應用於放射線所造成肌肉組織傷害之超音波影像分析方法

114  Download (0)

全文

(1)

國立臺灣大學醫學院暨工學院醫學工程學研究所 碩士論文

Institute of Biomedical Engineering

College of Medicine and College of Engineering

National Taiwan University Master Thesis

應用於放射線所造成肌肉組織傷害之 超音波影像分析方法

Analytical Methods of Sonography for Radiation-induced Muscular Tissue Injury

劉子維 Tsu-Wei Liu

指導教授:林文澧 博士 Advisor :Win-Li Lin, Ph.D.

中華民國 103 年 7 月

July, 2014

(2)

I

誌謝

論文終於完成了,碩士也將要畢業,學生生涯正式宣告結束了,但俗話說活 到老學到老,學習的過程將無窮無盡,並不侷限於在學校,秉持著這種理念,自 勉勉人,希望將來也能過得如此充實,莫忘初衷。

在碩士兩年的生活中,最感謝的莫過於指導教授,他不僅提供很多磨練的機 會,讓我和臨床醫師合作,將工程與醫學結合,得到更寶貴的經驗;不斷提醒我 研究的目的,讓我不致於偏離主題;不同於其他教授的親切互動,使我們沒有距 離。另外也感謝王薏茜醫師,總是不厭其煩的回答問題,在百忙之中配合測試,

也提供寶貴的意見,非常具有熱情,總是鼓勵給我動力,最重要的是將她辛苦收 案的患者影像無償提供給做為實驗來源,感激不盡。

再來要感謝實驗室的夥伴們,慶佑學長給了我許多相關的研究經驗;聖凱學 長也教我很多事情,例如仿體實驗的超音波施打,即是出自於學長之手;江醫師 總是在期末考前替我惡補生物,仿體製作也是靠他;俊諺雖然話很少,但總是默 默的處理我出的包;彥縉每次都在講屁話,但帶給我們很多歡樂;秉瑜實驗之餘 的談心,讓我有個人可以倒垃圾,在實驗上也幫了很多忙;羿辰、書寧、思佳、

亞秋、俐貞也很貼心的打理實驗室的雜務,讓我能專心地做研究。

最後要感謝家人與即將成為家人的人,謝謝老爸老媽提供我經濟後盾,讓我 能無後顧之憂的念書,也在低潮的時候給我安慰,讓我有繼續走下去的動力,更 支持我的夢想,將來往自己有興趣的領域發展;小麥總是適時的陪伴,雖然不太 會安慰人,但聽我發牢騷、倒垃圾、一起出遊,讓我整理慌亂的步調,使我更有 效率地完成每一件事情。

沒有你們,就沒有今天的劉子維,由衷地感謝我生命中的貴人,謝謝。

(3)

II

摘要

本研究主要的目的為量化胸鎖乳突肌(Sternocleidomastoid, SCM)肌肉中所含 的肌肉纖維比例,以利於臨床醫師評估患者經放射線照射後的患者肌肉所受傷害 程度,並在患者主觀感到不適之前,及早發現肌肉組織的惡化,提供切入治療時 間的判斷依據。

使用的影像來源為36 位臨床頭頸部腫瘤患者經放射治療後的胸鎖乳突肌之 B 型(Brightness mode)超音波影像,包含腫瘤側及非腫瘤側的影像,經由 MATLAB 為基底撰寫的影像分析系統,並結合Fuzzy c-means clustering 與自行開發的 Size criterion 運算法,來分析肌肉纖維與肌肉細胞成分,並統計所占的面積及比例,以 得到該影像中的肌肉纖維面積、肌肉細胞面積及肌肉纖維比例等數值,達到量化 肌肉纖維的目的。利用3 位正常人的手臂肌肉超音波影像,在不同超音波參數,

如Total gain 等做實驗校正,作為 Size criterion 的理論依據。另外使用蛋白仿體做 量化的實驗驗證,證明本系統的準確性及有效性,最後以患者影像來做分析並以 單一患者及多患者分別統計作圖。

