清華新聞網(wǎng)9月5日電 醫(yī)學(xué)超聲是一種安全、無(wú)創(chuàng)、無(wú)輻射的臨床檢查手段，可應(yīng)用于多個(gè)器官和多種疾病的檢查。與CT、X光等檢查方式不同，超聲成像高度依賴(lài)醫(yī)生的手法與經(jīng)驗(yàn)，要求醫(yī)生有極高的手眼腦協(xié)調(diào)能力。因此，醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨優(yōu)質(zhì)醫(yī)生資源短缺、標(biāo)準(zhǔn)化程度不足、檢查效率偏低等挑戰(zhàn)。利用先進(jìn)的人工智能和機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化的自主超聲掃查，成為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的關(guān)鍵途徑。
然而，自動(dòng)化醫(yī)學(xué)超聲掃查類(lèi)似于“在人體上的自動(dòng)駕駛”，其技術(shù)難度主要體現(xiàn)于以下方面：第一，需要機(jī)器人能夠在患者正常呼吸的情況下，始終保持探頭與皮膚的安全穩(wěn)定接觸；第二，需要自動(dòng)適應(yīng)不同個(gè)體間的解剖差異，并在三維空間中實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的精準(zhǔn)導(dǎo)航與切面掃描；第三，整個(gè)系統(tǒng)必須具備實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。目前，學(xué)術(shù)界僅有少量基于假人模型的初步探索，能夠適應(yīng)真實(shí)人體差異、具備可學(xué)習(xí)能力的超聲機(jī)器人系統(tǒng)在國(guó)際上尚無(wú)成功先例。
圖1.三種超聲范式對(duì)比（a）人工超聲檢查（b）人工遠(yuǎn)程超聲檢查（c）全自主超聲檢查
近日，清華大學(xué)自動(dòng)化系黃高團(tuán)隊(duì)聯(lián)合解放軍總醫(yī)院、空軍特色醫(yī)學(xué)中心和北京智源人工智能研究院成功開(kāi)發(fā)了一套基于具身智能技術(shù)的全自主頸動(dòng)脈超聲機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從影像獲取、參數(shù)自動(dòng)測(cè)量到斑塊診斷分析的全流程自動(dòng)化，并在臨床驗(yàn)證中表現(xiàn)出與高年資超聲專(zhuān)家高度一致的性能，為應(yīng)對(duì)超聲醫(yī)師短缺、推動(dòng)超聲檢查標(biāo)準(zhǔn)化提供了創(chuàng)新性的解決方案，對(duì)于推動(dòng)醫(yī)學(xué)超聲檢查范式的智能化變革具有重要意義。
近年來(lái)，隨著大模型技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Scaling Law（規(guī)模擴(kuò)展法則）得到了廣泛驗(yàn)證。受這一規(guī)律的啟發(fā)，該研究探索了大規(guī)模數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)范式在自主頸動(dòng)脈超聲檢查中的應(yīng)用，具備四個(gè)突出的特點(diǎn)。第一，建立了統(tǒng)一的模仿學(xué)習(xí)框架，能夠同時(shí)學(xué)習(xí)血管解剖結(jié)構(gòu)與超聲掃查操作能力；第二，構(gòu)建了大規(guī)模專(zhuān)家示教數(shù)據(jù)集，為模型強(qiáng)泛化能力奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；第三，制定了標(biāo)準(zhǔn)化掃查規(guī)程，確保覆蓋臨床診斷所需全部關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)與測(cè)量切面；第四，設(shè)計(jì)了以臨床導(dǎo)向?yàn)樵瓌t的系統(tǒng)驗(yàn)證方案，從真實(shí)需求出發(fā)綜合評(píng)價(jià)超聲機(jī)器人的性能表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，該研究提出的大規(guī)模數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)超聲機(jī)器人不僅具備強(qiáng)大的泛化能力，更能達(dá)到專(zhuān)家級(jí)的操作效率與診斷精度。
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了首個(gè)大規(guī)模頸動(dòng)脈掃查專(zhuān)家示教數(shù)據(jù)集，包含247297對(duì)超聲圖像與對(duì)應(yīng)的掃查動(dòng)作，覆蓋真實(shí)場(chǎng)景中可能出現(xiàn)的多種組織結(jié)構(gòu)變異及專(zhuān)家的自適應(yīng)策略（圖2d）?；谏鲜龃笠?guī)模數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)范式，所研發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自主式頸動(dòng)脈掃查，覆蓋了臨床診斷評(píng)估所需的全部解剖結(jié)構(gòu)（圖2a）。更重要的是，該研究實(shí)現(xiàn)了集掃描、測(cè)量與斑塊篩查于一體的全自主工作流程，為構(gòu)建具備臨床可用性的全自主超聲機(jī)器人系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
圖2.全自主超聲機(jī)器人工作流（a）標(biāo)準(zhǔn)化掃查流程（b）探頭六自由度示意圖（c）頸動(dòng)脈結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖（d）專(zhuān)家示教數(shù)據(jù)集
在驗(yàn)證方面，研究采用臨床導(dǎo)向的評(píng)估方案，并將受試規(guī)模較現(xiàn)有研究擴(kuò)大了10倍。結(jié)果表明，機(jī)器人系統(tǒng)在多樣化人群（年齡19~70歲，BMI16.5~30.8，涵蓋男女）中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)90%的掃描成功率（圖3c），有效應(yīng)對(duì)不同解剖結(jié)構(gòu)變異，包括斑塊患者。同時(shí)，系統(tǒng)在年齡、BMI、設(shè)備及成像參數(shù)等多種擾動(dòng)下均表現(xiàn)出良好魯棒性（圖3d）。研究進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)在頸動(dòng)脈關(guān)鍵指標(biāo)（內(nèi)膜中層厚度與管腔直徑）上的精確測(cè)量能力，其結(jié)果與專(zhuān)家高度一致（圖3a）。值得關(guān)注的是，研究首次驗(yàn)證了機(jī)器人超聲系統(tǒng)在生物計(jì)量中的可重復(fù)性，突破了傳統(tǒng)人工掃描的一致性偏低的局限（圖3b）。
圖3.臨床導(dǎo)向驗(yàn)證（a）機(jī)器人系統(tǒng)與高年資超聲醫(yī)師結(jié)果一致性對(duì)比（b）結(jié)果可重復(fù)性對(duì)比（c）自主影像獲取成功率（d）魯棒性
研究成果以“邁向?qū)＜壹?jí)的自主頸動(dòng)脈超聲掃描——大規(guī)模學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)”（Towards expert-level autonomous carotid ultrasonography with large-scale learning-based robotic system）為題，于8月23日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)自動(dòng)化系2021級(jí)博士生蔣昊峻、趙啟晨，解放軍空軍特色醫(yī)學(xué)中心副主任醫(yī)師楊倩為論文共同第一作者。自動(dòng)化系副教授黃高與解放軍總醫(yī)院主任醫(yī)師、教授何昆侖為論文共同通訊作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-62865-w
供稿：自動(dòng)化系
編輯：李華山
審核：郭玲
