第1章 緒論 1.1. 前言
當聲波的頻率大於 20 kHz 時，此種聲波即稱之為超音波，聲波具有大部分光波 所擁有的特性，像是反射、折射、繞射、散射和衰減等。1794 年義大利生物學 家 Lazzaro Spallanzani 用實驗證明蝙蝠能在夜間飛行且不需透過眼睛，這是因為 牠能夠發出一種人類看不到也聽不到的波，並藉由這種波來辨識方向，雖然這 個發現在科學上留下了一個的謎題，直到 1938 年兩名哈佛大學的學生 Donald Griffin 和 Robert Galambos 用儀器測得這種波就是超音波才解釋了這個問題，過 了一個世紀，1942 年 Karl Dussik 將超音波用來幫助診斷，這被認為是超音波診 斷的開端。技術不斷的突破使超音波在今日成為極重要的診斷工具。
超音波影像檢查 ( Sonography ) 是一種透過影像來呈現人體內部結構情形的方 法，包含肌肉、骨骼、內臟及組織病變等，以影像檢查的方式可以讓醫師判斷 對病人進行手術的必要性，進而減少不必要的手術。即使現今已有其它的醫學 影像技術，像是磁振造影 ( Magnetic Resonance Imaging , MRI )、電腦斷層 ( Computer Tomography , CT )、正子斷層造影 ( Positron Emission Tomography , PET ) 等，皆具有更好的解析度、對比度、清晰度和訊雜比，但超音波的低成 本、診斷快速且無副作用，使超音波診斷有不可被取代的地位。因此經常被醫 生做為初步的診斷工具，而許多廠商已開發出具有進階功能的超音波成像技 術，像是組織諧波成像 ( Tissue Harmonic Imaging , THI )、Doppler超音波、脈衝 反相技術 ( Pulse Inversion , PI )、脈衝壓縮技術 ( Pulse Compression )、超音波對 比劑 ( Ultrasound Contrast Agent , UCA )、彈性影像 ( Elastography )、血管內超音 波 ( Intravascular Ultrasound )、……等。目的就是要克服超音波使用在不同場合 所受到的限制。
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1.2. 研究動機
過去許多研究不論是實驗或是模擬皆證實，組織諧波成像比起傳統基頻成像具 有更高的解析度、訊雜比和對比度，且因其旁瓣 ( Side-lobe ) 能量較小故可減少 影像中的假像 ( Artifacts ) 干擾，如圖1.1 所示，為四張肝臟超音波之影像，上面 兩張圖為健康的肝臟，下面兩張圖為肝臟病變。而左邊和右邊則分別代表基頻 及二倍頻影像。透過比較這兩種影像，發現在清晰度、對比度確實有明顯的差 異，但結構上看不出有何明顯差異，對於病變的可見度仍然不容易看出。
圖1.1
健康及病變之肝臟分別在基頻及二倍頻上的影像
(a) 健康肝臟基頻影像 (b) 健康肝臟二倍頻影像
(c) 肝硬化基頻影像 (d) 肝硬化二倍頻影像
doi:10.6342/NTU201601303 比較中，對於 Cyst 和 Echogenic tissue 病變，組織諧波成像確實比基頻成像好，
但對於 Solid mass 和 Echotexture abnormality 來說，兩種成像的效果則是不相上 下。另外還發現身體質量指數 ( Body Mass Index , BMI ) 較低的病人，組織諧波 成像的 Confidence of diagnosis 及病變的可見度也會低於身體質量指數較高的病 人，因此組織諧波成像對診斷的幫助在某些情況下仍然不足。由於這個限制所 以激發了我們想要研究新的超音波成像技術的動機。
Lesion characteristic
Harmonic Better than Conventional
Harmonic the Same as Conventional
Harmonic Inferior to Conventional
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Phantom Density (g/cm3) Intersitial hepatocirrhosis 1.05 1560 1.09 7.4 ± 0.4 Parasitic hepatocirrhosis 1.05 1527 1.17 7.8 ± 0.5
Healthy liver Healthy spleen Healthy kidney Parasitic hepatitis Fibrinoid hepatitis Necrotizing hepatitis Interstitial hepatic cirrhosis Parasitic hepatic cirrhosis Biliary hepatic cirrhosis Fatty liver Hepatic Necrosis Chronic splenitis Interstitial nephritis Red infarct nephritis Lipoid nephrosis Crescentic nephritis
Tissues
B/A Attenuation Sound speed Density
doi:10.6342/NTU201601303 impedance, Z (𝟏𝟏𝟏𝟏𝟔𝟔𝒌𝒌𝒌𝒌 ∙ 𝒎𝒎−𝟐𝟐∙ 𝒔𝒔−𝟏𝟏)
Attenuation coefficient, 𝛂𝛂 at 1 MHz
Soft tissue
(mean values) 1540 1.63 0.6 𝑓𝑓 尚無資料
Water 1480 1.48 0.002 𝑓𝑓2 5.2
From Duck(1990)、Wells(1977)
表2.1
人體中不同組織之聲學參數
1 Beyer, R.T, 2008. The Parameter B/A In Nonlinear Acoustics (eds. Hamilton, M. F., Blackstock, D. T.)