I-Shou University Institutional Repository:Item 987654321/19203
70
0
0
全文
(2)
(3) 致謝 碩士生涯一眨眼就即將結束了，在這兩年中遇到許多事情，有好也 有壞，但我仍努力地撐過來了，首先最感謝的是我的指導老師-馬亞尼老 師，給予我研究上的幫助及教導，同時對於我處事及生活的態度也提供 了許多寶貴的意見及鼓勵，得以讓我面對許多碩士生涯的問題及困境， 最後才能順利的將碩士學位完成。 感謝口試委員-王敬文老師與朱堃誠老師，在論文上的意見及指正， 讓我能及時面對問題，使得論文能更完整且具有學術意義，同時還要感 謝生物醫學工程學系的老師們以及系助-鴨子姐，不管在大學或是碩士生 涯中，給予了莫大的肯定、支持、幫助及肯定。 再來要感謝的是碩士班的同學們以及學弟妹們，在忙碌及具有壓力 的碩士生涯中，有你們帶來的歡樂、鼓勵及協助，即使再忙也會有開心、 快樂與放鬆的時候，尤其是大余、胡椒及邱邱，在我實驗不順利時，能 有個訴說的對象，同時又能給予我課業及論文上給予許多實質幫助，使 得我能更順利的完成研究。 最後要感謝的是我一生中最重要的家人，不管我做什麼決定或是遇 到什麼困境，總是在背後支持、鼓勵及幫助，以至於我能無憂無慮的努 力完成碩士學位，對於你們的期盼，往後我會持續努力達成，以讓你們 感到驕傲。需要感謝的人太多，最後還是只能在此說:謝謝你們! II.
(4) 三維超音波影像於體外震波碎石術之腎結石碎片分析. 中文摘要 體外震波碎石治療已普遍應用於治療腎結石患者，此方法主要使用 X 光或超音波影像定位結石的位置並進行觀察，目前患者在治療中所接受 震波次數約 3000 次，須藉由 X 光或超音波影像來評估碎石程度以停止治 療，因此，結石碎片的評估是結石治療時間長短之依據。本研究利用超 音波影像系統來評估結石碎片，在結石碎裂的過程中，超音波影像也會 隨之改變，因此可利用此特性以取得即時結石碎裂情況。一般而言，在 體外震波治療過程，結石碎裂之影像會產生不同強度及型態的變化，對 於碎片較大者，通常會使得超音波產生較強的反射，但對於小碎片而言， 則顯示較弱反射。在治療過程中，結石位置可能會發生改變，可利用影 像紋理特徵來評估碎裂情況，因此本研究建立三維超音波影像並結合影 像特徵值之分析，以取得影像中的石頭碎裂程度，藉由模擬與實際結石 碎裂，探討應用於體外震波治療結石及時評估之可行性。此三維影像分 析系統可提高治療的效果，同時提供體外震波治療之停止時機參考，並 可在影像分析中顯示三維影像紋理特徵及石頭碎裂程度，其中又以 Entropy 之影像特徵值最佳。 關 鍵 詞 ： 體外震波碎石術、腎結石、碎片、三維超音波影像 III.
(5) Renal Calculi Fragmentation Analysis using 3D Ultrasound Imaging for Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy. Abstract Extracorporeal shock wave lithotripsy has been widely used for the treatment of patients with renal calculi. This method is currently using X-ray or ultrasound imaging to locate the position of the stones and do observations. Currently, patients in the treatment receive about 3,000 shock waves, and need to use X-ray or ultrasound imaging to evaluate the extent of the fragmentation of the stones in order to stop treating. Therefore the stone fragments evaluation is based on the duration of the stones treatment. In this study, we use ultrasound imaging system to estimate the fragmentation of the stones. During the stone fragmentation process, the ultrasound images will change. Generally speaking, in the course of extracorporeal shock wave lithotripsy therapy, fragmentation of the stones will produce changes of intensity and patterns in the image. As for larger stones, they usually produce stronger reflections. But for the fragments, the ultrasound reflections are much weaker. During treatment, the stones fragments may vary their positions. Thus the texture of the image can be used to estimate the fragmentation progress. This study established a three-dimensional ultrasound imaging and combined the analysis of image texture in order to obtain figures representing fragmentation level. We use the simulation and actual stone fragments to investigate the feasibility of applied IV.
(6) extracorporeal shock wave lithotripsy. This three-dimensional image analysis system could be used to improve the effectiveness of the treatment, while providing stop timing reference for the extracorporeal shock wave therapy. The image analysis shows that three dimensional texture figures relate to the fragmentation level of the stone.. Keywords:. Extracorporeal shock wave lithotripsy, Renal calculi,. Fragmentation, Three dimensional ultrasound image.. V.
(7) 目錄 致謝. ............................................................................................ II . 中文摘要 ....................................................................................... III Abstract......................................................................................... IV 目錄. ........................................................................................... VI . 圖目錄 ........................................................................................ VIII 第一章 緒論 ....................................................................................1 1-1 文獻回顧及研究背景......................................................................... 1 1-1-1 體外震波碎石術 ......................................................................... 5 1-1-2 超音波原理 ................................................................................. 8 1-2 研究動機及目的 ................................................................................. 9 . 第二章 超音波影像分析法.........................................................12 2-1 灰階共生矩陣法 ............................................................................... 12 2-2 影像特徵值的擷取........................................................................... 13 . 第三章 實驗材料與方法...............................................................15 3-1 實驗設計 ........................................................................................... 15 3-2 三維超音波掃描系統....................................................................... 16 3-3 體外震波碎石系統........................................................................... 18 3-4 體外震波焦點之量測....................................................................... 20 VI.
(8) 3-4-1 水聽器 ...................................................................................... 22 3-4-2 伺服馬達系統 .......................................................................... 23 3-5 體外震波碎石機 ............................................................................... 26 3-6 超音波診斷系統 ............................................................................... 27 3-7 組織假體研製方法........................................................................... 29 3-7-1 吉利丁假體 .............................................................................. 29 3-7-2 猪腎臟模型 .............................................................................. 33 3-8 結石模型 ........................................................................................... 34 3-9 三維超音波影像分析....................................................................... 36 . 第四章 結果與討論 ....................................................................38 4-1 模擬結石碎裂之分析....................................................................... 39 4-1-1 黏土結石模型與塑鋼土結石模型之分析結果 ...................... 39 4-1-2 模擬結石模型之碎裂分析討論 .............................................. 43 4-2 實際結石碎裂之分析....................................................................... 44 4-2-1 猪腎臟之實際結石碎裂結果 .................................................. 44 4-2-2 猪腎臟背景之分析結果 .......................................................... 49 4-2-3 實際結石碎裂之分析討論 ...................................................... 52 . 第五章 結論 ................................................................................54 第六章 參考文獻 ........................................................................56 VII.
(9) 圖目錄 圖 1-1. 泌尿系統.............................................................................................. 2. 圖 1-2. 腎結石介紹 ......................................................................................... 2. 圖 1-3. 震波聚焦區域之 F2 點 ....................................................................... 7. 圖 1-4. 體外震波治療結石之示意圖 ............................................................. 7. 圖 3-1. 實驗設計之流程概要 ....................................................................... 15. 圖 3-2. 三維超音波掃描系統之流程 ........................................................... 17. 圖 3-3. 三維超音波之移動掃描外觀圖 ....................................................... 17. 圖 3-4. 體外震波碎石系統之流程 ............................................................... 19. 圖 3-5. 體外震波碎石系統 ........................................................................... 19. 圖 3-6. 體外震波焦點之量測系統簡化圖 ................................................... 21. 圖 3-7. 示波器顯示之結果 ........................................................................... 21. 圖 3-8. 水聽器實體圖(Platte Needle Probe) ............................................... 22. 圖 3-9. 水聽器之探頭 ................................................................................... 22. 圖 3-10 伺服馬達移動平台外觀 ................................................................... 24 圖 3-11 伺服馬達控制程式介面.................................................................... 25 圖 3-12 體外震波碎石機(ESWL，LM-9200 ELMA) ................................ 26 VIII.
