超哥讲故事 | 从蝙蝠声纳到AI大模型时代:超声医学的三百年演变

文摘   2024-12-25 22:02   江苏  

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超哥有话说:

今天过节,也即将迎来新的一年,希望大家都充满希望,充满活力,不忘初心。回顾医学超声的发展历程,就像一场不断发现和创新的旅程。从18世纪蝙蝠的回声定位,到今天人工智能与弹性成像的深度融合,超声技术让我们一次次打破想象的边界。这个过程中,科学家们以探索精神为灯,点亮了无数患者的生命之路。

在这特别的节日里,我们不仅要感谢为超声技术发展付出的每一位先驱,更要展望未来。超声的未来,不仅仅是诊断工具的升级,更是智慧医疗时代的象征。或许在不远的将来,每个人都能在家中通过一台智能设备进行超声检查,实现真正的医疗普惠。

祝所有关心和从事超声事业的朋友们节日快乐!

医学超声的发展体现了从基础科学到临床应用的跨越式进步。早期研究以生物学启发和物理学发现为基础,逐步发展为工业领域的应用技术,随后在战后医学需求的推动下进入医疗领域。20世纪中期,随着电子技术和成像技术的进步,实时扫描、B模式成像和设备小型化推动了超声成为临床诊断的重要工具。接下来的几十年里,多普勒技术的应用进一步拓展了心血管和血流动力学领域的诊断能力,而三维和四维超声的出现使解剖结构的直观可视化成为可能。进入21世纪,超声技术向多样化和智能化方向发展,弹性成像、对比剂超声以及人工智能的引入大幅提升了诊断的精确性和广泛性。

1700s-1800s:超声的起源与基础研究

超声的研究最早可以追溯到18世纪。意大利科学家拉扎罗·斯帕兰扎尼(Lazzaro Spallanzani)首次研究蝙蝠在黑暗中导航的能力,证明了它们利用高频声波(而非视觉)进行“回声定位”(echolocation)。这项研究为超声物理学奠定了生物学基础。

意大利科学家拉扎罗·斯帕兰扎尼(Lazzaro Spallanzani)

  • 关键事件

    • 斯帕兰扎尼通过将蝙蝠的眼睛蒙住并遮住嘴巴,发现蝙蝠通过耳朵导航。

    • 19世纪后期,居里兄弟(Pierre Curie 和 Jacques Curie)在1880年发现压电效应,即某些材料在受到机械压力时产生电荷。这一发现为生成和接收超声波提供了技术支持。

  • 技术意义

    • 压电效应使高频声波的生成成为可能。

    • 这些科学突破为工业和医学超声设备的发明奠定了坚实基础。

    皮埃尔·居里(Pierre Curie,1859-1906):科学的先驱


    1900s-1940s:工业超声的兴起与医学探索的开端

20世纪初,超声最初应用于工业领域。泰坦尼克号的沉没(1912年)以及第一次世界大战的需求推动了高频声波技术的发展。法国物理学家保罗·朗之万(Paul Langevin)率先利用压电效应开发出检测潜艇的声呐(SONAR)技术。

  • 工业领域

    • 声呐用于测量海底地形和探测潜艇,成为军事和商业航运的关键技术。

    卡尔·杜西克(Karl Dussik)兄弟首次尝试用超声波检测脑部结构


  • 医学探索的起步

    • 1940年代,军用声呐设备被改装用于医学研究。卡尔·杜西克(Karl Dussik)兄弟首次尝试用超声波检测脑部结构,并称其为“超声脑图”(hyperphonography),尽管技术局限导致早期结果多为伪影。

    • 1947年,约翰·怀尔德(John Wild)使用脉冲回声技术成功区分肿瘤组织和正常组织,这是超声医学真正意义上的应用开端。

    超声开始进行探伤,肿瘤诊断等工作


    1950s:实时超声扫描技术的诞生

1950年代是超声医学发展的关键时期,标志着从理论探索到临床应用的飞跃。道格拉斯·霍瑞(Douglass Howry)和约瑟夫·霍姆斯(Joseph Holmes)发明了B模式线性复合扫描仪,实现了组织的二维成像。

道格拉斯·霍瑞(Douglass Howry)和约瑟夫·霍姆斯(Joseph Holmes)发明了B模式线性复合扫描仪

  • 技术创新

    • B模式成像技术允许医生实时观察解剖结构。

    • “复合扫描”技术通过多角度成像消除伪影,提高了图像质量。

  • 临床应用

    • 苏格兰医生伊恩·唐纳德(Ian Donald)与工程师汤姆·布朗(Tom Brown)联合开发了一种基于工业缺陷检测设备的超声装置,用于监测胎儿发育。

    • 这一设备成为产科超声的雏形,并于1958年首次用于腹部肿块检测。


1960s:设备小型化与普及

1960年代,随着电子技术的进步,超声设备逐步实现了小型化和便携化。

  • 主要进展

    • 1962年,开发出世界上首个手持式超声探头。

    • 1965年,德国科学家瓦尔特·克劳泽(Walter Krause)等人制造了首个实时扫描仪“Vidoson”,标志着超声设备从实验室走向临床的转折点。

  • 临床优势

    • 设备小型化极大地降低了使用门槛,使超声技术更广泛地应用于医院和私人诊所。

    德国科学家瓦尔特·克劳泽(Walter Krause)等人制造了首个实时扫描仪“Vidoson”


