一、摘要
医学超声技术已成为临床诊疗中必不可少的一线影像学成像技术。超声成像技术的发展经历了一维到二维再到三维成像，从静态成像到动态成像，从结构成像到功能成像的过程，极大的提高了超声诊断疾病的精准性。基于超声的便携性及其先进的数字成像技术，20世纪80年代从急诊医学开始，超声逐渐在各学科疾病的评估及诊疗中普及。POC超声（POCUS）由此产生，极大扩展了超声应用场景。近年来，随着人工智能（AI）、云计算技术、5G网络、机器人技术和远程技术与超声设备的融合，超声设备已逐渐衍变成为一个具有强大成像功能的智能化终端平台。而专科化的超声仪器更能满足现今各临床科室日益增长的精准化医疗需求。本文通过对传统超声进展和POCUS发展的新理念进行综述，重点介绍超声技术及其临床应用的未来趋势，探讨现代技术在促进超声技术进步和临床应用扩展方面的价值。
二、正文
传统医学超声
医学超声具有安全、简单、实时、易操作、低成本等优势，已与CT、核磁共振并列为三大影像诊断手段[4]。自20世纪40年代以来，医学超声技术经历了由A型、M型、B型和D型成像模式的更新及及深入应用。20世纪50年代发展起来的B型超声实现了软组织成像，为现代超声诊断奠定了基础[5]。随后，融入了组织运动信息（如心脏运动）形成M型超声成像[6]。20世纪80年代中后期，基于多普勒频移原理及自相关方法获得不同位置的血流速度信息，采用彩色编码表示，诞生了彩色多普勒超声技术，使现代超声影像诊断极具特色,为心血管和全身器官组织血流的无损检测和血流动力学研究开创了新的领域[7,8]。迄今为止，上述几种成像方法仍然是医学超声的主流技术。
随着计算机处理能力的提升，Baum和Greenwood于1961年提出了三维超声的初始概念[9]。随后，三维超声的发展大致经历了三个阶段，即早期的静态三维成像（静态二维图像重建），动态三维超声成像（加入时间参数），实时三维超声成像（无时间延迟）[10]。三维超声以其直观、准确和实时的优势，已广泛应用于心脏病学、妇产科、肿瘤学、介入放射学、外周血管等领域[11]。自20世纪90年代以来，超声新技术，包括超声造影技术（CEUS）[12]、组织多普勒技术[13]和超声弹性成像等[14]，进一步提高了超声诊断结果的精确度（图1）。尤其是超声微泡造影剂研制成功并实现临床应用，是医学超声的一个革命性变革。超声造影定量分析可以无创性评估活体器官或组织的微循环灌注,将超声从形态学成像过渡到功能性成像的发展阶段[15]。此外，通过非血管途径（胆管、尿路及口服等）注射造影剂对非血管腔的增强显影也逐渐应用于临床[16-18]。通过超声技术与其他成像技术（如CT和MRI）的融合，极大提升了对病变的显示能力，也为微创介入超声的发展提供了帮助[19,20]。
图1超声技术发展示意图
医学超声经过几十年的发展，从成像技术、成像模式和软硬件水平等层面均取得了飞跃式的发展。但传统医学超声设备由于体型较大、探头形状及探测频率、成像特点均较为固定，已无法满足临床日益增长的精细化诊疗需求。近年来超声芯片技术、成像原理等基础技术并未有革命性突破和升级，超声生产企业主要在探头材料、图像分析软件、整机设计提升等方面进行持续升级，行业基础技术相对成熟稳定。而超声新技术的研发、验证到应用需要一个非常长的周期。同时专业超声医生由于在服务患者意识方面薄弱，学科仪器配置及人员不足，超声诊断需求不断前移，以及超声临床化趋势，导致难以满足临床科室对超声诊治的需求，使得以临床医生为主体的床旁即时超声或者POCUS得到了迅猛发展。
Point-of-care超声
POCUS：基于新理念及新技术的智能超声终端平台
近年来，虽然POCUS在各临床科室如火如荼的兴起与开展，但是在大部分医院还停留在相关临床科室邀请超声科医生开展传统的床旁超声会诊阶段, 一些医院即使在相关科室配备超声科医师,但对于专科关注的专用检查并不能完全覆盖,除了不熟悉临床医生所要求的检查目的，同时对于患者的连续性随访观察(如针对创伤患者的FAST检查[63]，ECMO支持治疗患者的心肺检查[46，47]) 由超声科医师来完成也不现实｡虽然一些大型医院专科科室已经配备了便携式超声设备,并开展了专科医师主导的超声检查，但是由于目前尚缺乏有效的标准操作规范加上超声的操作者依赖性，势必会导致操作者水平高低不一,导致诊断结果不明确，从而降低了POCUS的临床应用价值[48]。
尽管便携式超声设备已经实现了技术集成（即，单一设备单元包含多个成像功能）和小型化（如掌上超声），但超声设备和应用的发展仍面临挑战，需要向专科专用迈进。例如，在麻醉学应用中，清楚显示正常组织结构的边界比诊断病理结构更重要；易于消毒的触摸屏比传统的操作键盘要有优势[49]。因此，在开发面向专科专用的超声仪器时，需要一种包含新理念的专科化设计的超声仪器。