由蛋白仿體實驗可以驗證實際的燒灼面積比例與經本系統處理之超音波影像 所得之燒灼面積比例成正比關係。在患者超音波影像分析上,統計結果顯示,放 射治療後腫瘤附近的肌肉會有腫脹現象,而在3 個月之後有較明顯的肌肉纖維化,

另外在腫瘤側的肌肉纖維化會比非腫瘤側來的嚴重許多。

本研發系統能有效量化單一患者的肌肉纖維化隨時間演進與位多患者的肌肉 纖維化普遍趨勢,可提供臨床醫師一個客觀且穩定的標準來評估肌肉組織在放射 治療後的傷害程度與判斷患部在復健療程的恢復程度。

關鍵字:超音波影像、放射治療後正常組織、Fuzzy c-means clustering、Size criterion

(4)

III

Abstract

The purpose of this study is to develop a quantitative method for estimating muscular fiber of Sternocleidomastoid (SCM) muscle to help doctors evaluate the damage of SCM muscle after radiotherapy.

The raw data of the study are ultrasound B-mode images of SCM muscle for 36 patients with head and neck cancer before and after radiotherapy. These images include tumor side and non-tumor side. The analysis system is based on MATLAB with fuzzy c-means clustering and size criterion algorithm. Muscular fiber and muscle cell are divided by the developed system and then their areas are calculated. After processing, muscular fiber area, muscle cell area and fiber ratio are displayed. Due to different sonography parameters, such as total gain for each image, calibration is considered for the biceps of 3 normal people and phantom experiment is further studied to prove the accuracy of the system. Finally, the ultrasound images of 36 patients are analyzed by the system and the results are plotted.

From the result of phantom experiment, it shows that the lesion in ultrasound images is proportional to optical picture. The result of patient images shows that as time goes on, SCM muscle near tumor gets swelling and then gets fibrotic 3 months after radiotherapy. Furthermore, fibrosis of SCM muscle in tumor side gets worse than non-tumor side.

The analysis system has ability to quantitatively estimate the fibrosis of SCM muscle as time goes on for each patient and fibrosis trend for all patients. It provides clinical doctors an objective and stable way to analyze the condition of SCM muscle after radiotherapy and it may be used to evaluate the treatment result for rehabilitation.

Keywords: ultrasound image, normal tissue, Fuzzy c-means clustering, Size criterion.

(5)

IV

目錄

誌謝 ... I 摘要 ... II

Abstract ... III

目錄 ... IV 圖目錄 ... V 表目錄 ... VII

第 1 章 緒論 ... 1

1.1 超音波應用簡述 ... 1

1.2 肌肉組織之生理構造 ... 2

1.3 研究動機 ... 5

1.4 放射治療後周邊正常組織之生理病理現象 ... 10

1.5 先前技術回顧 ... 15

1.6 研究目的 ... 20

第 2 章 材料與影像來源 ... 21

2.1 超音波成像原理說明 ... 21

2.2 影像來源及取得方法 ... 22

2.3 蛋白仿體實驗材料與流程 ... 29

第 3 章 系統與方法 ... 36

3.1 系統架構說明 ... 36

3.2 系統功能介紹 ... 39

3.3 影像處理演算法介紹 ... 47

第 4 章 結果與討論 ... 54

4.1 變數討論 ... 54

4.2 仿體實驗結果與討論 ... 64

4.3 病患超音波影像分析與討論 ... 67

第 5 章 結論及未來展望 ... 74

參考文獻 ... 75

附錄一 ... 78

附錄二 ... 87

(6)