(10) 圖 3-13 超音波診斷系統 ............................................................................... 28 圖 3-14 超音波探頭........................................................................................ 28 圖 3-15 第一代組織假體 ............................................................................... 30 圖 3-16 第一代組織假體之影像 ................................................................... 31 圖 3-17 第二代組織假體 ............................................................................... 31 圖 3-18 第二代組織假體之模具 ................................................................... 32 圖 3-19 第二代組織假體之影像 ................................................................... 32 圖 3-20 實體猪腎臟........................................................................................ 33 圖 3-21 猪腎臟之超音波影像 ....................................................................... 33 圖 3-22 第一代之黏土結石模型 ................................................................... 35 圖 3-23 第二代之塑鋼土結石模型 ............................................................... 35 圖 3-24 石膏球結石模型 ............................................................................... 36 圖 3-25 分析軟體之控制介面 ....................................................................... 37. 圖 4-1. 黏土結石模型之影像 ....................................................................... 40. 圖 4-2. 塑鋼土結石模型之影像 ................................................................... 40. 圖 4-3 Entropy 不同軟硬結石之分析結果 ................................................ 41 圖 4-4 Contrast 不同軟硬結石之分析結果 ............................................... 41 圖 4-5 Homogeneity 不同軟硬結石之分析結果........................................ 42 圖 4-6 IDM 不同軟硬結石之分析結果 ...................................................... 42 IX.
(11) 圖 4-7 ASM 不同軟硬結石之分析結果 ..................................................... 43 圖 4-8. 猪腎結石碎裂之影像 ....................................................................... 45. 圖 4-9. 猪腎結石碎裂之實際大小 ............................................................... 45. 圖 4-10 猪腎結石碎裂之實際結果 ............................................................. 46 圖 4-11 Entropy 猪腎結石碎裂之分析結果 .............................................. 46 圖 4-12 Contrast 猪腎結石碎裂之分析結果 ............................................. 47 圖 4-13 Homogeneity 猪腎結石碎裂之分析結果...................................... 47 圖 4-14 IDM 猪腎結石碎裂之分析結果 .................................................... 48 圖 4-15 ASM 猪腎結石碎裂之分析結果 ................................................... 48 圖 4-16 非結石區域之猪腎臟背景 ............................................................. 49 圖 4-17 Entropy 猪腎結石碎裂之分析結果 .............................................. 50 圖 4-18 Contrast 猪腎結石碎裂之分析結果 ............................................. 50 圖 4-19 Homogeneity 猪腎結石碎裂之分析結果...................................... 51 圖 4-20 IDM 猪腎臟背景之分析結果 ........................................................ 51 圖 4-21 ASM 猪腎臟背景之分析結果 ....................................................... 52. X.
(12) 第一章 緒論. 1-1 文獻回顧及研究背景. 人體泌尿系統包含位於胸椎及腰椎兩側的腎臟、兩條輸尿管、膀胱 以及尿道，並由這四個器官所組合而成，而尿液的生成便是由此而來， 主要依序功能為產生、運輸、儲存及排泄，其中腎臟為泌尿系統主要器 官，負責過濾血液中雜質並生成尿液，再經由輸尿管運輸尿液及雜質毒 素至膀胱儲存，而當尿液儲存達到約 500 毫升，則會產生尿意，並由尿 道排出體外，如圖 1-1 為泌尿系統，一般成人每日約有 1500 毫升排尿量。 人體泌尿系統中，最常見疾病為泌尿結石，結石產生的位置可能位 於泌尿系統中各個器官，分別稱為腎結石、輸尿管結石、膀胱結石與尿 道結石[1-6]。結石的生成主因為腎乳頭部病變，或是部分泌尿系統過於 狹窄，導致尿液流通不順產生滯留，造成結石因子堆積沉澱，產生結晶 物質，稱之為結石。在每個泌尿系統器官皆有可能產生結石，尤其以腎 臟結石機率最高，主要原因是尿液由腎臟過濾血液而產生，最容易在腎 臟堆積產生結石，而腎結石通常指的是位於腎盞和腎盂部位的結石，如 圖 1-2 為腎結石。隨著時代進步與環境不同，飲食習慣、地理環境、季 節因素與生活型態等，眾多不同影響也成為造成泌尿結石的主因之一， 1.
(13) 而患得結石症狀的機會也隨之提高，因此，泌尿結石對於現代人已成為 一種普遍疾病。. 圖 1-1 泌尿系統 (Ref [7]). 圖 1-2 腎結石 (Ref[8]). 在患有泌尿結石卻沒有發炎或阻塞的情況下，結石的病發往往是不 易被發現的，甚至大部分的人們都有結石的可能性，常因為無不適感覺 而沒察覺。基本上結石的大小及位置是影響人體是否會感到疼痛的因素 之一，如果結石小於 0.2 公分，大部分會隨著尿液自動排出，不至於影響 人體[9]，但結石移動的過程中，仍然有一定機率會使得泌尿道刮傷，而 造成發炎血尿等症狀；而有些結石雖大，卻不會影響人體，需透過健康 檢查才能得知，但若處於狹窄尿路時，則容易造成阻塞。尿路結石基本 兩大症狀為疼痛及血尿，大部分的結石容易產生於泌尿道上半部分，如 腎盂、腎盞及輸尿管，其症狀通常容易因為尿路阻塞造成腎水腫，而產 生腎絞痛、腰痠、尿路阻塞、腰痛、血尿、感染等症狀；若結石發生在 2.
(14) 泌尿道下半部分，如膀胱及尿道，其症狀通常為血尿及尿路感染。如前 所述，並非所有結石患者皆有這些症狀，甚至當患者發現有部分症狀時， 腎臟功能可能早已造成感染損傷，因此，必須定期的進行健康檢查。 對於泌尿結石之治療方式，可劃分為傳統治療與新式治療方式，在 早期而言，傳統的治療方式除內服藥物外[10]，最常使用的就是侵入式的 治療，立即藉由手術方式進行取石，例如開刀取石、經皮穿腎截石術、 輸尿管鏡碎石術、膀胱鏡碎石術、尿道鏡碎石術等。一般的開刀取石術， 對於人體而言傷害程度是最大的，過程也較為繁雜，需將腎臟或輸尿管 剖開進行取石，再進行縫合。隨著技術的發展，後來的侵入式治療對人 體傷害範圍也較小，例如經皮穿腎截石術。主要是透過穿刺針在皮膚開 個小洞，經皮膚、組織、腎臟，直到結石位置，再利用水電波導線、超 音波碎石棒或震動碎石棒擊碎取出。而其他傳統手術治療，大部分都是 藉由內視鏡經尿道進入，進行碎石並取出，相較於其他手術，雖然不需 經皮開刀，但仍屬於侵入式治療，同樣對於人體都是有一定的傷害及影 響，且需要在腰椎或全身麻醉下進行，其副作用常為疼痛、出血、感染 發燒及血尿等。 隨著時代進步，新式治療發明，人們選擇治療的方式也更多樣化， 而體外震波碎石術也越來越普遍，不前已成為現階段新式治療的代表， 震波碎石術是一種非侵入性的治療，相對於傳統治療而言，是一種對身 3.
(15) 體組織傷害較低、不需全身麻醉且有效率的新穎治療方式，執行碎石時 間約 30-40 分鐘，是極為快速的治療方式，其副作用可能會因麻醉而頭 暈及嘔吐，或是皮膚、組織瘀血，甚至因結石排出過程中，會產生些許 血尿，但對於腎臟的實質傷害卻相對少見。 體外震波碎石術對於結石患者，雖然已是普遍的治療技術，仍有部 分患者不適用於此治療方式，譬如下泌尿道結石、嚴重尿路感染、孕婦 及腰部脂肪過厚等，其中又以結石大小為基本篩選條件。一般體外震波 適用於結石直徑小於 2 公分之患者，若結石過大者，可搭配其他治療方 式，如經皮穿腎截石術，在治療過後，如有殘留的小結石可再利用體外 震波作為輔助治療，達到治療效果。由於每個人的腎臟大小和腎盞下端 之長度、寬度、高度、角度皆不相同，因此使用體外震波碎石術後，結 石能否完全粉碎並經由尿道排出體外，對於清除結石之成功率是乃重要 的因素之一[11]。 對於體外震波碎石術而言，須搭配醫學影像技術來追蹤定位結石位 置，而現今震波治療中，皆已使用 X 光影像系統或二維超音波影像來定 位結石位置，不過大部分定位影像系統仍以 X 光影像系統為主，其定位 準確性較優於超音波影像，但由於 X 光影像系統會產生游離輻射，對於 人體傷害影響相較超音波影像系統大，且無法進行即時追蹤與觀察破碎 情況，因此，使用 X 光並結合超音波的雙定位系統來取得更精準位置是 4.
