遠(yuǎn)程超聲發(fā)展研究現(xiàn)狀

吳歡云 張 釩 李國鋒 李 征 裘向軍 倪昕曄

1 上海市金山區(qū)衛(wèi)生健康事業(yè)管理中心 上海 200540; 2 南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州第二人民醫(yī)院 江蘇常州 213003; 3 上海市金山區(qū)金山衛(wèi)鎮(zhèn)社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心 上海 200540; 4 上海四維醫(yī)學(xué)科技有限公司 上海 200080

隨著醫(yī)療體系的完善，超聲檢查已經(jīng)向基層開始下沉，應(yīng)用市場越來越大，我國具有巨大市場。相對于DR、CT、MR等方式，超聲檢查收費低、無輻射、可移動、使用方便[1]。超聲應(yīng)用廣泛，適合于各個層次醫(yī)院，用于疾病的篩查及常見病的診斷。

目前，在超聲學(xué)科面臨諸多問題：各級醫(yī)院超聲水平存在明顯差異[2]，現(xiàn)有的基層衛(wèi)生超聲醫(yī)生普遍診斷水平不高，漏診誤診現(xiàn)象較為普遍，對專家依賴程度高?；鶎有l(wèi)生單位超聲工作人員不足且專業(yè)技能不達(dá)標(biāo)[3]，導(dǎo)致開展項目非常少，通常只開展腹部，不能滿足基層衛(wèi)生疾病篩選、慢病管理的基本定位。此外，偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平較為落后，甚至無法對患者實施超聲檢查。這些現(xiàn)象都導(dǎo)致患者或者專家不信任基層衛(wèi)生的超聲檢查，或者由于沒有需要的項目導(dǎo)致各種慢病復(fù)查，簡單的疾病篩選也都去高等級醫(yī)院，使得一方面基層衛(wèi)生相應(yīng)設(shè)備資源閑置，另一方面上級醫(yī)院超聲影像科室人滿為患，不利于分級治療的開展。

遠(yuǎn)程超聲[4]是解決上述問題的有效方法，可以實現(xiàn)專家資源下沉，減少基層超聲診斷的漏診誤診情況。與此同時，人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，通過大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)能夠提高診斷的準(zhǔn)確率、減少診斷時間[5]，能一定程度上緩解專家資源的緊張。隨著這些技術(shù)的交叉、融合，未來的超聲診斷將更準(zhǔn)確、高效、便利，能很大程度上提高基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的超聲診斷水平，緩解醫(yī)患矛盾。

1 遠(yuǎn)程超聲臨床應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 遠(yuǎn)程超聲發(fā)展歷史

20世紀(jì)50年代美國國家航空航天局開發(fā)了一項應(yīng)用于 “農(nóng)村帕帕戈醫(yī)療保健的空間技術(shù)”的地面并行項目[6]，遠(yuǎn)程超聲于是最早就被用于監(jiān)測宇航員的身體狀況[7]，并在21世紀(jì)初逐步推廣至民用。之后，遠(yuǎn)程超聲主要在產(chǎn)科以及心臟檢查領(lǐng)域發(fā)展，即使當(dāng)時傳輸帶寬和信號有限[8]，依然引起了研究人員足夠的興趣。之后，隨著技術(shù)的不斷革新，遠(yuǎn)程超聲的效率和質(zhì)量也不斷提高。

在國內(nèi)，相關(guān)人員較早就注意到了遠(yuǎn)程超聲的應(yīng)用前景[9]，但國內(nèi)早期醫(yī)療體系不夠完善，信息傳輸速度慢，雖然王龍等[10]開發(fā)出了對應(yīng)的遠(yuǎn)程超聲診斷系統(tǒng)，但沒有被廣泛應(yīng)用，直到2012年前后才有部分醫(yī)院初步使用[11]。而今隨著技術(shù)的發(fā)展，解決了網(wǎng)絡(luò)延遲、數(shù)據(jù)互通的問題，遠(yuǎn)程超聲將具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。隨著相關(guān)研究的進(jìn)行，遠(yuǎn)程超聲在未來的應(yīng)用會越來越廣泛，患者的就診質(zhì)量也會越來越高。

1.2 遠(yuǎn)程超聲的應(yīng)用

目前遠(yuǎn)程超聲的模式可分為兩種：通過遠(yuǎn)程視頻會診，上級專家實時指導(dǎo)基層醫(yī)師完成各項檢查，再給與診斷報告；依賴輔助機(jī)器人或機(jī)械臂等方法由上級醫(yī)師專家直接遠(yuǎn)程操作超聲設(shè)備并給與診斷結(jié)果。無論遠(yuǎn)程視頻會診還是遠(yuǎn)程操作，都需要良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，后者還需要保證輔助器械的精確度和專家對操作系統(tǒng)的熟練操作。隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)，突破了無限傳播的一大瓶頸，通過使用高頻電波加快了信號在空氣中傳播的速度，帶來了更加穩(wěn)定、安全、快速的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。智慧醫(yī)療與5G的結(jié)合，可以保障超聲圖像和數(shù)據(jù)無壓縮地傳輸，使得多器官檢查(如腹部超聲)的圖像能夠一次性傳輸完成[12]，遠(yuǎn)程超聲應(yīng)用過程中的一些局限性問題將會迎刃而解。

