具有結石追蹤系統之新型體外震波碎石機技術開發— 總計劃

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(1)行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告 ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※ ※. ※. ※. ※. ※. ※. ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※. 計畫類別：£個別型計畫. R整合型計畫. 計畫編號：NSC 89－2213－E－006－210 執行期間：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日. 計畫主持人：梁勝明教授共同主持人：陳進興教授尤芳忞副教授張建成主治醫師. 本成果報告包括以下應繳交之附件： □赴國外出差或研習心得報告一份 □赴大陸地區出差或研習心得報告一份 □出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份 □國際合作研究計畫國外研究報告書一份. 執行單位：國立成功大學航空太空工程研究所. 中. 華. 民. 國. 90. 年 10 月 29 日.

(2) 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告具有結石追蹤系統之新型體外震波碎石機技術開發— 總計劃計畫編號：NSC 89-2213-E-006-210 執行期限：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日主持人：梁勝明教授. 國立成功大學航空太空工程研究所. 共同主持人：陳進興教授. 國立成功大學機械系. 尤芳忞副教授. 國立成功大學航空太空工程研究所. 張建成主治醫師一、中文摘要. 國立成功大學附設醫院泌尿部. Electrodes for an Electrohydraulic Lithotriptor; (2) Study of the Cavitational Bubble Activity near Stone Surface in an Electrohydraulic Lithotriptor; (3) Multiple Modalities Automatic Stone Localization of ESWL. The goal of sub-project 1 is to develop the electrodes with an adjustable gap for obtaining stable, high pressures of the focused shock waves. The goal of sub-project 2 is to develop two modulus (x-ray and ultrasound) and techniques for stone auto-localization. The goal of sub-project 3 is to study the damage on the kidney tissue caused by the tensile stresses involved in shock wave focusing.. 本總計畫旨在提昇由國立成功大學所研發“具有結石追蹤系統之新型體外震波碎石機”性能，利用子計畫所研發之技術和零組件或模組來改進現有碎石機性能。本總計畫含三個子計畫，其名稱：(1)水電式碎石機用自動調整電極棒間距之技術開發；(2)水電式碎石機中空蝕氣泡在結石面上行為研究；(3)體外震波碎石機多模組結石自動定位研究。子計畫一目的是開可以調整電極棒間距以獲得穩定之震波聚焦壓力。子計畫二目的是研究震波聚焦所引起張力波對腎組織傷害情形。子計畫三目的是開發雙模組（x 光和超音波）結石自動定位技術，以協助醫生定位結石之空間位置。. Key wor ds: electrohydraulic lithotriptors, electrodes, x-ray, ultrasound, cavitation, tensile stress. 關鍵詞: 水電式碎石機，電極棒，x 光，超音波，空蝕，張力 Abstr act. 二、簡介. The objective of the integrated project in to enhance the performance of the New-type extracorporeal shock-wave lithotriptor (ESWL) with an automatic stone-tracking system that was developed at National Cheng Kung University. In this project, we will utilize the individual technology or hardware component or module from each sub-project for improving the current lithotriptor’s performance. The integrated project contains three sub-projects. They are entitled respectively by (1) Technological Development of Automatic Gap-controlled. 體外震波碎石機於 1980 年德國問世以後[1]，至今 20 年廣受醫院採用，其原因是使用非侵入式治療方式，可以成功地粉碎結石，讓結石碎片自然排泄出來，一般碎石機之碎石成功率(stone-free rate)大約 6 至 7 成，其原因是結石會隨人體呼吸而移動，造成震波無法準確擊中結石。因此，目前國內外碎石機尚有待改進。過去四年在產學合作計畫下，本人帶領的團隊，於去年(2000 年)成功研發出結石追蹤系統，配合碎石機使用，使得碎石效率提昇到八 1.