(16) 目前體外震波碎石術之趨勢，但對於二維超音波影像系統而言，準確度 仍是不足的，唯有建立三維超音波影像與三維影像分析，藉以改善定位 效果不佳之缺點。 影像分析有多種方式可應用於結石，其中又以紋理特徵影像分析應 用於醫療影像最為廣泛，在空間域中分析紋理最具代表性的方法為 Robert M. Haralick 在 1973 年所提出的共生矩陣法，其方法是以原始影像 中的像素點在鄰近位置之灰階變化之機率密度函數來建立空間灰階共生 矩陣，並分析統計二維影像中特定的兩個灰階值在特定方向和特定距離 下所發生的機率，依此機率建立灰階共生矩陣，並由此共生矩陣建立統 計指標以評估紋理特徵[12]。. 1-1-1 體外震波碎石術. 體外震波碎石術是 20 世紀 80 年代由德國 Dornier 公司所研發出來的 最新技術，於 1979 研發出第一部”HM-1” 機型的結石碎石機，並在 1980 年 2 月，由德國慕尼黑大學之 Chaussy 醫師等，首次成功使用”HM-1”機 型的碎石機進行臨床腎結石治療[13]。1983 年陸續研發出 HM3、HM4 等 機型，直到至今，已發展出多款且先進之機型，並成為尿路結石之治療 主流，是一種革命性的結石治療方式，對於結石治療清除率已超越 80%。 5.
(17) 其特性為非侵入式治療，對於人體傷害甚小，無須麻醉且治療方便，療 程約 40 分鐘左右，病患治療效果需式結石大小、成分、位置而有所影響， 術後只需多喝水，相對於開刀取石較無影響且行動限制。 體外震波碎石術主要可分為三種不同類型，分別為水電式 (electrohydraulic)、電磁式(electromagnetic)或壓電式(piezoelectric)，其工 作原理皆是藉由橢圓形聚焦來產生，如圖 1-3 所示，利用電磁場、電極 或高壓電解水來產生震波，使震波由第一焦點處(F1)產生，接著利用橢圓 聚焦原理反射能量，使其震波集中於腎結石區域，在此稱之為第二焦點 (F2)，並將結石震碎排出體外。 圖 1-4 為利用體外震波治療腎結石之模擬圖，在接受震波治療時， 震波通過皮膚的接觸面大，所受影響較小，當震波集中結石區域(F2)能量 相對較高，因此能將結石震碎，但附近組織則因為較靠近結石，而受到 的影響較多，可能會產生紅腫、出血等症狀。 此種震波是種正向壓力波，當遇到不同阻抗物質時，會釋放出能量， 像是聲波一樣部分被反射、部分則繼續深入。當震波傳至結石時，表面 會產生負向壓力張力波，而在結石的背面同樣會再次產生壓張力，如此 重複施打震波，即能產生極大的應力差來震碎結石，使得碎片能排出體 外，以達到治療結石之效果。. 6.
(18) Patient’s body. Focal area F2. Focal area F1. Shock wave generator. 圖 1-3 震波聚焦區域之 F2 點 (Ref[11]). 聚焦區域之 結石位置(F2). 震波產生之 震波產生器. 焦點(F1). 圖 1-4 體外震波治療之示意圖. 7.
(19) 1-1-2 超音波原理. 超音波屬於一種力學波亦稱為機械波，為一般人聽不到之聲波，人 類耳朵可聽到之頻率為 20~20kHz，而超音波則是屬於大於 20kHz 頻率的 聲波。超音波目前已被廣泛使用於醫學領域，主要可分為診斷及治療， 治療方面如復健、熱療、震波碎石、美容等功能，其頻率通常較低。而 對於超音波診斷方面，主要是利用超音波影像來診斷部分疾病及人體構 造等，其頻率相對來的高。超音波影像頻率通常為 2M~15MHz，透過超 音波的物理特性，利用不同波源、波形及影像來達到判別及診斷功能。 對於醫用診斷超音波而言，超音波能以一定的速度及方向前進，在 遇到不同阻抗的生物組織或介質時，會造成不同的物理現象，如反射、 折射、散射、繞射、衰減及波速的改變等現象，而產生多層次影像。聲 波的強度會隨著頻率及行徑距離的大小而有所變化，若距離增加且頻率 變大，強度則會減少，成反比關係。除此之外，聲波頻率的高低還影響 著解析度的好壞，當頻率較低，解析度則越低，但聲波強度及穿透力相 對提高。根據此原理，可得知若要觀察距離體表較深處組織，如腹部器 官、婦產科、心臟、腎臟等器官，需使用低頻率之超音波系統來取得其 影像；若要診斷距離體表較近者，如皮膚科、表淺軟組織、眼科、表淺 血管、乳房、甲狀腺等，則需透過高頻率的超音波系統來取得影像[14]。 8.
(20) 超音波影像系統具有即時呈現影像的功能，可供醫療診斷做即時追 蹤的成像，是種無傷害性、高分辨率、高品質且穩定的影像系統，對於 醫療診斷而言，是極有意義且有效率的，因此，在現代醫學領域中，超 音波影像系統已扮演著相當重要的角色。 B-mode 為超音波影像最常見之模式，其原理是超音波透過探頭發射， 經過人體器官而產生反射，並取得取得二維的超音波影像，主要利用灰 階值呈現不同組織之反射影像，在本研究中即是使用 B-mode 超音波影像 系統 [14][15]。. 1-2 研究動機及目的. 結石患者之診斷及治療，在早期的體外震波碎石術而言，是利用 X 光攝影進行診斷，並定位結石位置，接著進行體外震波治療過程，需反 覆透過 X 光照射患者，以確認震波是否擊中結石，最後再藉由 X 光透視 攝影取得結石碎裂之結果，一次治療流程下來，病患接受到的輻射量可 能導致患者產生其他症狀。而隨著時代演變，超音波影像系統的改進， 多數的治療雖保留 X 光攝影定位結石，但利用 X 光攝影取得結石碎裂影 像之方法，卻已逐漸被超音波系統取代。對於人體而言，雖然 X 光影像 系統定位只需取得局部影像，但其缺點在於 X 光是有游離輻射的影響， 9.
(21) 而超音波相對來說，就無這方面之傷害。另一重要優勢更是在於可即時 呈現影像、擷取及監控結石之變化，因此目前已有部分研究利用超音波 結石定位來取代 X 光影像系統之定位。 利用體外震波碎石術來治療結石患者已成為現今的主流，但對於結 石位置之定位與追蹤仍有改善及改良的空間，從以往的 X 光影像系統定 位並分析結石碎裂情況，到現在已改良為雙系統定位，主要是利用 X 光 影像系統搭配超音波影像系統來取得結石位置。在整個治療過程，X 光只 需在 0 度與 30 度分別照射一次，即可取得結石位置，接著利用超音波系 統之優勢，進行結石追蹤監測，而無須再反覆使用 X 光照射，因此輻射 量對於人體影響也隨之減少[16]，當病患呼吸而導致橫膈膜與部分器官隨 之移動，其中以腎臟最為明顯，這些影響將使得震波無法準確聚焦於結 石上，導致治療過程中傷害到其他組織，但超音波便有能力解決這方面 的問題，利用超音波即時追蹤結石，並搭配呼吸移動，確實可達到一定 程度的治療效果[17-20]。因此開發三維超音波影像來進行追蹤、監測及 分析結石碎裂程度，改良震波碎石治療方式，以提高準確性及治療效果 是預期為可行的。因此在本研究中係採用超音波影像系統來定位結石位 置，經震波碎石術治療後，再利用超音波取像，並分析其碎裂程度。 本研究目的主要是針對結石碎裂程度，利用灰階矩陣紋理量測不同 影響之特徵，並利用其紋理特徵值進行分析，如 Contrast、Entropy、Angular 10.