遠(yuǎn)程超聲的視頻會診大多應(yīng)用于沒有豐富的診斷經(jīng)驗的偏遠(yuǎn)地區(qū)以及急診等特殊情況，雖然有一定延遲但方便快捷，是目前遠(yuǎn)程超聲最廣泛的應(yīng)用模式。Mcbeth等[13]通過移動設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程超聲肺部診斷，在其所有測試情況下，均能捕捉到肺偏移，能為呼吸暫停和氣胸做出實時的診斷且十分方便簡單。Eadie等[14]使用遠(yuǎn)程超聲進(jìn)行患者入院前的超聲診斷并加以專家指導(dǎo)，能允許急救人員通過這種方法對急診患者實施早期診斷，尤其適用于通訊基礎(chǔ)設(shè)施差、運輸時間長的世界各地農(nóng)村地區(qū)。Toscano等[15]測試了一種新型產(chǎn)科遠(yuǎn)程診斷超聲系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，圖像采集由無超聲經(jīng)驗的操作員通過僅基于外部身體標(biāo)志的簡單掃描協(xié)議獲得，并使用低帶寬互聯(lián)網(wǎng)上傳，最后由非現(xiàn)場專家進(jìn)行異步遠(yuǎn)程解釋。近年來，遠(yuǎn)程超聲在國內(nèi)的應(yīng)用也逐漸深入，湯輝等[16]將遠(yuǎn)程胎心監(jiān)護(hù)聯(lián)合超聲用于高危妊娠監(jiān)測，可提高宮內(nèi)診斷準(zhǔn)確率，改善新生兒預(yù)后。許幼峰等[17]分析了412例基層醫(yī)院同步遠(yuǎn)程超聲會診病例，其中81.1%的患者在15 min內(nèi)就能完成會診。通過后期總結(jié)發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)程會診不僅能提高診斷效率和質(zhì)量，還能一定程度上提高基層醫(yī)生的診斷水平。張志君等[18]介紹了新冠疫情期間遠(yuǎn)程超聲技術(shù)應(yīng)用于護(hù)理重癥患者膀胱工作中的可行性，能提高工作效率，緩解醫(yī)療資源緊張的壓力。楊鳳武等[19]聯(lián)合5G網(wǎng)絡(luò)探討床旁超聲遠(yuǎn)程會診系統(tǒng)在新型冠狀病毒肺炎診療中肺部檢查中的價值，證實了其可行性。在5G的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，能實現(xiàn)專家和操作人員、患者實現(xiàn)零距離溝通。

超聲機(jī)器人獲取的圖像質(zhì)量與傳統(tǒng)超聲有較高的一致性，具有診斷價值，可應(yīng)用于醫(yī)療遠(yuǎn)程實時診斷疾病[20]。2009年Koizumi 等[21]構(gòu)建了遠(yuǎn)程超聲診斷系統(tǒng)，利用通信網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，定位主機(jī)械手和從機(jī)械手，以實現(xiàn)超聲探頭的平滑和精確運動。同時，在遇到傳染性較高的疾病時，長時間與患者的接觸很可能導(dǎo)致醫(yī)生的感染，使用超聲機(jī)器人可以減少接觸時間，一定程度上降低感染風(fēng)險。在遠(yuǎn)程診斷中，專家遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)超聲圖像參數(shù)，實時操作機(jī)械臂，機(jī)械臂夾持超聲探頭根據(jù)遠(yuǎn)程專家操控的軌跡進(jìn)行掃查并采集圖像，同時反饋探頭與人體的接觸力度，為了保證患者的安全，接觸的力度具有壓力上限，機(jī)械臂也具有遇到力量回避的功能。實際操作時特殊位置圖像采集需要變換體位，檢查前還需與受檢者進(jìn)行充分溝通，降低其因機(jī)械臂擺動造成的緊張[22]。Ye等[23]選擇23例COVID-19患者，按照協(xié)議接受了基于5G的機(jī)器人輔助遠(yuǎn)程超聲系統(tǒng)肺部和心臟檢查。遠(yuǎn)程超聲系統(tǒng)成功安全地對所有患者進(jìn)行了心肺檢查，有助于遠(yuǎn)程評估新型冠狀病毒肺炎的嚴(yán)重程度。Yu等[24]聯(lián)合5G評估了2例新冠患者遠(yuǎn)程超聲診斷的可行性。臨床研究證明雖然5G遠(yuǎn)程超聲機(jī)器人系統(tǒng)檢查時間較長，但圖像質(zhì)量及診斷結(jié)果與常規(guī)超聲檢查相仿，在新型冠狀病毒肺炎隔離患者的病情評估及診斷中能部分替代常規(guī)超聲檢查。