(3) 成六[2]。本整合型計畫再針對現有水電式碎石機缺失，謀求改進，希望碎石效率提昇到百分百。本整合型計畫下有三個子計畫，第一年之工作內容及成果分述如下：. 成果： (1)電極組設計爆震波是由於電極的尖端放電所產生。一般傳統式電極，具有不可調整間距及圓錐形電極頭的特徵。由於一般傳統式電極無法調整電極間距，使得每組電極壽命約只能擊發 3000 至 4000 下左右。本文之電極設計為了改善以上缺失，採用可控制間距之電極設計。對插式電極組主要可分為三個部分，如圖 1 所示。圖 1(a) 中之上圖部份為絕緣鐵弗龍(Teflon)支柱。中間為紅銅基座，其設計目的在於使大電流順利通過，前端部分可修正電極棒水平及垂直位置。下圖主要是由紅銅與青銅棒組合或紅銅與鎢鋼棒組合的電極組，其右邊車有螺紋（螺距 1mm），是對插式電極組可以調整間距的主要原因。電極組總長度 15cm，最大可調長度 7.2cm，每組直徑 2mm 的青銅棒電極組估計約可擊發 69,000 次。圖 1(b) 是圖 1(a) 三個部分之結合實體。. 三、內容－目的、方法、結果 3.1 子計畫一：水電式碎石機用自動調整電極棒間距之技術開發目的：研發自動控制間距電極棒實驗方法： (A)電極熔蝕程度量測 (1) 先將 PCB 壓力探針固定於 X-Y-Z 三軸移動平台上，藉由移動平台的控制軟體將壓力探針移動至橢圓的幾何焦點，記錄幾何焦點在 X-Y-Z 三軸移動平台上的相對參考位置。 (2) 將青銅棒或鎢鋼棒電極組安裝於震杯當中，電極間距控制在 0.3mm(對青銅棒)或 0.5mm(對鎢鋼棒)，並將自來水注入測試區。. (2)有調整間距與無調整間距比較. (B)碎石程度量測. 放電電壓 8kV，在有無調整間距條件下，共擊發 1500 下，記錄其累加的肺石破碎情形。青銅棒電極組有調整間距的結石粉碎程度為 45.3%，而無調整間距的結石粉碎程度為 26.7%。從結石粉碎程度及圖 2 上照片顯示有調整間距之對插式電極組分解肺石的能力較佳。. (1) 將邊長約 5mm 之立方體之肺石置於自來水中第二焦點上。. 3.2 子計畫二：水電式碎石機中空蝕氣泡在結石面上行為研究. (2) 放電電壓 8kV，使用青銅棒或鎢鋼棒電極，總擊發次數為 1500 次。實驗過程中累積總擊發次數為 300(對青銅棒)或 900 (對鎢鋼棒)的倍數，使用網格大小 1mm2 濾網過濾一次。利用電子秤記錄面積小於 1mm2 的重量和面積大於 1mm2 的重量，並使用數位像機拍錄一次，並調整電極間距為初始間距。. 目的：探討結石附近空蝕引起之組織傷害程度. (3) 接著打開碎石機之高壓電開關，提高電壓到 8kV。 (4) 擊發總次數 50 次、150 次、250 次、300 次、350 次、500 次、650 次，量測並記錄其間距的大小和正負極熔蝕長度。. 實驗方法：結石粉碎模擬及組織傷害模擬 (1)將結石模型(邊長約 5mm 之立方體)用膠袋掛於裝滿水之水槽中，以鋁棒支架固定於 X-Y-Z 移動平台上，然後將結石塊移動至物理焦點的位置。 (2)設定擊發電壓至 6KV，每次擊發 300 下之後將結石取出，觀察其粉碎之程度並拍照記錄，直到擊發 1500 下為止。 (3)設定擊發電壓為 6KV、7KV、8KV、 9KV、10KV、11KV，重複以上之步驟。. (3) 將自來水換成含氧量 4.8mg/l 之無氣水（degased water），測試無氣水對碎石程度影響。. 2.

(4) 由於取像的視場部份為水囊所遮敝，造成影像部份區域的亮度較暗，而結石往往全部位於或部份位於較暗的區域，本計劃利用數位影像處理技術來復原 X-ray 影像，使得水囊造成的陰影不復存在，以利電腦自動尋找結石位置。 X-ray 影像的分析工作包括水囊陰影邊界偵測，水囊陰影去除及結石位置偵測。一 X-ray 波束穿過介質後的強度 I 可以表示為 I = I 0e − µl. (4)為了配合臨床上之實驗，此時之擊發頻率設定為 1Hz 。 (5)用包有凝膠塊代替原有之結石模型重覆上述之過程。但僅擊發 200 下以觀察組織傷害之情形。成果：圖 3 所示為凝膠所製作之組織假體模型分別在清水水中於焦點上在 200 下放電作用中所形成汽泡及撕裂傷痕，圖中各照片為模型方塊於距底側分別為 5mm 、 10mm、15mm、20mm、25mm 及 30mm 之切面所顯示之汽泡痕跡。照片結果顯示痕跡密集在一小區域。從圖 3(a)-(f)中吾人可以看出汽泡比較集中在(c)圖，意即震波聚焦的地方。. 上式中， I 0 為起始強度， µ 為介質的線性衰減係數， l 為介質的厚度。當 X-ray 波束穿過水囊，在影像平面(x,y)處形成的強度，可視為沒有水囊時形成的強度乘上一衰減因子 A(x,y)，而 A(x,y)的大小取決於水囊在 (x,y)處的厚度。由於病人，水囊與 X-ray 機器的相對位置在取像時將被調整，因此每張 X-ray 影像的衰減因子皆不相同。我們可找出 X-ray 影像灰度值突然改變處，這些影像的邊界即是水囊厚度的改變處。根據找出的邊線，我們可以將水囊陰影劃分成幾塊均勻區域，每一均勻區塊可以估算出其衰減因子，以用來去除水囊造成的陰影。（二）腎組織外形分析超音波影像中的腎組織具有高度紋路且灰度值極不均勻，因此無法用傳統的邊界法去偵測。一般而言，腎組織為一低灰度值的環形物，其中間區域具較高的灰度值為油脂構成，而結石通常就生長在此地帶。此一環形物的大小、形狀、厚度等空間尺寸在頻域裡形成許多相對應的頻率特徵，我們設計一具有這些頻率特徵的濾波器，用來將腎組織偵測出來。很明顯地，此類濾波器將是帶通濾波器的一種。一般而言，腎組織的外形像一橢圓，其長軸接近影像平面的水平軸，而腎壁的厚度在每一方向大致相同，因此帶通濾器在每一個方向的中心頻率可設為一樣。但若考慮超音波影像水平與垂直方向的解析度並不相. 3.3 子計畫三：體外震波碎石機多模組結石自動定位研究研究方法：由於目前系統所使用的超音波探頭所產生的訊號為一平面波，而結石的運動為一三維軌跡，因此結石並無法全時間出現在影像平面上。當結石消失於影像平面時，電腦軟體可用來控制震波使之停止射擊，待結石再出現時再啟動射擊。此一方法雖可解決短暫的結石消失問題，但若結石消失的時間太長或永遠偏離影像平面，電腦追蹤將被迫停止。另外，超音波影像的低解析度，高雜訊以及結石特徵不夠穩定亦會迫使電腦追蹤停止。電腦追蹤一旦中斷，操作員必須遵循以下步驟啟動新一次的追蹤：（一）調整超音波探頭使結石出現在影像平面上，（二）操作員利用電腦滑鼠點出結石位置後開始療程，（三）電腦進行自動結石追蹤。綜合以上，目前的結石追蹤系統由於受限於穩定度及精確度，有待改進。為了克服這些困難，研究方法包括下列二個方向：（一）結石之 X-ray 影像分析，（二）腎組織外形分析。（一）結石之 X-ray 影像分析 X-ray 定位乃是從兩個不同方位擷取兩張結石影像。操作員在兩張影像上分別點出結石的位置，利用點出的位置及兩個方位角即可算出結石與震波焦點的位置。 3.