(22) Second Monet(ASM)、Homogeneity、Inverse difference moment(IDM)[6][21]， 根據不同紋理特徵值的變化來探討結石碎裂之情況，並觀察其關聯性。 除此之外，研究中會使用二維超音波影像系統取得整個治療過程之結石 影像，並將其影像進行重組為三維影像，再進行紋理特徵值之分析，並 探討何種特徵值分析式較為準確，藉此來評估結石碎裂程度，以提高治 療效率及降低復發率。 在本研究中會利用不同結石模型進行實驗，並探討其結果是否相符 合，主要實際以體外震波碎石儀來震碎結石，利用影像特徵值進行分析， 其目的在於結石碎裂程度的分析，成為施打震波次數的依據，可望透過 本次研究能更精準得知結石碎裂狀態，以達到停止震破治療的標準，藉 此提高治療效果，並降低對人體的傷害。. 11.
(23) 第二章. 超音波影像分析法. 2-1 灰階共生矩陣法. 灰階共生矩陣法又稱為灰度聯合機率矩陣法，在決定矩陣元素之前， 需先定義像素灰階位置以產生像素對(pixel pair)，視窗影像中的每個個別 像素依序為參考像素，以 i 表示，其各方向之鄰近像素以 j 表示，i 與 j 的灰階值範圍為 0~255 之間，並以灰階組合進行統計建立該影像像素的 灰階共生矩陣，以描述影像灰階分布情形。當影像轉換為灰階共生矩陣 時，需考慮像素與像素間的距離 d，以及像素與像素間的角度 θ，[22][23]。 灰階共生矩陣中，各相關參數及公式如(2-1) :. , , ,. (2-1). 一般而言，求取影像特徵函數的方法包含一階統計量與二階統計量， 一階主要是依據影像像素資訊擷取，而二階計算則是依據影像紋理提取。 根據上述之方法，本研究將二維影像重建為三維影像，增加切面及切面 間參考角度，即可分析三維影像之灰階共生矩陣。. 12.
(24) 2-2 影像特徵值的擷取. 基於灰階共生矩陣，本研究使用 Haralick et al.(1973)提出的 14 個特 徵值中的五個來分析超音波影像之特徵[24][25]，分別為: Contrast、 Entropy、Angular Second Monet(ASM)、Homogeneity、Inverse difference moment(IDM)。. Contrast : 量測影像中對比程度，其數值與影像的對比強度成正比，當 較大的數值集中在主對角線時，對比度越小代表影像的灰階值差異小， 當對比值越高，可表示該影像效果越清晰，公式如式(2-2)。. ∑,. ,. (2-2). Entropy : 衡量影像紋理雜亂程度或灰階矩陣中元素排列的混亂程度，當 影像紋理越複雜時，則熵值越小；反之，影像紋理越均勻時，表示熵值 越大，公式如式(2.3)。. ∑,. ,. ,. (2-3). ASM : 又稱為能量(Energy)，衡量紋理的一致性或均勻性，影像紋理較 分散時，其 ASM 值較小，反之，當影像較均勻一致時，其值越大其特性 與 Entropy 之特性相反，其公式如式(2.4)。 13.
(25) ∑ ,. ,. (2-4). Homogeneity : 主要是計算矩陣中，元素聚集在主對角線附近的程度，代 表影像中的均調程度，其值所代表之意義與 Contrast 值相反，當影像越 均調或對比越差時，其值越大，表示元素聚集在主對角線附近，其公式 為式(2.5)。. ∑,. , |. |. (2-5). IDM : 其值與 Homogeneity 所代表之意義較為相同，主要仍是量測影像 均調度，其公式為式(2.6)。. ,. ∑,. (2-6). 利用上述五種統計量，可將影像的紋理予以量化，若配合移動式窗 方式對原始紋理影像進行紋理量化的動作，將可以得到各種不同紋理影 像，並依需求進行不同之應用。. 14.
(26) 第三章 實驗材料與方法. 3-1 實驗設計. 本研究主要可分為兩部分，分別為模擬結石碎裂影像之分析與實際 結石碎裂影像之分析，此兩種不同實驗差別在於，結石碎裂之模擬是利 用三維超音波掃描系統來進行取像並分析，而實際結石碎裂分析則是使 用了體外震波碎石術實際震碎結石並分析其碎裂影像特徵值之結果，最 後進行模擬與實際結石碎裂分析的比較及探討其相關性。如圖 3-1 實驗 設計之流程概要圖。. 圖 3-1 實驗設計之流程概要圖. 15.
(27) 3-2 三維超音波掃描系統. 本研究之三維超音波掃描系統方面使用以下資料：超音波影像系統、 組織假體、結石模型、PC 端影像擷取軟體和分析軟體，以擷取本研究所 需的二維超音波影像，將此連續二維影像重組成三維超音波影像並分析 資料，以模擬結石碎裂之分析結果。三維超音波掃描系統流程如圖 3-2。 首先須製作仿組織假體及結石模型以模擬人體腎結石之影像，並將假體 與結石置於水槽中，透過超音波系統擷取影像，其設計是將超音波探頭 固定於體外震波碎石機之馬達，進行假體與結石之影像掃描，如圖 3-3 為三維超音波之移動掃描外觀圖，利用馬達控制探頭移動，進行取像動 作，其移動過程及方向如紅色箭頭所示，並透過分析軟體將取得之連續 二維超音波影像重組為三維影像，選擇結石區域，分析其結石模型之影 像特徵值[26]。. 16.
(28) 圖 3-2 三維超音波掃描系統之流程. 圖 3-3 三維超音波之移動掃描外觀圖. 17.
(29) 3-3 體外震波碎石系統. 本研究之體外震波碎石系統方面使用以下：體外震波碎石儀、超音 波影像系統、猪腎臟、結石模型、水聽器、PC 端控制系統、影像擷取軟 體、伺服馬達系統和分析軟體。 此系統流程如圖 3-4，首先須量測位於水槽中的震波焦點 F2，並製 作猪腎臟與石膏球結石，將其放置於焦點位置以便進行震波實驗，接著 利用震波碎石術將結石打碎，並透過超音波系統擷取所需的二維超音波 影像，將此連續影像重組為三維超音波影像，從此影像選取結石區域， 進行三維超音波影像之特徵值分析。 本實驗是利用水聽器量測震波焦點位置並結合伺服馬達，此伺服馬 達分別有 X 軸、Y 軸及 Z 軸，藉由馬達控制水聽器之移動以準確量測焦 點位置，並透過超音波影像系統取得焦點 F2 在超音波影像之位置，而三 維超音波掃描系統的基本架構是將超音波探頭固定在體外震波儀器上的 馬達，利用 PC 端系統控制探頭移動的位置，以掃描震波焦點或結石影像， 並將超音波影像透過電腦擷取儲存。體外震波碎石系統如圖 3-5。. 18.
(30) 圖 3-4 體外震波碎石系統之流程 Z軸. X軸. PC Y軸. 水聽器 馬達驅動控制系統 體外震波產生器 猪腎結石 水箱. 超音波探頭. 圖 3-5 體外震波碎石系統 19.
(31) 3-4 體外震波焦點之量測. 在進行實驗前，為了讓腎組織假體與結石模型能準確進行體外震波 之震碎實驗，以便得到完整實驗數據，需事先量測體外震波之焦點位置 F2。本研究之震波焦點量測主要使用以下 : 示波器、馬達控制系統、水 聽器之量測與 PC 端訊號儲存軟體，以擷取本研究之震波焦點位置。基本 架構是將水聽器固定在伺服馬達系統中，而伺服馬達包含有 X 軸、Y 軸 及 Z 軸，利用三維步進方式進行偵測體外震波碎石術之作用區域，並找 尋此震波之最大能量位置，即為體外震波之焦點位置 F2。 體外震波碎石焦點之量測系統如圖 3-6，首先需透過水聽器去偵測作 用區域之震波能量，藉由示波器顯示該三維位置之震波能量大小，再以 個人電腦中軟體控制伺服馬達系統，移動水聽器位置，作用範圍內依序 進行掃描量測，並從示波器顯示結果中，決定體外震波之最大能量位置， 如圖 3-7 示波器顯示結果，其最大值為 148 mV，其壓力值為 98 Pa。最 後利用超音波影像系統取得水聽器之位置影像，並標記其三維座標位置， 使得往後實驗無須再重複量測，而提升方便性與準確性。. 20.
