远程超声诊断成像的遥操作架构系统综述：透明性与稳定性的平衡之道

《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》：Teleoperation Architectures For Remote Ultrasound Diagnostic Imaging: A Systematic Review

本文针对远程超声诊断中遥操作架构缺乏系统分析的问题，对39个远程超声系统进行了全面回顾，重点评估了其领导者-跟随者设计、控制策略和力反馈实现。研究表明，架构选择在延迟环境下对系统稳定性与透明性存在关键权衡，为下一代远程超声技术的开发提供了重要参考框架。

　　

超声成像作为早期诊断的关键技术，以其无创、无辐射和实时性等优势在临床中发挥着重要作用。然而，其诊断准确性高度依赖医生的操作经验，且在偏远地区或资源有限环境中，患者往往面临诊断延迟的风险。远程超声（Teleultrasound）作为远程医疗的一个分支，通过遥操作机器人系统使医生能够为远距离患者进行超声检查，在疫情期间、太空任务和偏远社区等场景中展现出巨大潜力。

尽管此前已有研究从临床应用、自主化水平等角度对远程超声系统进行综述，但对其核心使能技术——遥操作架构的系统性分析仍属空白。遥操作架构如同系统的"神经中枢"，直接决定了远程操作的精确性和反馈的真实感。更重要的是，在真实的远程操作场景中，通信延迟不可避免，而系统的稳定性（safety）与透明性（transparency）——即操作者感知远程环境的真实程度——之间存在固有的权衡关系。这一核心矛盾使得远程超声系统的设计极具挑战性。

为此，研究人员对2000年至2025年间发表的39个完整远程超声系统架构进行了系统性回顾。研究不仅关注设备的机械设计和低层级控制（low-level control），更从整体的架构视角出发，分析了不同类型遥操作架构（如单向控制、双向控制、位置-力控制等）在真实测试条件下的表现。研究特别评估了力反馈（force feedback）的实现方式、时间延迟处理策略、通信基础设施以及针对不同解剖部位的适用性。

在技术方法上，本研究通过Scopus数据库进行了系统的文献检索，采用严格的纳入和排除标准筛选出符合条件的远程超声架构。对每个系统，研究人员详细分析了其领导者设备（医生端）和跟随者设备（患者端）的机械设计、运动学特性、自由度（Degrees of Freedom, DoFs）配置以及低层级控制策略。同时，评估了各系统采用的遥操作架构类型、力反馈机制、通信延迟处理技术，并考察了其在实际超声检查中的表现，包括支持的探头运动类型（滑动、倾斜、旋转等）和适用的解剖部位。

领导者设备设计分析

领导者设备是医生与远程系统交互的接口，其设计直接影响操作的直观性和反馈质量。

研究发现，领导者设备主要分为三类：触觉接口（haptic interface）、本地探头（包括触觉探头和虚拟探头）以及操纵杆。触觉接口如PHANToM系列设备，通常具有混合运动学结构和6个自由度，能提供真实的力反馈，使医生获得沉浸式的操作体验。这类设备允许医生像持握真实探头一样进行直觉性操作，但需要复杂的控制方案，且在存在时间延迟时可能引发稳定性问题。

本地探头设计在操纵杆和触觉接口之间提供了折衷方案。触觉探头在具备定位传感器的同时加装了能提供力反馈的致动器，虽反馈质量不及专业触觉接口，但引起的稳定性问题较少。虚拟探头则通过传感器检测医生在超声操作中的位置和方向，牺牲了力反馈以换取简单性和稳定性。

操纵杆类设备最为简单易用，但通常是由现有技术改装而来，非专为远程超声应用设计，医生需要通过不够用户友好的界面学习系统操作，且无法提供力反馈，最多只能通过图形用户界面（Graphic User Interface, GUI）显示远程机器人所施加力的视觉指示。

跟随者设备设计分析

跟随者设备负责在患者端精确复现医生的操作动作，并与患者身体建立安全互动，其设计对系统稳定性和接触反馈透明度至关重要。

分析显示，跟随者设备主要分为仿人机械臂（anthropomorphic robotic arms）、手持设备（handheld）、定位器（positioners）以及其他类别（包括线缆驱动设备、非仿人机械臂和电动探头）。近年来，协作机器人机械臂已成为最主流的跟随者解决方案，如UR5、KUKA LBR iiwa等。这类设备具有灵活性高、符合人机交互安全标准、易于安装等优点，赋予医生完整的位姿控制能力和高度自主性。

手持设备则需要远程操作人员在医生视频指导下手动进行探头的宏观定位，自主性有限，且存在体积和重量问题。定位器类设备通常采用并联或混合运动学，通过解耦的平移和旋转实现精确的探头定位，虽性能优异但往往体积庞大、系统复杂。