    1970s-1980s:多普勒超声的革命与教育推广

多普勒超声技术的突破对医学诊断和研究产生了深远影响,尤其在血流动力学的非侵入性研究领域。通过利用“多普勒效应”(由克里斯蒂安·多普勒在1842年首次提出),多普勒超声可以检测运动中的物体(如血液)反射回来的超声波频率变化,从而测量血流的速度和方向。多普勒超声利用连续波(Continuous Wave)或脉冲波(Pulsed Wave)技术,将超声波发射到血管中,并接收血液反射回的信号。血液流动速度的变化会引起回波频率的偏移,这种频率差异被称为“多普勒频移”。通过精确分析这些频移数据,医生能够测量血流速度、流向,以及评估血管的通畅程度。

技术发展

  • 1955年,日本科学家佐村重雄(Shigeo Satomura)将多普勒原理首次应用于检测心血管脉搏。

  • 1970年代,脉冲多普勒技术被发明,使心血管血流的定量评估成为现实。


  • 彩色多普勒成像技术在1980年代问世,结合二维图像提供了血流的方向和速度信息。

  • 医学教育

    • 1970年,美国成立超声技术专业学会(ASUTS),首次开展正规化的超声教育和培训。

    • 通过专业课程和临床实习培养了大批超声专业人员。

    (A) Vidoson 实时超声扫描仪。探头外壳安装在一个可移动的支架上,并与主控制台固定连接。(B) 工作机制。(C) 显示胎儿面部和手部的图像结果。(D) 理查德·索尔德纳(Richard Soldner)


1980s-1990s:三维与四维成像

随着计算机技术的迅猛发展,三维(3D)和四维(4D)超声技术逐步从实验室研究转向临床应用。这一过程不仅改变了医学成像的方式,也极大地拓展了超声技术在诊断和治疗中的适用范围。三维超声技术通过采集连续的二维(2D)切面图像,并将其重建为三维体积图像,使医生能够从多个角度观察解剖结构的立体形态。

三维成像

  • 1989年,奥地利公司Kretztechnik推出了首款三维超声设备Combison 330。

  • 初期的三维设备虽然能生成立体图像,但图像渲染时间长(高达20分钟),限制了其临床应用。

四维超声

  • 1990年代,实时三维成像(即四维超声)问世,使胎儿的实时观察成为可能。这项技术特别适用于产科和心血管领域。


第一台由约瑟夫·霍姆斯(Joseph Holmes)、威廉·赖特(William Wright)和拉尔夫·迈耶迪克(Ralph Meyerdirk)研发的手持式超声探头

2000s至今:技术多样化与智能化

进入21世纪,超声技术迎来了多样化和智能化的快速发展,广泛应用于医学诊断、治疗和健康监测等多个领域。在成像方面,高分辨率超声、弹性成像和对比剂超声的引入极大地提升了图像质量和诊断精确性,使早期肿瘤检测、心血管疾病评估和软组织病变的诊断更加精准。同时,人工智能技术的融合使超声设备具备了自动图像分析、病灶识别和诊断建议功能,大幅提高了诊断效率,特别是在资源有限的地区显得尤为重要。超声技术的便携化和微型化进一步推动了其在急救、基层医疗和家庭健康监测中的普及,便携式和手持式超声设备让实时诊断成为可能。此外,超声的治疗应用也在拓展,如聚焦超声在肿瘤消融、疼痛管理和神经调控等领域显示出巨大潜力。可以预见,未来超声技术将继续突破物理和技术的限制,成为精准医疗和个性化医疗的重要支柱,为患者提供更加高效、安全和全面的健康解决方案。

弹性成像:

  • 通过评估组织的机械响应检测硬度,广泛应用于肿瘤和心血管疾病的诊断。

对比剂超声

  • 使用微气泡增强血流信号,用于溶解血栓、跨越血脑屏障等领域。

人工智能

  • AI算法被应用于乳腺癌等疾病的诊断,为资源有限的地区提供了极大的便利。

便携与床旁超声

  • 微型化设备使超声波成为急诊和重症监护中的常规工具。

展望未来,超声技术将进一步整合人工智能、微型化和智能可穿戴设备,成为个性化医疗和实时诊断的重要组成部分。同时,超声在非侵入性治疗和药物递送中的潜力也将得到更广泛的挖掘。结合高性能计算和新材料技术,超声医学有望在癌症诊断、神经调控和心血管疾病治疗等领域迎来更多突破,为精准医疗提供强有力的支持。

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我是超哥,超声行业17年老伙计,做过研发,搞过生产,趟过市场,开过(在开)公司;越野跑爱好者;工作狂;沟通粗暴直接;严苛完美主义者;起伏皆为过往;信奉长期主义和第一性原则;欢迎来聊来组局...


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