V

圖目錄

圖1-1 肌肉超音波影像範例 ... 4

圖1-2 參與人數及流程圖(VAN LEEUWEN-SEGARCEANU ET AL.,2012) ... 7

圖1-3 受試者病灶的問卷調查(VAN LEEUWEN-SEGARCEANU ET AL.,2012) ... 8

圖1-4 針極肌電圖(NEEDLE EMG)(VAN LEEUWEN-SEGARCEANU ET AL.,2012) ... 9

圖1-5 肺部正常組織放射治療後傷害比較圖(SZABO,2004)... 13

圖1-6 放射治療產生傷害及可行保護方式流程圖(CITRIN ET AL.,2010) ... 13

圖1-7 肌肉受放射線傷害病變示意圖 ... 14

圖1-8 介面示意圖(GREIS,2011) ... 18

圖1-9IMAGEJ 軟體分別細胞結構之步驟(HADI ET AL.,2011) ... 18

圖1-10NITROXIDE化學式示意圖(CITRIN ET AL.,2010) ... 19

圖1-11TEMPOL效果相關實驗數據圖(CITRIN ET AL.,2010) ... 19

圖2-1TOSHIBA XARIO MODEL SSA-660A,TOKYO,JAPAN ... 25

圖2-2SIEMENS ACUSON S2000USSYSTEM,MUNICH,GERMANY ... 25

圖2-3 原始資料範例 ... 26

圖2-4 超音波影像圖範例 ... 27

圖2-5 探頭掃描方式示意圖 ... 28

圖2-6 去雜訊機制有無之超音波影像比較圖 ... 28

圖2-7 仿體實驗配置圖 ... 32

圖2-8 燒灼後仿體照片 ... 33

圖2-9 仿體實驗 4 號標記處超音波影像圖 ... 34

圖2-10 仿體實驗 4 號標記處切面照片 ... 34

圖3-1LABVIEW 模擬流程圖 ... 38

圖3-2LABVIEW 模擬結果對照 ... 38

圖3-3 操作介面示意圖 ... 41

圖3-4 系統運行流程示意圖 ... 41

圖3-5 讀取圖檔介面 ... 42

圖3-6 未選取檔案跳窗 ... 42

圖3-7 裁剪介面範例 ... 43

圖3-8 選取重點區域介面範例 ... 44

圖3-9 灰階統計圖介面範例 ... 44

圖3-10 波浪圖介面範例 ... 45

圖3-11 影像處理介面 ... 45

圖3-12 影像處理結果介面範例 ... 46

圖3-13 儲存檔案介面 ... 46

圖3-14FUZZY C-MEANS CLUSTERING影像處理結果 ... 49

(7)

VI

圖3-15SIZE CRITERION運行示意圖 ... 52

圖3-16 搭配 SIZE CRITERION的影像處理結果 ... 53

圖 3-17 超音波影像經系列影像處理示意圖 ... 53

圖4-1 總增益變化之超音波影像對照圖 ... 58

圖4-2 劉姓受試者纖維比例隨總增益變化作圖 ... 59

圖4-3 郝姓受試者纖維比例隨總增益變化作圖 ... 60

圖4-4 傾斜角度變化之超音波影像對照圖 ... 61

圖4-5 照片中燒灼區域比例對超音波影像燒灼區域比例關係圖 ... 65

圖4-6 照片中燒灼區域比例對燒灼點數量關係圖 ... 66

圖4-7 超音波影像燒灼區域比例對燒灼點數量關係圖 ... 66

圖 4-8 患者28 號之腫瘤側超音波影像圖 ... 70

圖 4-9 患者28 號之非腫瘤側超音波影像圖 ... 71

圖4-10 受試 14 組患者之腫瘤側肌肉纖維比例箱形圖 ... 72

圖4-11 受試 14 組患者之非腫瘤側肌肉纖維比例箱形圖 ... 73

(8)

VII

表目錄

表2-1 蛋白仿體成分 ... 35

表2-2 聚焦超音波探頭 H-104MR 規格 ... 35

表4-1 肌肉用力放鬆纖維百分比測試結果 ... 62

表4-2 量測者不同對纖維百分比之影響測試結果 ... 62

表4-3 量測時間不同對纖維百分比之影響測試結果 ... 63

(9)

1

第1章 緒論

以下介紹與本研究相關的超音波相關應用、肌肉組織的生理病理現象、先前所 使用的分析技術等,以及闡述本研究的動機及目的。

1.1 超音波應用簡述

人類耳朵所能聽見的聲波頻率大約在20~20kHz,超音波意即超越人耳所能聽 到之最高頻率的音波,因為其高頻率的特性而被廣泛用於許多領域,本篇講述的 即為在醫療之中的應用。超音波可大略分為診斷及治療兩個部分,治療用超音波 使用的頻率較低、能量較高,常用於復建、皮膚美容等用途,甚至有高強度聚焦 式超音波(High intensity focused ultrasound, HIFU)利用於癌症腫瘤的熱治療,目前 仍在研究階段;診斷用超音波則因其較高的頻率、能量低但組織安全性高,因此 常用作身體內部的診斷,如常見的胎兒超音波。

