斑點追蹤法

在彈性影像中，當射頻資料無法取得時，通常較易取得為 B-Mode 影像。此時我們便使用 斑點追蹤(speckle tracking)的技術，來幫助我們計算組織的形變。

所謂的斑點追蹤法，是利用在超音波影像中，當影像下之物體與探頭之相對移動相對於探 頭大小不大時，影像中此物體所產生之斑點特徵會相對的改變不大。所以當我們想要計算在一 張影像中組織上面的某一點，在另外一張影像上之位移時，我們可利用下面之計算法則:

在第一張影像以欲求位移之點為中心，取一適當之區塊，稱為 template block，再於第二章 影像此點之附近，取一相同大小之區塊，稱為 candidate block，如圖 V-E-2 所示。再計算 template block 與 candidate block 之 相 關 程 度 ， 例 如 correlation coefficient 或 是 sum of absolute difference(SAD)，找出相關程度最高的 candidate block，這個區塊的中心點，便當成是原來第一 張影像中欲求位移之點在第二章影像上的位置，所以兩點之間的差便是此點之位移。

圖 V-E-2: 斑點追蹤法示意圖

在連續施加外部應力之下一序列之 B-Mode 影像中，我們先使用斑點追蹤的技術，找出在影 像中每一個 pixel 之位移，並將這個位移依不同的方向作累加，如圖 V-E-3 所示(經過三次位移):

圖 V-E-3： 位移於受壓過程中之累加

再依不同的方向，將施加之外部應力對該方向之位移做圖，圖 V-E-4 為 Y 方向上之作圖:

圖 V-E-4： 位移於受壓過程中之計算

最後我們可以用一階多項式(圖 V-E-5)或是二階多項式(圖 V-E-6)來近似此曲線。

y

y

y1

x1 x₂ x₃ Original pixel

After One Move After Two Move

After There Move

Pull

Displacement Displacement of Y

y1

y2

y3

One Pull

Two Pull

Three Pull

依此方法就可以從形變-壓力曲線圖中估計彈性相關係數。

以下為本實驗室先前曾經進行過的仿體在連續施加外部應力之下，一序列的 B-Mode 影像。

在 B-Mode 影像之下，我們使用斑點追蹤法的技術，其執行結果如下。

在此我們使用下面之 B-Mode 仿體影像作為輸入，仿體高度為 8 cm，並使用步進馬達控制 探頭施壓，每次施壓步進距離為 500 m

µ

在第一次測量之前，已先控制步進馬達前進 2.5mm，所得的 B-Mode 影像如下:

Pull

Displacement First Poly Fit of Y

One Pull

Two Pull

Three Pull

One Pull

Two Pull

Three Pull Second Poly Fit of Y

y=ax b+ ₂

y=ax +bx c+

圖 V-E-5：一階近似 圖 V-E-6： 二階近似

每施壓一次，便接受探頭訊號並處理產生一張 B-Mode 影像。經過十六次的連續施壓，亦 即步進馬達移動

2.5mm + 0.5mm × 16 = 10.5mm 時，所得的 B-Mode 影像如下:

圖 V-E-8： 受壓後之仿體影像

我們使用這組 B-Mode 影像作為輸入，使用斑點追蹤計算每張圖形的位移之後，將所有的觀 察點，每隔五個點對步進馬達的 pull displacement 作圖，如圖 V-E-9：

圖 V-E-9： 各觀察點之應變分佈

當我們用一個二次函數去近似這些曲線，如圖 V-E-10：

圖 V-E-10： 各觀察點應變分佈之二次近似

另外，我們將圖形上面每一個 pixel 之形變顯示出來，如圖 V-E-11 至圖 V-E-15 (預先施壓 之長度為 2 mm)

圖 V-E-11： Pull displacement 0.5 mm

圖 V-E-12： Pull displacement 2.5 mm

圖 V-E-13： Pull displacement 4.5 mm

圖 V-E-14： Pull displacement 6.5 mm

圖 V-E-15： Pull displacement 8.5 mm

從這些圖可以看出，仿體的邊界並沒有非常明顯的特徵，整個仿體也並沒有表現出在不同 的 pull displacement 之下明顯不同的形變差異，所以若我們想使用 B-mode 影像之斑點追蹤法來 判讀腫瘤，會相當的困難。此外，隨著受測物體的深度加深，形變有明顯增加的趨勢，這是因 為相對於施壓的探頭來說，越深的組織其相對位移會越大。

以下為對上述兩種方法的評估及討論。當使用射頻訊號作為輸入資料，雖然可以得到比較 精確之結果，但其形變，只限於在軸向方向上，並沒有辦法取得 2-D 的形變資訊，遑論要去估 計現實狀況的三維空間影像。且此方法假設在施加外部應力之後，目標物的散射體並不會有太 大變化，但在實際情況中，施加壓力往往會使組織的散射子產生相當程度之改變。另外，在一 般的醫用超音波影像系統中，射頻資訊常常是無法取得的，這在相當大程度上，便限制了這個 方法的應用。

而使用 B-Mode 之斑點追蹤法雖然只需要 B-Mode 影像作為輸入，但是其計算結果並不精 確，且如上面我們使用仿體實驗求出之結果所示，此方法對於不同彈性係數之組織之間邊界十 分不敏感，無法精確偵測彈性係數特異之組織。另外，而且斑點追蹤本身的計算即十分耗時，

往往十幾張 B-Mode 影像的計算便是十幾個小時，以上述之仿體實驗影像為例，其 ROI 為 300

最後，上述兩種方法，所計算出的皆為影像中組織的形變，我們仍須估計應力之分布，方 能求出其彈性模數。在一般的研究中往往假設探頭表面積遠大於影像 ROI 之深度，且探頭為一 圓形平面，在此應力模型之下，組織只受到軸向方向之應力，且相同的深度其所受之應力相同，

各個深度的應力皆可代入公式計算得知，但在實際臨床影像上，這些假設往往是不成立的，故 應力之分佈幾乎無法正確的估計，這使上述兩種方法，在臨床影像得出之結果與實際情形將差 異更大。