(5) 88-2622-E006-010)，九月，民國 89 年。. 同，則濾波器在每一方向的中心頻率則不一定要設為一樣。我們選擇一合理的標準差，讓濾波器的頻率範圍落在 [fc –σ， fc +σ]之間，其中 fc 為中心頻率， σ為標準差。結果：圖 4 為一原始的 X-ray 結石影像，圖中長條狀的陰暗帶為水囊所造成。利用修正因子將水囊陰影去除後的復原影像如圖 5 所示。影像經復原後，利用濾波器即可將結石偵測出，圖 6 為偵測出的結石影像在超音波腎組織影像分析方面，圖 7，8，9 分別為原始影像，濾波後影像，邊界與原始重疊後影像。上述研究結果顯示，電腦影像處理技術可以成功移除 X-ray 影像上的水囊陰影，此一結果有助於結石位置的計算。在腎形狀資訊方面，研究顯示只要適當選取濾波器的設計參數，利用影像處理技術將可成功的將腎形狀偵測出。. (a). 四、計畫成果自評本整合型計畫旨在改進成大碎石機實驗室所研發出之具有結石追蹤系統之新型體外震波碎石機，為期三年。三個計畫之第一年結果，皆有如期達成，主要達成之成果如下： (1) 子計畫一設計並完成手動控制間距之電極棒，使得震波聚焦得以穩定獲得。 (2) 子計畫二建立了分析震波對結石附近組織傷害之實驗方法，觀察膨脹波所造成之空蝕現象。 (3) 子計畫三完成了去除水囊陰影之結石影像分析及腎形狀之超音波偵測。. (b) 圖 1 (a)對插式電極組實體，(上)絕緣鐵弗龍支柱，(中)紅銅基座，(下）紅銅與青銅棒組合或紅銅與鎢鋼棒組合的電極組。圖 1(b) 對插式電極組組合實體。. 五、參考文獻 (a) (b) [1] C. Chaussy, W. Brendel, and E. Schmiedt, “Extracorporeal induced destruction of 圖 2 青銅電極組，擊發 300 下，有控制間 kidney stones by shock waves,” Lancet II, 距與無控制間距之結石粉碎比較。(a)有控制間距; (b)無控制間距。 1265-1268(1980). [2] 梁勝明，張建成，江漢聲，“改進國產體外震波碎石機之技術開發，”國科會專題研究計畫成果報告 (NSC 4.

(6) (a) 5mm. (b) 10mm 圖 5 復原後的 X-ray 影像. (c) 15mm. (d) 20mm. 圖 6 偵測出的結石影像 (e) 25mm (f) 30mm 圖 3 模擬組織之凝膠於清水中之破碎程度 (放電電壓 8KV). 圖 7 原始超音波腎組織影像. 圖 4 原始 X-ray 影像. 5.

(7) 圖 8 濾波後超音波腎組織影像. 圖9. 偵測邊界與原始重疊之影像. 6.

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