(1)診斷用超音波:傳統的診斷超音波多為平面(Linear transducer)或凸面探頭 (Sector transducer),其工作原理即利用超音波在行經不同密度的介質時,會有不同 的傳播速度,若遇不同介質的界面,則會產生反射,如此只要接收反射的訊號,

則可以依照傳回訊號的先後變化,得知身體內部的紋理構造,進而組織出影像。

換句話說,診斷用超音波利用「脈衝-回音」原理(Pulse-echo principle),由超音波 探頭(Ultrasound transducer)將電轉變為音波脈衝,從體表傳入身體內部,當脈衝訊 號遇到介面時,即會傳回回音給接收器(Receiver),再由電腦進行處理,即為診斷 超音波顯示器上顯示的圖形。本研究即是利用診斷超音波掃描出的影像做後處理,

得到肌肉組織的資訊。

(2)治療用超音波:治療用的超音波由於需要產生療效,因此需要較高的能量 聚焦。高強度聚焦式超音波(High intensity focused ultrasound,HIFU)即是利用超音 波換能器的幾何特性或相位調控,讓音波傳遞一段距離後累積極高的能量在小區

(10)

2

域,再由組織將此能量吸收轉為熱能,形成局部高溫造成細胞凝固使之壞死。由 於超音波集中聚焦的特性,在超音波路徑上的組織並不會產生吸收高能量溫升的 現象,如此一來可在完全非侵入的條件下破壞深層細胞,為輔助外科切除腫瘤之 非常有力的新工具,因此將此治療方法稱為超音波熱手術(Ultrasound thermal surgery),目前應用於乳癌的熱治療。

1.2 肌肉組織之生理構造

肌肉主要分為骨骼肌、心肌及平滑肌,功能皆為產生力以便運動。其中能意識 控制的骨骼肌,能用來移動身體或控制精細動作,如四肢的肌肉。心肌及平滑肌 則不能由意識控制收縮,但為生存所需,例如心臟收縮、腸胃道蠕動等。

肌肉組織的功能有(1)運動,如透過骨骼肌、關節、骨骼的配合達到運動的效 果;(2)穩定姿勢,利用肌肉持續的收縮維持一定的姿勢;(3)協助體內物質的儲存 移動,如腸胃的平滑肌蠕動在消化系統內運送食物;(4)產生熱能以維持身體的恆 溫等。

肌肉細胞(Myocyte)通常也稱為肌肉纖維(Muscle fiber),型態上屬於長管狀,

由肌肉母細胞分化而來。每個肌肉母細胞(Myoblast)都含有肌原纖維,肌原纖維 (Myofibril)是很多肌小節(Sarcomere)所構成,例如肱二頭肌(Bicepsbrachii)的肌細胞 有多達十萬個肌小節,但平滑肌的肌原纖維沒有肌小節的構造。所謂肌小節即是 由粗纖維和細纖維構成,粗纖維是由肌凝蛋白(Myosin)組成;細纖維由肌動蛋白 (Actin)組成,此外肌小節不含胞器及細胞核,肌肉細胞周圍是由肌內膜

(Endomysium)所包覆,而成束的肌肉細胞由肌束膜(Perimysium)綑綁,稱做肌肉肌 束(Muscle fascicle),肌肉肌束聚集在一起就被稱做肌肉組織,而肌肉組織外圍會由 肌外膜(Epimysium)環繞。

在本篇中所拍攝的超音波影像如圖1-1,此範例影像為利用 Siemens Acuson

(11)

3

S2000 US System 橫向拍攝正常人手臂肌肉中央肌肉截面所成的影像,在第四章的 變數討論中,將使用正常人手臂肌肉的超音波影像,在此影像中,肌肉的部分分 別以紅色及黃色線條圈出,上半部(紅色圈起部分)為手臂肱二頭肌(Bicepsbrachii);