(32) 圖 3-6 體外震波焦點之量測系統簡化圖. 圖 3-7 示波器顯示結果. 21.
(33) 3-4-1 水聽器. 本論文所使用水聽器型號為: Platte Needle Probe，100-100-1，為 Müller 公司的產品，如圖 3-8。主要應用於液體中的高頻超音波或體外震 波碎石儀的壓力測量。圖 3-9 則為水聽器之探頭，其壓力範圍為 -100 bar ~ 1500 bar (-10 MPa ~ 150 MPa)，敏感直徑<0.5mm。本系統設計目的在於 利用水聽器偵測體外震波碎石之焦點位置 F2。. 圖 3-8 水聽器實體圖(Platte Needle Probe). 圖 3-9 水聽器之探頭 22.
(34) 3-4-2 伺服馬達系統. 此系統設計的目的是要將水聽器移動至體外震波碎石施打位置，執 行體外震波施打並量測其焦點位置 F2，使得結石能準確放置震波焦點， 而不會因為人為外在的因素而產生誤差。在此系統，馬達是極重要的部 分，其功能是為了能夠精確控制並移動水聽器，以取得震波最大能量之 焦點位置，因此本研究使用伺服馬達系統來控制水聽器移動並量測震波 壓力訊號。伺服馬達系統部分可分為硬體部分和軟體部分，而硬體部分 包含 XYZ 軸移動基座平台、伺服馬達固定架、XYZ 軸驅動系統、AC 伺 服馬達、光遮斷感應器、伺服馬達控制卡以及 PC 電腦所構成，如圖 3-10 為伺服馬達移動平台外觀。軟體部分是撰寫的控制馬達程式經由伺服馬 達控制卡從電腦來控制 XYZ 軸的動作。此控制介面各個功能簡介為：(1) X、Y、Z 按鈕為 XYZ 軸馬達的開關 (2) Home 按鈕為將各軸回到基準位 置 (3) Stop 為停止移動馬達 (4) Front 及 Back 空格中可以填入所要移動 的距離，可移動最小距離為 0.1mm (5) 顯示 XYZ 軸目前所在的位置 (6) 控制馬達速度之設定參數，基本調整為初速度、加速度和最大速度，基 本上在本研究中，其參數是定值。圖 3-11 為伺服馬達控制程式介面。. 23.
(35) Z. X. XYZ 軸基座移動平台 Y. 伺服馬達驅動系統. 圖 3-10 伺服馬達移動平台外觀. 24.
(36) (1). (2). (3) (4) (5) (6). 圖 3-11 伺服馬達控制程式介面. 25.
(37) 3-5 體外震波碎石機. 本研究為了進行精準的腎結石震碎之研究，使用台灣寶健公司 的自動化雙定位體外震波碎石機(ESWL, LM-9200 ELMA)，其特點在於 能精準定位、有效碎石、能降低周遭組織的傷害影響、低輻射劑量及無 須麻醉等。此體外震波碎石機主要系統包含震波產生器、自動循環水路 系統、X 光機、超音波掃描儀、醫療床台、電腦輔助自動化 X 光及超音 波雙定位系統。而對於本實驗而言，不需要使用 X 光機來定位結石位置， 而超音波掃描儀部分，則使用實驗室之儀器，因此應用於此研究之主要 系統為震波產生器及自動循環水路系統。如圖 3-12 體外震波碎石機 (ESWL，LM-9200 ELMA)。. 圖 3-12 體外震波碎石機 (ESWL，LM-9200 ELMA) 26.
(38) 3-6 超音波診斷系統. 此研究採用的是彩色超音波影像系統(Siemens, Acuson X150)，如圖 3-13。其影像頻率範圍為 2-13 MHz，適合各種臨床及醫療之應用。而本 研究採用的是 2MHz - 5 MHz 的探頭，如圖 3-14，主要原因為目前腹部超 音波成像所需頻率範圍在 2MHz - 5 MHz 之間，因此對於腎結石成像之研 究是最適合之探頭。除此之外，此彩色超音波掃描儀影像有多種模式可 選擇，譬如 B-Mode -M-Mode -Color Doppler -Power Doppler -PW Doppler -Surface 3D -Dual screen -B-Color，而在這次的研究中，我們所選擇的是 B-mod 來取得影像，同時會依照實驗需求，調整不同參數，譬如影像頻 率、亮暗度等，並連接電腦即時呈現及存取影像，以便利用影像特徵值 進行分析。. 27.
(39) 圖 3-13 超音波診斷系統 (Siemens, Acuson X150). 圖 3-14 超音波探頭 (2-5 MHz). 28.
(40) 3-7 組織假體研製方法. 本研究中所需的腎組織假體可分為吉利丁假體與猪腎臟實驗，對於 三維超音波掃描系統而言，假體部分所使用的是吉利丁假體，主要是用 來模擬腎臟組織在超音波中的影像，而對於體外震波碎石系統而言，為 提高實驗結果之可信度，本實驗增加猪腎臟來模擬人體腎臟組織，其組 織影像與環境都較相似於人體腎臟組織。. 3-7-1 吉利丁假體. 模擬腎結石治療之實驗，須製作腎組織假體，其用處主要是放置結 石在裡面，並透過超音波影像系統，取得假體與結石之影像，以便模擬 腎結石影像。在早期研究是利用第一代的組織假體來進行模擬，如圖 3-15 將石頭置入氣球，並裝滿水，將其放置保麗龍盒裡，固定氣球之位置， 其超音波影像如圖 3-16 [27]。這有兩個主要缺點，第一個是當製作好假 體時，若要取出需破壞保麗龍盒，第二則是更換石頭的不便，當我們進 行結石碎裂之模擬時，需針對不同顆粒數量及大小進行取像並分析。 為解決石頭更換不易問題，本研究設計第二代組織假體，如圖 3-17， 製作出一個凹槽狀之假體。所使用之模具為矽膠製成的，如圖 3-18，用 29.
(41) 途為改善取出假體之不便，且可重複使用。為增加假體超音波影像模擬 情況，本實驗使用吉利丁凝膠來製作，其超音波性質較為相近，此假體 可因不同的需求及狀況來調整凝膠和水的比例，調配出各種不同聲學性 質之假體，其第二代組織假體之影像如圖 3-19，[26]。基本上此假體在影 像上是較無訊號的，必須在假體置放過程添加其他物質來增加其散射， 如玻璃粉及石墨等，而在這第二代假體則採用麵粉來增加改變其散射， 因食用麵粉的取得較為方便，安全性也較佳。. 圖 3-15 第一代組織假體. 30.
(42) 圖 3-16 第一代組織假體之影像. 圖 3-17 第二代組織假體. 31.
(43) 圖 3-18 第二代組織假體之模具. 圖 3-19 第二代組織假體之影像. 32.
(44) 3-7-2 猪腎臟模型. 為提高研究之真實性，本實驗增加了猪腎臟模型實驗，需保持猪腎 組織完整性，如圖 3-20。將結石放置猪腎進行體外震波碎石術，取得超 音波影像，並透過特徵值分析其結果，圖 3-21 為猪腎臟之影像。. 圖 3-20 猪腎臟模型. 圖 3-21 猪腎臟之超音波影像 33.