2 人工智能技術(shù)結(jié)合遠(yuǎn)程超聲的應(yīng)用前景

人工智能作為新興的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，引起了越來越多的關(guān)注。超聲人工智能是一個多學(xué)科交叉合作的過程，需要廣大高水平?？漆t(yī)生積極參與，提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練，并為保障相關(guān)應(yīng)用的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性進(jìn)一步完善評估方案[25]。遠(yuǎn)程超聲可能會存在的問題主要有兩點：過多的遠(yuǎn)程超聲會診一定程度增加了上級醫(yī)師專家的負(fù)擔(dān)，如何適當(dāng)減少工作量；基層及偏遠(yuǎn)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的超聲掃描設(shè)備相對落后，得到的超聲圖像質(zhì)量差，給會診造成了一定阻礙。人工智能技術(shù)與遠(yuǎn)程超聲相結(jié)合，能一定程度上解決以上問題，王丹等[26]對乳腺、甲狀腺等超聲人工智能系統(tǒng)聯(lián)合遠(yuǎn)程醫(yī)療的臨床價值進(jìn)行探討。在612例患者中，通過人工智能技術(shù)結(jié)合遠(yuǎn)程超聲會診能使得基層醫(yī)院的超聲診斷水平大幅提高，誤診、漏診率明顯降低，能更有效地實現(xiàn)專家資源下沉，為基層患者提供更好的診療服務(wù)。

由于超聲成像的安全性、無創(chuàng)性和低成本，人工智能算法在超聲分割和分類方面得到了廣泛的研究，可幫助醫(yī)師快速準(zhǔn)確地分割出病變的組織和器官。相比于傳統(tǒng)分割方法，基于深度學(xué)習(xí)的分割方法能實現(xiàn)自動分割，并且分割速度更快，更契合遠(yuǎn)程超聲診斷?；谏疃葘W(xué)習(xí)的超聲分割主要是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對超聲圖像進(jìn)行下采樣提取低維特征信息，再進(jìn)行上采樣輸出分割掩模，以此達(dá)到分割病灶的目的[27]。基于深度學(xué)習(xí)的超聲自動分割能減少專家的工作量，能促進(jìn)遠(yuǎn)程超聲更輕量化，以此得到更廣泛的應(yīng)用。

目前基層醫(yī)院的超聲設(shè)備價格相對低廉，圖像成像一般，因此，國內(nèi)外專家在低分辨率超聲到高分辨率超聲進(jìn)行了相關(guān)研究。 超分辨率重建方法[28]：傳統(tǒng)基于插值，基于重構(gòu)，深度學(xué)習(xí)[27]?；诓逯档膱D像重建方法提出的時間最早，該方法首先通過估計圖像中各像素之間的信息，再通過插值得到相應(yīng)位置的像素值，但插值法提高圖像的分辨率有限，重建質(zhì)量不高?；谥貥?gòu)方法首先對低分辨率圖像的采集過程進(jìn)行建模，從而對圖像的高頻細(xì)節(jié)信息進(jìn)行反向估計，但其收斂速度較慢，效率太低。由于這兩種方法各自缺陷較大，并不符合遠(yuǎn)程超聲對實時圖像質(zhì)量的要求。目前，深度學(xué)習(xí)十分熱門，通過學(xué)習(xí)得到高分辨率圖像與低分辨率圖像之間的映射關(guān)系，可以更加高效、高質(zhì)地重建低分辨率圖像。隨著高分辨率重建技術(shù)的發(fā)展，今后的遠(yuǎn)程超聲將不再受制于基層醫(yī)院的設(shè)備問題，即使是成像質(zhì)量較差的設(shè)備生成的圖像也能在云端對低分辨率圖像進(jìn)行高分辨率重建再進(jìn)行診斷。

3 總結(jié)與展望

超聲診斷遠(yuǎn)程化的實現(xiàn)，將有效地提高醫(yī)生的工作效率，并且使得患者在周邊社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心就可以得到專家級遠(yuǎn)程診斷，偏遠(yuǎn)地區(qū)的患者也能得到及時的高質(zhì)量超聲診斷。明確的診斷將有效地幫助全科醫(yī)生制定臨床治療方案，提升患者對于醫(yī)療體系信心的同時可以減少患者的焦慮感，極大地提升患者的就診體驗。另一方面，可以分流緩解高等級醫(yī)院門急診壓力，減少患者看病等待時間，化解醫(yī)患之間的主要矛盾。對醫(yī)院而言，通過建設(shè)遠(yuǎn)程超聲診斷系統(tǒng)可以利用有資質(zhì)和能力的醫(yī)療機(jī)構(gòu)為本院提供超聲的集中診斷、疑難會診等服務(wù)，利用云架構(gòu)的建設(shè)優(yōu)勢，根據(jù)業(yè)務(wù)量增長分配和擴(kuò)展合理控制軟硬件資源和運營服務(wù)成本，充分利用醫(yī)院的基礎(chǔ)設(shè)施、管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、決策支持體系，提高醫(yī)院的能級。