下半部(黃色圈起部分)為肱肌(Brachialis),中間以肌外膜分隔;藍色線條圈起部分 則為動脈(Artery);橙色圈起部分為靜脈(Vein);綠色圈起部分為神經(Nerve)。脖子 部分肌肉則不會有兩大區域的分別,故僅以此圖作接下來的說明。

以肱二頭肌的橫切面來看,超音波影像呈現灰階的黑、白、灰參雜,健康的 肌肉橫切面超音波影像形態類似星空,稱為星空模型(Starry night pattern),其中黑 色的部分由肌肉細胞(Myocyte)所組成;白色的部分為纖維細胞(Fibrocyte)所組成的 結締組織(Connective tissue),包含了肌內膜、肌束膜、肌外膜;灰色的部分則為一 些細小的肌肉纖維。

本研究追蹤患者所拍攝的來源影像為脖子部分的肌肉(Dorr & Hendry, 2001),

其組成與手臂肌肉類似,且手臂肌肉有較大塊的肌肉組織方便做校正使用,因此 以手臂肌肉做為範例。

根據臨床醫師的經驗,肌肉組織功能性的好壞與其組成有高度的相關性,若 肌肉經過良好訓練,其肌肉組織中的肌肉細胞,也就是黑色部分占的比例會越大,

反之若肌肉功能性退化越嚴重,則肌肉組織中纖維構造,也就是白色部分占的比 例會越大,也就是俗稱的肌肉纖維化越嚴重。

因此接下來將介紹一套新開發的系統能夠利用影像處理的方式,將超音波影 像中的肌肉構造與纖維構造在肌肉組織中占的比例量化,以便臨床醫師追蹤患者 的纖維化情形及復健成效,甚至診斷接下來的病情需要的療程使用。

(12)

圖1- 常人 上半 外膜 神經

-1 肌肉超音 人手臂肌肉中 半部(紅色圈起 膜分隔;藍色 經。

音波影像範 中央肌肉截

起部分)為手 色線條圈起

例。為利用 截面所成的影

手臂肱二頭 起部分則為動

4

用Siemens A 影像,肌肉的 頭肌;下半部

動脈;橙色

Acuson S20 的部分分別 部(黃色圈起 色圈起部分為

000 US Syst 別以紅色及黃

起部分)為肱 為靜脈;綠

tem 橫向拍 黃色線條圈 肱肌,中間 綠色圈起部分

拍攝正 圈出,

間以肌 分為

(13)

5

1.3 研究動機

靈感源自於2012 年 van Leeuwen-Segarceanu EM 等人對於霍奇金氏淋巴瘤生 還者受放射治療後的漸進式肌肉萎縮及惡化研究(van Leeuwen-Segarceanu et al., 2012)。所謂霍奇金氏淋巴瘤,它是淋巴瘤的一種,是淋巴細胞的一種癌變,其特 色是病變會在各淋巴結之間有序的傳播,病徵是會盜汗、體重下降和發熱等。通 常使用放療、化療及骨髓移植等方法,須因患者而異,但由於放療、化療會明顯 提高患者在治療40 年後患心臟病、二次癌症和肺病的機率,因此在治療後需要長 期的追蹤患者的復健情形,以觀察其是否有復發的現象。

訪查20 位接受放射線治療後病人如圖 1-2 所示,霍奇金氏淋巴瘤生還者受放 射治療後在脖子腫瘤附近的肌肉同受放射線破壞下,對於病人接下來的症狀做統 計性的分析。經過長期的統計及追蹤,可以看出結果如圖1-3,利用問卷調查經長 期追蹤得到的受試者所描述的病灶,可以發現受試者在受放射治療後有極大比例 感受到更常頭痛及肩膀、手臂的不適,此現象可歸因於放射線治療時,不僅破壞 腫瘤的細胞,腫瘤附近的正常肌肉細胞也會受到放射線的破壞,產生纖維化等肌 肉萎縮的現象。