(45) 3-8 結石模型. 本研究為模擬結石碎裂，自行製作結石模型，以便模擬實驗，圖 3-22 為第一代結石模型。主要是利用黏土建立結石模型，其缺點在於在實驗 過程中，黏土結石模型容易黏在一起，導致影像擷取分析時，可能會有 誤差的產生。 有鑑於此，本實驗製作了新一代的結石模型，主要是利用塑鋼土來 製作結石模型，其結石特性較硬。首先須將塑鋼土均勻搓揉後，將其分 為 7 等分，分別為 1、2、4、8、16、32、64 顆，每組質量皆為 0.5 g，且 為球狀結石模型，如圖 3-23，優點在於能改善第一代之缺點，在實驗過 程中，結石模型不會互相黏在一起，使得結果較為準確。 本研究除使用結石模型來模擬外，還增加了石膏球結石來模擬腎結 石，並實際利用體外震波碎石術進行結石震碎實驗，以分析其結石碎裂 影像之結果。石膏球成分主要是硫酸鈣，其超音波性質與真實腎結石較 為雷同，製作過程主要是利用石灰粉加水混合而成，每顆石膏球直徑約 1 cm，如圖 3-24。若將製作的石膏球用於體外震波碎石機，並且實際施打 震碎石膏球，其影像結果對於腎結石震碎之影像是較相近的，分析結果 也會較符合實際患者之結石碎裂情況，以便增加實驗之可信度。. 34.
(46) 1 piece. 2 pieces. 4 pieces. 16 pieces. 32 pieces. 64 pieces. 8 pieces. 圖 3-22 第一代之黏土結石模型. 1 piece. 2 pieces. 4 pieces. 16 pieces. 32 pieces. 64 pieces. 8pieces. 圖 3-23 第二代之塑鋼土結石模型. 35.
(47) 圖 3-24 石膏球結石模型. 3-9 三維超音波影像分析. 對於體外震波碎石術而言，超音波影像主要是用來定位結石位置， 但對於即時結石影像之分析，仍未有系統可達到有效分析。為了讓結石 治療提高效率，並判別結石是否有碎裂，即時影像分析就變得更加重要， 因此本論文研究之方法主要是利用三維超音波掃描進行結石影像之擷取， 並結合體外震波碎石術進行實際結石碎裂之分析。 在本研究中，可分為模擬結石碎裂與實際結石碎裂兩部分來進行分 析，其中，結石碎裂之模擬為對照組，分別對同等分不同顆粒數量之結 石進行模擬分析。而實際結石碎裂之分析又可分為不同假體之分析，分 36.
(48) 別為吉利丁假體與猪腎臟模型，並透過體外震波碎石機進行結石震碎， 每擊發震波兩百次就取像，並分析其結果。 本研究分析過程是利用分析軟體將二為超音波影像重組為三維影像， 選擇結石之感興趣區域 (ROI)，由控制介面顯示感性區域之位置大小， 圖 3-24 為分析軟體之控制介面，並針對結石進行不同大小區域之選取， 最後利用影像特徵值來進行分析，探討不同碎片程度之變化，以及比對 模擬結石碎裂分析與實際結石碎裂分析之相關性。. 圖 3-24 分析軟體之控制介面. 37.
(49) 第四章 結果與討論 本章節將利用影像特徵值來進行結石碎裂之分析，其分析之結果共 可分為二大部分來做說明 : (1) 模擬結石碎裂之分析結果。 (2) 實際結 石碎裂之分析結果。此方法主要是要來驗證實際結石碎裂之分析結果是 否與模擬結石碎裂之分析結果相符合，透過模擬不同碎裂程度之結石模 型計算其影像特徵值，觀察其特徵值是否可以顯示出結石碎裂程度的變 化，並應用於實際震碎結石之分析，探討利用體外震波碎石術實際施打 結石之碎裂結果是否有效及正確，以便應用於體外震波碎石治療。在本 研究中，首先會針對不同數量之模擬結石模型進行分析，並在每一組影 像中改變其結石位置，共取五次影像超音波影像，接著使用 Contrast、 Entropy、ASM、Homogeneity、IDM 及 Mean 六種特徵值來分析各組影 像並計算其誤差範圍，觀察五種特徵值在不同結石碎裂程度其數值的變 化，接著再進行實際的結石碎裂分析，每兩百次震波施打後，取其超音 波影像，並以同樣影像特徵值方式來分析各組影像結果，觀察五種特徵 值在體外震波碎石治療時之變化。. 38.
(50) 4-1 模擬結石碎裂之分析. 模擬結石碎裂之分析可分為二部分來探討 : (1) 黏土結石模型之碎 裂分析結果。 (2) 塑鋼土結石模型之碎裂分析結果。兩種結石模型差別 在於軟硬度的不同，相當於結石在人體會因各種不同因素而產生偏軟或 偏硬的結石，本實驗中探討此兩種結石對於影像特徵值之分析是否會影 響，因此增加塑鋼土結石模型與以往的黏土結石模型來進行分析比對。. 4-1-1 黏土結石模型與塑鋼土結石模型之分析結果. 將 7 等分的黏土結石模型放置於吉利丁假體中進行取像，其每等分 之結石數量為 1、2、4、8、16、32 及 64 顆，對應大小約為 8 mm、6.3mm、 5mm、4mm、3.2mm、2.5mm 及 2mm，如圖 4-1，過程為每組取像 5 次， 每取像一次須利用滴管沖洗結石改變其位置。藉由同樣方式對塑鋼土結 石模型進行取像，如圖 4-2。接著分別對於黏土結石與塑鋼土結石之影像 進行特徵值分析，分析結果如圖 4-3，圖 4-4，圖 4-5，圖 4-6 及圖 4-7 所 示， Entropy 與 Contrast 特徵值會呈現下降趨勢線，而 Homogeneity、IDM 及 ASM 之特徵值則為上升趨勢線，當結石碎裂小於 4 mm 時，會有明顯 起伏變化的產生。. 39.
(51) 1 Piece. 2 Pieces. 4 Pieces. 16 Pieces. 32 Pieces. 64 Pieces. 8 Pieces. 圖 4-1 黏土結石模型之影像. 1 Piece. 2 Pieces. 4 Pieces. 16 Pieces. 32 Pieces. 64 Pieces. 圖 4-2 塑鋼土結石模型之影像. 40. 8 Pieces.
(52) 3.49 3.48. hard stone. 3.47. soft stone. Entropy. 3.46 3.45 3.44 3.43 3.42 3.41 3.4 9.0. 8.0. 7.0. 6.0. 5.0. 4.0. 3.0. 2.0. 1.0. 0.0. Size of Fragments(mm). 圖 4-3 Entropy 不同軟硬結石之分析結果. 68. 66. Contrast. 64. 62. hard stone 60. soft stone 58. 56. 54 9.0. 8.0. 7.0. 6.0. 5.0. 4.0. 3.0. 2.0. 1.0. Size of Fragments(mm). 圖 4-4 Contrast 不同軟硬結石之分析結果 41. 0.0.
(53) 0.326 0.324 0.322. 0.318 0.316 0.314. hard stone. 0.312. soft stone 0.31 0.308 0.306 9.0. 8.0. 7.0. 6.0. 5.0. 4.0. 3.0. 2.0. 1.0. 0.0. Size of Fragments(mm). 圖 4-5 Homogeneity 不同軟硬結石之分析結果. 0.0011 0.00105 0.001. IDM. Homogeneity. 0.32. 0.00095 0.0009 0.00085. hard stone. 0.0008. soft stone 0.00075 9.0. 8.0. 7.0. 6.0. 5.0. 4.0. 3.0. 2.0. 1.0. Size of Fragments(mm). 圖 4-6 IDM 不同軟硬結石之分析結果 42. 0.0.
(54) 0.245. 0.24. ASM. 0.235. 0.23. hard stone 0.225. solf stone. 0.22 10.0. 8.0. 6.0. 4.0. Size of Fragments(mm). 2.0. 0.0. 圖 4-7 ASM 不同軟硬結石之分析結果. 4-1-2 模擬結石模型之碎裂分析討論. 根據本章節之模擬結石碎裂分析結果，可得知塑鋼土結石模型與黏 土結石模型之特徵值分析是相似的，其中又以 Entropy 與 IDM 特徵值之 變化曲線較為穩定變化，而在此兩種不同硬度之結石碎裂模擬中，當結 石碎片小於 4 mm 時，其特徵值分析之起伏明顯較大，影響分析結果之 因素為假體放置水中時間過久，造成假體吸水過多或融化於水中，而導 致影像及分析結果產生些微起伏變化，而影響影像特徵值之變化。至於 Error Bar 差異的產生，主要是因為在實驗過程中，須利用滴管沖洗結石， 使結石移動變化，導致部分結石重疊，而影響超音波影像之分析結果， 對於實際治療而言亦會有此問題的產生。 43.