在低层级控制方面，大多数远程超声架构为跟随者机器人实施了闭环位置控制（closed-loop position control），这种选择优先考虑稳定性，但可能降低接触质量。少数架构采用了更为关注交互质量的阻抗/导纳（impedance/admittance）或力/柔顺（force/compliance）控制，这些控制方式能建立更透明的接触，从而改善触觉感知和运动透明度，但调试难度大且稳定性挑战高。

遥操作架构规格分析

遥操作架构的核心决策在于确定传输的信息类型以及系统的稳定化方法，这直接关系到稳定性与透明性之间的权衡。

研究发现，近半数被分析的架构采用了单向控制（unilateral control）遥操作架构，即领导者机器人向跟随者发送位置信息，但除了超声图像外没有反馈传回医生端。这种设计完全牺牲了透明性以规避稳定性问题。

其余系统则实施了双向控制（bilateral control）遥操作架构，主要为位置-力（Position-Force, PF）架构。这类系统能够将力反馈传递给医生，辅助其在超声检查过程中感知患者身体，但系统复杂性增加，且在存在延迟时可能面临稳定性挑战。

在稳定性保障方面，仅有三个系统实施了被动性层（passivity layer）来确保系统稳定性。例如，ReMeDi系统使用基于波变量（wave variables）的被动性层处理时变通信延迟问题；Cho等人则通过低通滤波器确保被动性，通过调整截止频率来平衡透明性与稳定性。

通信渠道的分析表明，随着技术进步，5G等高性能网络正被广泛应用。测试条件方面，研究强调了在真实操作场景下评估系统的重要性，包括实际的时间延迟、由医生操作领导者设备、跟随者与真实患者互动等。

超声程序描述分析

研究还详细分析了各系统适用的超声机器、探头类型以及测试的解剖部位。多数系统针对特定解剖区域进行了测试，但也有一些系统声明了预期用途而未在指定部位进行测试。

超声探头的选择根据目标解剖区域而定：凸阵探头（convex probes）用于腹部扫描，因其穿透深度大；线阵探头（linear probes）适用于甲状腺和外周血管等浅表结构；相控阵探头（phased array probes）则用于心脏超声和胸腔成像。

研究指出，远程超声检查通常比现场检查耗时更长，这主要与通过视频可视化探头的困难、机器人的物理限制等因素有关。然而，大多数研究强调，诊断有效性仍是首要参数，且远程超声系统在避免患者转移方面的优势使得增加的时间在常规和紧急情况下均可接受。

研究结论与意义

本综述通过结构化比较39个完整远程超声架构，揭示了设备设计和架构选择在实现有效远程超声诊断中的关键作用。

研究表明，有效的远程超声架构设计应追求诊断准确性、安全性和可用性（包括直观性和工作负荷）的最佳平衡。如图3所示，这些理想结果受到稳定性、透明性和图像质量的共同影响，其中稳定性和透明性相互制约，而图像质量则受前两者的共同影响。

从设计趋势看，触觉接口在领导者端占主导地位，因其终端效应器探头符合人体工学设计、操作直观且具备力反馈潜力，允许自然的探头控制并最小化用户培训需求。在跟随者端，协作机器人机械臂是最常见选择，它们结合了机械柔顺性、人机交互安全性和灵活性，适用于多种解剖目标。

在遥操作层面，文献揭示了处理稳定-透明权衡的两种策略：一种是完全避免力反馈，优先考虑稳定性和架构简单性但完全放弃透明性；另一种是在延迟条件下保留力反馈，这需要引入被动性层来保证稳定性，但会降低透明性并增加系统复杂性。在真实的高延迟、高接触力条件下，使用力反馈和被动性层的架构代表了远程超声架构的技术标杆。

尽管远程超声技术日趋成熟，但仍面临多项挑战。最具挑战性的是在通信延迟下和临床相关力范围内实现真实、稳定且透明的力反馈。此外，超声程序和患者特征的变异性要求系统具备通用性和适应性，能够应对不同的解剖区域和体型。

未来发展方向可能包括与自主超声技术的比较，以及向"辅助和共享自主遥操作"范式演进，其中机器人辅助可以减轻操作者疲劳，交互控制有助于确保安全一致的探头接触，AI引导则可在不削弱临床决策的前提下支持医生执行程序和解读结果。

总之，成功的远程超声系统关键在于开发透明、符合人体工学且适应性强的设备，为医生提供尽可能高的自主性。在此基础上，遥操作架构（无论是双向还是单向）可根据可用性、安全性和诊断性能进行优化。最终，远程超声系统应致力于缩短学习曲线，保留医生的自然工作流程，并支持广泛的程序和患者类型，其成功秘诀不仅在于技术复杂性，更在于临床可行性、直观操作和真实场景下的鲁棒性。