為了更了解肌肉萎縮的生理病理機制,進一步做了針極肌電圖 (Needle EMG),

結果如圖1-4,此為對於同一群受試者的肌肉在放射治療後進行針極肌電圖,目的 在於了解肌肉萎縮的生理病理機制,左方為頸部肌肉統計;中間為三角肌統計;

右方為二頭肌統計。可以從圖中看出由於放射線集中在脖子腫瘤處,因此脖子肌 肉的部分受影響最為嚴重(92%肌肉有受損情形),包括神經受損所造成的次發性肌 肉萎縮及肌肉細胞受損所造成的原發性肌肉萎縮等,且距離脖子較遠的三角肌也 仍有75%的受試者產生肌肉萎縮;手臂二頭肌的部分由於距離更遠,因此受到放 射線的破壞程度較低,僅有25%的受試者有肌肉萎縮的現象。

(14)

6

為了更深入了解受放射線後患部附近肌肉萎縮的情形,從此篇延伸,並與國 立台灣大學醫學院附設醫院復健部王薏茜醫師合作,利用超音波影像了解肌肉組 織萎縮的情形進而追蹤觀察,設計出一套系統能初步量化肌肉萎縮程度為一參數,

以供醫師參考以便追蹤接下來的患者復健情形,進而設計出適合該患者的復健療 程及用藥。

(15)

圖1- 還者 症狀

-2 參與人數 者受放射治療 狀做統計性的

數及流程圖 療後在脖子 的分析。

(van Leeuw 子腫瘤附近的

7

wen-Segarce 的肌肉同受

eanu et al., 2 受放射線破壞

2012)。霍奇 壞下,對於

奇金氏淋巴 於病人接下來

巴瘤生 來的

(16)

圖1- 經長 比例 破壞 等肌

-3 受試者病 長期追蹤得到 例感受到更常 壞腫瘤的細胞 肌肉萎縮的現

病灶的問卷 到的受試者 常頭痛及肩 胞,腫瘤附 現象。

調查(van L 者所描述的病 肩膀、手臂的 附近的正常肌

8

Leeuwen-Se 病灶,可以 的不適,此 肌肉細胞也

egarceanu et 以發現受試者 此現象可歸因 也會受到放射

t al., 2012) 者在受放射 因於放射線 射線的破壞

。利用問卷 射治療後有極 線治療時,不 壞,產生纖維

卷調查 極大 不僅 維化

(17)

圖1- 受試 機制

-4 針極肌電 試者的肌肉在 制,左方為頸

電圖(Needle 在放射治療 頸部肌肉統

e EMG)(van 療後進行針極 統計;中間為

9

n Leeuwen- 極肌電圖,

為三角肌統

-Segarceanu 目的在於了 統計;右方為

u et al., 2012 了解肌肉萎 為二頭肌統

2)。對於同 萎縮的生理病 統計。

同一群 病理

(18)

10

1.4 放射治療後周邊正常組織之生理病理現象

正常組織在放射治療後會出現急性傷害,但臨床和組織學上的慢性纖維化則會 在治療後幾週至幾個月,甚至幾年後才會越趨明顯。舉例來說,在肺部的放射治 療後,就算在高放射劑量下,仍在六個月之後才有擴散的纖維化出現,如圖1-5。

放射治療產生的傷害,依據顯現的外觀和現象通常分為急性(Acute)、間接性 (Consequential)以及遲發性後遺症(Late effect)三種類型。急性又稱早期(Early)效應,

顧名思義就是發生在療程期間或是在療程結束後幾週可觀察到的現象;續存性效 應也可稱為續存性後遺症(Consequential late effect),是由持續的急性效應造成的傷 害產生,通常出現的較晚;遲發性後遺症則泛指放射治療後幾個月至幾年產生的 傷害,其傷害大小及可行的保護方式流程圖如圖1-6 所示。接下來對各傷害做詳細 分述。

急性效應對具有快速增生特性的正常組織產生的傷害是最顯著的,例如皮膚 的上皮表面或消化道的黏膜細胞,在內臟或皮膚的正常組織存在著幹細胞,可以 產生補償增生的細胞取代受放射線損害的細胞,且幹細胞對放射線的忍受力較其 他細胞強,因此在治療過程中,放射治療產生的症狀通常會緩解,當局部的幹細 胞因放射線損害而無法增生,導致急性傷害無法修復,就會形成續存性後遺症。