(55) 4-2 實際結石碎裂之分析. 本研究對於實際結石分析可分為二部分來探討 : (1) 猪腎臟之結石 碎裂分析結果。(2) 猪腎背景之分析結果。由於猪腎臟對於人體腎臟而言， 其組織與結構都是較為相近的，因此本研究為提高研究之可行度，針對 猪腎假體進行體外震波碎石之實驗，利用體外震波碎石儀進行結石震碎， 結合超音波影像系統擷取結石碎裂影像，並透過影像特徵值對於不同結 石碎裂程度進行分析。本研究還增加猪腎臟之背景分析，選取非結石區 域之影像背景進行超音波取像並分析其特徵值，最後進行實際結石碎裂 之討論，並結合模擬結石模型之分析結果進行比對及討論。. 4-2-1 猪腎臟之實際結石碎裂結果. 在本研究中，需將事先製作好之石膏球結石放置猪腎臟內部，透過 體外震波碎石術震碎結石，並以每施打兩百次震波做為區隔，分別依序 擷取其超音波之結石影像，直至結石碎裂，如圖 4-8 為猪腎臟之實際結 石碎裂影像。圖 4-9 為結石碎裂之大小結果。圖 4-10 為猪腎臟之實際結 石碎裂結果。接著選取感興趣區域，並分析此區域之影像特徵值，以探 討其分析結果，驗證此實驗之真實性，如圖 4-11，圖 4-12，圖 4-13，圖 4-14，圖 4-15。在本猪腎實驗中，結石碎裂程度尚未達到最佳，剩餘結 44.
(56) 石仍部分大於 2 mm，且當擊發震波次數達到 200 次時，其變化是不穩定 且不規則，而隨著震波施打次數增加，結石碎裂程度提高，特徵值有較 穩定變化，如 Entropy 與 Contrast 特徵值變化則呈現反比狀態，為下降曲 線圖，而 Homogeneity、IDM 及 ASM 之特徵值則為上升曲線，但對於 Error Bar 而言，仍是有著較明顯變化差異。. 未擊發之初始結石影像. 已擊發之碎裂結石影像. 圖 4-8 猪腎臟之實際結石碎裂影像. 圖 4-9 猪腎結石碎裂之實際大小. 45.
(57) 圖 4-10 猪腎結石碎裂之實際結果. 3.53 3.52 3.51. Entropy. 3.5 3.49 3.48 3.47 3.46 3.45 3.44 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. 4000. Number of Shock Waves. 圖 4-11 Entropy 猪腎結石碎裂之分析結果 46. 4500.
(58) 85 80. Contrast. 75 70 65 60 55 50 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. 4000. 4500. Number of Shock Waves. 圖 4-12 Contrast 猪腎結石碎裂之分析結果. 0.306 0.304. Homogeneity. 0.302 0.3 0.298 0.296 0.294 0.292 0.29 0.288 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. 4000. Number of Shock Waves. 圖 4-13 Homogeneity 猪腎結石碎裂之分析結果 47. 4500.
(59) 0.00068 0.00066. IDM. 0.00064 0.00062 0.0006 0.00058 0.00056 0.00054 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. 4000. 4500. 4000. 4500. Number of Shock Waves. 圖 4-14 IDM 猪腎結石碎裂之分析結果. 0.22 0.218 0.216 0.214. ASM. 0.212 0.21 0.208 0.206 0.204 0.202 0.2 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Number of Shock Waves. 圖 4-15 ASM 猪腎結石碎裂之分析結果 48.
(60) 4-2-2 猪腎臟背景之分析結果. 猪腎臟背景之分析結果為將假體影像當作背景值來觀察其影像特徵 值變化，主要是透過感興趣區域選取非結石影像之猪腎臟背景，如圖 4-16， 並同樣以每兩百次擊發震波作為區隔，個別進行取像，再利用影像特徵 值分析其變化，觀察體外震波碎石術治療過程中，猪腎臟影像是否會產 生變化，結果如圖 4-17，圖 4-18，圖 4-19 及圖 4-20，圖 4-21 所示。其 分析結果顯示 Contrast、Entropy、ASM、Homogeneity 及 IDM 五種影像 特徵值並沒有顯著的變化，唯有 Error Bar 差異較明顯變化。. 圖 4-16 非結石區域之猪腎臟背景. 49.
(61) 3.59 3.58 3.57. Entropy. 3.56 3.55 3.54 3.53 3.52 3.51 3.5 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. 4000. 4500. 4000. 4500. Number of Shock Waves. 圖 4-17 Entropy 猪腎臟背景之分析結果. 95 90. Contrast. 85 80 75 70 65 60 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Number of Shock Waves. 圖 4-18 Contrast 猪腎臟背景之分析結果 50.
(62) 0.289 0.287. Homogeneity. 0.285 0.283 0.281 0.279 0.277 0.275 0.273 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. 4000. 4500. Number of Shock Waves. 圖 4-19 Homogeneity 猪腎臟背景之分析結果. 0.0016 0.0014. IDM. 0.0012 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Number of Shock Waves. 圖 4-20 IDM 猪腎臟背景之分析結果 51. 4000. 4500.
(63) 0.2 0.198 0.196 0.194. ASM. 0.192 0.19. 0.188 0.186 0.184 0.182 0.18 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. 4000. 4500. Number of Shock Waves. 圖 4-21 ASM 猪腎臟背景之分析結果. 4-2-3 實際結石碎裂之分析討論. 對於猪腎結石之實際碎裂分析結果而言，大部分的結石碎裂結果仍 大於 2 mm，原因在於體外震波之焦點位置 F2 的準確性須提高，當焦點 位置偏移石，會造成震碎效果不佳，而些微影響結果。當施打 200 次震 波時，其影像特徵值變化是較大的，而經過 200 次震波施打後，其影像 特徵值變化之趨勢則呈現較穩定狀態，其原因是初始結石被打碎時，石 頭裡面部分的氣泡會藉由震波擊發而跑出來，而氣泡會造成超音波的反 射，影響影像分析之結果。當結石經由 200 次震波施打後，其特徵值變 52.
(64) 化趨勢則與模擬結石之分析結果較為相似，其 Entropy 與 Contrast 皆為 下降曲線圖，Homogeneity、IDM 及 ASM 之特徵值則為上升曲線，其中又 以 Entropy 及 IDM 的變化趨勢與其 Error Bar 較為穩定。 由於猪腎臟與人體腎臟較為相近，引此為增加實際結石裂碎之結果 準確性，本研究對於猪腎背景進行影像分析，根據實驗結果可得知，猪 腎臟之背景特徵值並無明顯變化，對於實際結石震碎實驗較無影響，但 仍有部分分析結果有起伏的情況，其原因在於本實驗是將猪腎臟放置水 中，當時間過久會吸收少許水分，而造成猪腎臟之背景結果有些許變化。 對於實際結石震碎之分析而言，部分特徵值之 Error Bar 較大，其 原因是每個猪腎臟構造雖都相同，但內部組織結構仍有差異，且結石位 置的產生也會影響，而產生超音波影像的差異，造成實驗之特徵值產生 些變化，但其特徵值變化趨勢仍是穩定。. 53.
(65) 第五章 結論. 綜合以上的分析結果，所獲致的結論歸納如下幾點： 1. 文獻提出使用黏土結石模型進行碎裂模擬分析是可行的。在模擬結石 碎裂實驗中，增加塑鋼土結石模型來進行模擬分析，探討不同硬度之 腎結石是否會影響分析結果，由模擬結石碎裂之結果發現，較硬之塑 鋼土結石與較軟之黏土結石之模擬分析是具有一致性的變化，因此本 研究所使用之分析方法是可應用於不同結石硬度之分析。 2. 模擬結石與實際震波應用之分析，藉由模擬結石碎裂之分析結果來探 討實際震波應用，其特徵值分析在 200 次震波施打後，變化趨勢呈現 相似結果，因此應用於實際震波之碎石分析方法是具有其準確性。 3. 實際結石碎裂之分析中，對於猪腎臟之結石影像與背景影像進行分析 比較，其五種影像特徵變化趨勢在猪腎臟之背景分析結果中，是較無 明顯變化的，主因為猪腎臟影像之灰階值是固定的，透過分析比對發 現，背景影像對於實際猪腎臟之結石碎裂分析無直接性影響，因此增 加實際結石碎裂之分析結果的可信度。 4. 本研究利用了五種影像特徵值進行分析，經由模擬與實際結石碎裂的 結果，顯示其變化趨勢仍是穩定變化，其中對於實際結石碎裂分析而 言，又以 Entropy 與 Contrast 變化趨勢較為穩定且 Error Bar 的變化也 54.