随着远程技术、云计算技术、5G通讯技术、机器人技术及AI技术等现代技术与超声技术的快速融合，将进一步促进超声仪器设备性能的进一步提升，向智能超声终端平台发展，进一步提高POCUS的应用，引领现代超声发展史新的变革（图2）。包含新理念的POCUS将引领超声医学发展的新趋势，在利用各种新技术极大提高超声诊断准确性的前提下，专科化的POCUS将与先进技术相结合，更好的满足超声科室以外的各类专家的需求。
图2超声智能终端平台概念图
1、基于5G的远程POCUS
2、AI与POC超声
专业超声医生如要开展独立诊断或治疗工作，往往需要数年的培训累积经验超声医生，因此操作者依赖性始终是超声技术发展的瓶颈。同时超声是临床作为初步检查首选的无创、无辐射的检查手段，因此极大增加了专业超声医生的工作压力。智能辅助诊断系统的出现有助于缓解这一现状。人工智能已经逐步在医疗领域得到广泛应用，其中超声与人工智能的结合，是数字化医疗领域里一个较新的分支。超声影像里包含了海量的数据信息，人工智能技术具有诊断速度快、标准统一、可连续工作、可重复性强的优势，有助于超声医生以最流畅的工作流获得最理想的诊断图像，并从中充分挖掘出图像背后更多的原始数据信息及规律，从而帮助医生提高检测效率、准确度和科学性。同时AI通过算法不断优化或迭代更新，可以对超声图像进行不断优化处理和精细化分析，甚至进行智能疾病预测、疾病风险评估及临床诊疗决策[54，55]。
深度学习方法是常用的AI技术，其中卷积神经网络（convolutional neural networks，CNN）是目前最流行的深度学习架构之一，在图像分类、目标检测、目标分割等各种任务中取得了很大进展[56，57]。Buda等[77]利用CNN开发出一种利用甲状腺超声图像来决定是否进行活检的算法，深度学习算法的灵敏度为87%，特异度为52%。卷积神经网络由很多卷积层组成，有强大的能力自己学习导入的大量影像训练数据，并在特定层内可以自动解析并提取最佳的特性，最终实现对图像的分类，这个过程会比人眼观察的更加细致，这是卷积神经网络与传统学习方法相比的最大优势。而传统的机器学习是人为定义特征的，比如结节的边缘是否规则，回声情况如何，还带有医生主观的判断标准。但是如果依托深度学习，就不需要这些人为的特征定义[59]。
超声设备在智能化方面也取得了长足的进步，如定制个性化的智能化内置评估诊断流程，成像质量智能优化及对影像原始信息的前端智能化筛选、获取、分析与处理等帮助医生摆脱繁多冗杂的图像优化和测量工作，集中精力专注于临床诊疗。目前，在AI助力下，新的超声医疗设备应用广泛，不仅在介入、甲状腺、乳腺、肌骨、儿科、心脏等临床领域精准支持临床医师的诊断[60-65]。例如，基于AI技术的超声系统对甲状腺结节良恶性判读病理符合率从人工的64%提升到84%[66]。
然而，AI应用于超声仍然存在着许多技术挑战。首先，超声检测需要图像采集与阅片同时完成，实现实时诊断，短期内会产生庞大的数据，这对算法和算力等辅助诊断技术提出了更高要求。其次，AI技术搭载于掌上超声上，还需要解决算力限制的问题，以确保AI模型能有效地在平板电脑或手机平台的有限资源下工作。最后，还需建立超声AI的科学监管体系，健全超声AI应用法律法规，进一步完善评估AI稳定性和准确性的方案，克服AI医疗责任界定难题。
3、基于云计算技术的POC超声
4、以专科为导向的POC超声
图3专科专用分类示意图
随着POC超声的进一步发展，许多超声仪器生产厂商已经开发出满足临床应用各种专业需求的专科化超声仪器，包括以GE(Venue™),Mindray(M9™), Sonoscape(S9™),Wisonic(Clover™)为代表的便携式超声,以及Philips(Lumify™),Butterfly(iQ+™),Chison(SonoEye V5™),Stork(S35™),SonoStar(Bprobe™) 为代表的掌上超声（图3）。例如，GE(Venue™)是专门面向急诊、重症领域临床医生使用的超声仪器，完全针对实际临床需求而设计，包括智能功能设计（基于深度学习技术的智能BLUE方案、RUSH方案及VTI智能评估监测），操作过程简洁高效[72,73]。Wisonic Clover™是一款专为麻醉应用而设计的一体机，配有大触摸屏，更易于远距离观察和消毒。探头上内置可定制的功能按钮，用于多普勒调控、参数调节、模式切换及针道增强控制。 POCUS设备必须适应专科临床医生的特定应用和要求，这有望成为超声未来发展的关键领域。另外,也可以将多种专科超声技术用于一种临床场景，实施多脏器或多模态超声评估[33]。
图4 常用便携式超声及掌上超声仪器
总结
基于新理念的POCUS具有较好的应用前景，将极大地扩展超声的临床应用。近年来，人工智能、云计算技术、5G网络、机器人和远程技术等各类新兴技术开始融入超声设备，超声系统已逐步发展成为具有强大成像功能的智能终端平台。此外，专科化的超声仪器往往更适合，且更能满足各临床专科日益增长的需求。基于新理念POCUS不仅引领着一场现代技术革命，同时极大的扩展了超声的应用场景。
作者信息
王瑶婷，柴慧慧，叶瑞忠，李景植，刘吉斌，林晨，彭成忠