遲發性後遺症發生在治療後幾個月至幾年之後,症狀有可能是溫和、嚴重、

漸進式且有可能逐漸惡化甚至是突然惡化,有些文獻記載患者發生副作用在治療 後20 至 34 年,發生的病灶包括纖維化、細胞壞死、萎縮及血管傷害。

患者正常組織受到損害的程度會因為治療相關的因素而產生變化,包括總放 射劑量(Total dose)、每部分劑量(Dose per fraction)、療程計畫(Schedule of treatment)。

目前臨床上將大劑量的放射治療分為多次、小劑量的放射治療,據觀察可以有效 的降低後遺症且提高有效控制局部腫瘤的比率,後遺症對於這種分散治療造成的

(19)

11

傷害降低比急性效應更加的敏感(Thames, Withers, Peters, & Fletcher, 1982),但是對 於總療程時間的改變則較不敏感(Fowler, 1984)。

正常組織受損程度也會因為患者相關因素而造成變化,例如在治療區域有無 創傷或手術,另外特別是患有血管受損相關疾病,例如糖尿病、高血壓等共病因 素(Co-morbidities),年齡也是一個因素,但年齡本身並不被作為預防的考量之一。

另外腫瘤也會從很多方面影響生理環境,例如腫瘤會扭曲正常組織的構造 (Laug, DeClerck, & Jones, 1983; Woolley, 1984),使放射治療造成的傷害增加(Siegal

& Pfeffer, 1995);另外腫瘤也會釋放解蛋白酶(Proreolytic enzymes)以進行侵略和轉 移(Stamenkovic, 2000);腫瘤血管缺乏血纖蛋白原(Fibrinogen),使它無法產生血纖 蛋白(Fibrin),造成膠原蛋白(Collagen)的沉積和纖維化(Fibrosis)的現象(Dvorak, 1986; Fajardo, 1982)。

本研究專注於頭頸癌患者經放射治療後的復健評估,因此特別詳述頭頸部分。

頭頸癌患者的皮膚、黏膜皮下組織(Mucosa subcutaneous tissues)、骨頭及唾腺 (Salivary glands)較常被放射治療影響。在皮膚部分,早期的症狀包括紅斑(Erythema) 和細胞死亡而造成的濕或乾型的剝落(Archambeau, Pezner, & Wasserman, 1995),這 種情形會因發炎(Imfalmmatory)和細胞活素產生的影響(Cytokine-mediated)而惡化,

通常會伴隨癢(Prutis)、過敏(Hypersensitivity)以及疼痛,通常這些症狀會在療程進 行時一一顯現,皮炎(Dermatitis)的症狀可能直到療程結束後數週後都無法改善。

從微觀角度來看,放射治療後在上皮細胞剝落處,皮膚及黏膜部分都有出現 出血、血管阻塞及細胞質滲漏的現象,產生的後遺症包括脫毛(Alopecia)、色素改 變(Pigmentation change)、毛細管擴張(Telangiectasia)、萎縮(Atrophy)、纖維化及潰 瘍(Ulceration)。

唾腺受到的傷害則包括炎症、血管病變及水腫(Oedema)(Cooper, Fu, Marks, &

(20)

12

Silverman, 1995),症狀在第一次放射治療後發展成腫脹(Swelling)及觸痛

(Tenderness),有可能是因為細胞凋亡(Apoptosis),但觸痛通常會在幾天內好轉。另 外一種主要症狀則是口腔乾燥(Xerostomia),主要是因為唾液分泌不足,在治療期 間會轉為黏稠的口水,這會造成患者說話、吞嚥及配戴假牙上的不便,通常需時 數月或數年才能恢復(Cooper et al., 1995)。

最後提供肌肉部分正常組織受放射線傷害後的病變過程樹狀圖供參考,如圖 1-7。

(21)