(66) 較小，而模擬結果而言，則是 Entropy 與 IDM 分析效果較佳。. 根據此研究之分析結果，可探討出結石碎裂之分析方法確實可應用 於體外震波碎石治療中，並作為結石碎裂程度的指標方式之一，且根據 本研究，可得知最適合結石碎裂分析的影像特徵值為 Entropy，並將此運 用於輔助診斷上的治療系統。未來期許能提高其準確性，並運用於評估 停止震波治療的時間，同時結合結石追蹤系統，結合腎臟移動方向，並 精準量測震波之焦點位置，以提高震波之準確性，使得震波碎石之治療 效果達到最佳化，此將對臨床治療患者有極大幫助。. 55.
(67) 第六章 參考文獻. [1] J.K. Prstojevic, D. Junuzovic, M. Hasanbegovic, Z. Lepara, M. Selimovic, L. Zunic. "Characteristics of Calculi in the Urinary Tract," vol. 26, no.5, pp. 297–302, Oct 2014. [2] Y. J. Kim, C. H. Kim, E. J, Sung, S, R. Kim, H. C. Shin, W. J. Jung. "Association of nephrolithiasis with metabolic syndrome and its components. Metabolism," vol.62, no.5, pp. 808-813, Jun 2014. [3] A. Hesse, E. Brande, D. Wilbert, K. U. ohrmann, D. Alken. "Study on the prevalence and incidence of urolithiasis in Germany comparing the years 1977 vs. 2000, " European of Urology, vol. 44, no. 6, pp. 709-13, Dec 2003. [4] A. I. Babenko, A. G. Murakhovsky, A. L. Tomtchuk, Y. I. Bravve, "About the formation of patients’ flow in multi-type hospital." Probl Sotsialnoi Gig Zdravookhranenniiai Istor Med. 2012 Nov-Dec; 6:35–38. [5] Marković V, Urologija I. Beograd: ovinsko izdavačka ustanova Službeni list SRJ; 1997. Hirurgija mokraćnih organa. [6] Li LP, Fan YZ, Zhang Q, Zhang SL. Clinical analysis of 41 children's urinary calculus and acute renal failure. Zhonghua Er Ke Za Zhi. 2013 Apr;51:295–297. [7] Available: http://www.xj120.cn/ruirong/2027.html [8] Available: http://www.adam.com/ [9] Junuzovic Dz, Kovacevic-Prstojevic J. Evaluation of Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy (ESWL): Efficasy in Treatment of Urinary System. Stones.. Acta. Inform 56. Med.. 2014. Oct;. 22:309–314..
(68) doi:105455/aim.2014.22.309-314 [10] Van Laecke E, Oosterlinck W. Physiopathology of renal colic and the therapeutic consequences. Acta Urologica Belgica. 1994;62:15–18 [11] S. S. Putman, B. D. Hamilton and D. B. Johnson, “The use of shock wave lithotripsy. for. renal. calculi,”Current. Opinion. in. Urology. 14:117-121,2004 [12] R. M. Haralick and L. G. Shapiro,”Computer and robot vision,” Reading Mass.:Addison-Wesley,vol. 1,1992 [13] Gabi Ben-Dor, Ozer Igra, Tov Elperin, “Handbook of Shock Waves” Academic Press, 2001 [14] 何祚明, “高頻超音波影像系統,＂ 國立台灣大學電機工程學研究 所,2002 [15] 莊克士, “醫學影像物理學＂合計圖書出版社發行 1998 [16] Available: http://www.lite-med.com/ [17] M Orkisz, T Farchtchian, D Saighi, M Bourlion, N Thiounn, G Gimenez, B Debre, TA Flam, “Image based renal stone tracking to improve efficacy in extracorporeal lithotripsy,” Journal of Urology, vol. 160, no. 4, pp. 1237-40, Oct 1998 [18] C.C. Chang, I. Manousakas, Y.R. Pu, S.M. Liang, C.H. Chen, T.S. Chen, F.M. Yu, W.H. Yang, Y.C. Tong, C.L. Kuo, "In vitro study of ultrasound based real-time tracking for renal stones in shock wave lithotripsy: Part II--a simulated animal experiment," Journal of Urology, vol.167, no.6, pp.2594-2597, 2002 [19] C. C. Chang, S. M. Liang, Y. R. Pu, C. H. Chen, I. Manousakas, T. S. Chen, C. L. Kuo, F. M. Yu, Z. F. Chu, "In vitro study of ultrasound based 57.
(69) real-time tracking of renal stones for shock wave lithotripsy: part 1," Journal of Urology, vol.166, no.1, pp.28-32, 2001 [20] RO Cleveland, R Anglade, RK Babayan, “Effect of stone motion on in vitro comminution efficiency of Storz Modulith SLX,” J Endourol., vol. 18 no. 7, pp. 629-33, Sep 2004 [21] M. Haralick, K. Shanmugam and I. Dinstein,”Texture Feature for Image Classification,” IEEE Trans. System. Man and Cybernetics, vol. 3, no. 6, pp. 610-621, Nov 1973. [22] 黎偉, “紋理分析於遙測影像分類之研究,＂國立中央大學土木工程 研究所碩士論文, 1998 [23] 李英璋, “側掃聲納影像人為目標物自動化便是分析之研究,＂國立 中山大學海洋環境及工程學系研究所碩士論文, 2011 [24] M. Bro-Nielsen, "Rigid Registration of CT,MR and Cryosection Images Using a GLCM Framework",” CVRMed-MRCAS '97”, Vol. 1205 pp.171-180,1997 [25] 萬龍瑞, “具結石粉碎分析功能之高效率震波產生器研究,＂成功大 學航空太空工程研究所論文,2003 [26] 賴志慶, “三維超音波影像於震波碎石之分析應用,＂義守大學生物 醫學工程學系碩士班, 2010 [27] 李嘉浚, “三維超音波影像建構系統應用於體外震波碎石機追蹤系 統之可行性研究,＂義守大學生物醫學工程學系碩士班, 2009. 58.
(70) 自序. 姓名. 軒煒傑. 性別. 男. 出生日期. 79/11/09. 學歷. 義守大學 生物醫學工程 學士 義守大學 生物醫學工程 碩士. 興趣. 探索新知、戶外活動. 研究經歷. 2015 工程科技應用研討會 - 三維超音波影像於體 外震波碎石術之腎結石碎片分析. 59.
(71)
數據
+5
相關文件
To write to the screen (or read the screen), use the next 8K words of the memory To read which key is currently pressed, use the next word of the
6 《中論·觀因緣品》，《佛藏要籍選刊》第 9 冊，上海古籍出版社 1994 年版，第 1
Mie–Gr¨uneisen equa- tion of state (1), we want to use an Eulerian formulation of the equations as in the form described in (2), and to employ a state-of-the-art shock capturing
The first row shows the eyespot with white inner ring, black middle ring, and yellow outer ring in Bicyclus anynana.. The second row provides the eyespot with black inner ring
2.1.1 The pre-primary educator must have specialised knowledge about the characteristics of child development before they can be responsive to the needs of children, set
Reading Task 6: Genre Structure and Language Features. • Now let’s look at how language features (e.g. sentence patterns) are connected to the structure
• To introduce the use of the LPF as a tool for planning the school English Language curriculum; and
Understanding and inferring information, ideas, feelings and opinions in a range of texts with some degree of complexity, using and integrating a small range of reading
Mean Value Theorem to F and G, we need to be sure the hypotheses of that result hold.... In order to apply
