超聲成像質(zhì)量，這是可能的局限。

本文提出了分布式云超聲設備的概念和關(guān)鍵技術(shù)。分布式云超聲系統(tǒng)既保留了高端臺式超聲的優(yōu)點，又保證了設備的便攜性，而且可以實現(xiàn)對人工智能的平臺支撐，因而有望成為不同于便攜式和臺式超聲的新型超聲成像設備形態(tài)。目前，超大帶寬高速通訊技術(shù)正在快速發(fā)展，相信在不遠的未來分布式超聲將成為現(xiàn)實。