圖1- 就算 前組

圖1- 泛指 圖。

-5 肺部正常 算在高放射劑 組織切片圖

-6 放射治療 指放射治療後

常組織放射 劑量下,仍

;中列為放

療產生傷害 後幾個月至

射治療後傷害 仍在六個月之 放射治療後六

及可行保護 至幾年產生的

13

害比較圖(S 之後才有擴 六週;右列

護方式流程 的傷害,其

zabo, 2004 擴散的纖維化 列為六個月

程圖(Citrin et 其傷害大小及

)。在肺部的 化出現。左

t al., 2010) 及可行的保

的放射治療 左列為放射治

。遲發性後 保護方式流程

療後,

治療

後遺症 程如

(22)

圖1- 為肌 亡,

造成 另外 是肌

-7 肌肉受放 肌肉細胞壞死

其造成原因 成原因是因為 外纖維增加則 肌炎。可知電

放射線傷害 死減少與肌 因通常是電 為血管堵塞 則是因為長 電療造成的

病變示意圖 肌肉細胞纖維 電療及肌肉細 塞,養分無法 長期的發炎 的肌肉受損會

14

圖。肌肉纖維 維化增加,

細胞營養供 法輸送,類

,造成纖維 會以兩種方

維化的流程 肌肉細胞減 供給不良;另 類似中風現象 維的生成與沉 方式呈現纖維

程圖,肌肉纖 減少是因為 另外則是肌 象,或是神 沉積,原因 維比例上升

纖維比例上 為肌肉細胞的 肌肉細胞萎縮 神經系統壞死 因通常是電療 升。

上升分 的死 縮,

死;

療或

(23)

15

1.5 先前技術回顧

本研究專注於放射治療後,肌肉組織傷害的量化分析,以治療區附近之超音波 影像為基礎,因此簡單介紹先前關於影像技術及減低放射治療後副作用的相關藥 物研究文獻。

1.5.1 影像相關技術回顧

在2011 年時,Clinical Hemorheology and Microcirculation 上有發表 Quantitative evaluation of microvascular blood flow by contrast-enhanced ultrasound(CEUS)(Greis, 2011),討論利用藥劑打入待測組織中,再利用超音波偵測及軟體後處理,得到特 定區域血流偵測的效果,如圖1-8。

超音波對比顯影劑包含了與紅血球大小相近的微氣泡(Microbubble),因為其大 小的關係,在血管內作為顯影劑時,不會滲出至間質液中,也因此作為測血流的 分布相當完美。利用超音波掃描及增強對比的軟體,這種顯影劑中的微氣泡可從 影像中被從正常組織中即時的分離出來,如此一來可以產生易辨別的影像,且傳 回訊號的強度與目標器官中的微氣泡數量大小成正比,因此可以輕易利用來量測 出相對的血流量,甚至藉由監測流入、流出的微氣泡量,或更精準的使用

Flash-replenishment 技術,可將局部的血流速率量測出來。當然,這個系統也經過 各種因素的校正,包括呼吸的校正,以及對不同超音波機器的校正(Re-linearization) 等,以求更高的穩定性。

另外使用已商業化的量測軟體(例如:VueBox™,Bracco Geneva、ImageJ)可以 進一步利用每一個照片中流入、流出的影像,即時的計算出影片檔中時間相關的 濃度,甚至在經過各自動態的數學模型比對運算(例如:Bolus 或 Flash-replenishment kinetics),可以得到精準至像素的重點區域(Region of interest, ROI)的時間對強度的 曲線(Time/intensity curves/TIC),最後再將曲線中的參數利用不同顏色顯示於解剖

(24)

16

學圖片上,如此一來就可以清楚的看到影像中的熱點、冷點等不正常的區域,以 便診斷之用,如圖1-9 則是使用 ImageJ 分辨細胞結構之步驟示意圖。

1.5.2 減低副作用藥物相關技術回顧

放射線已被廣泛的應用在惡性腫瘤的治療,但腫瘤周圍的正常組織暴露在放 射線下會造成急性或慢性的症狀,造成接下來的療程無法繼續進行,甚至會減低 患者之後的生活品質,因此為了防範、減低放射治療所造成的傷害,有許多放射 性防護藥物(Radioprotector)正在研發中或是正在使用(Citrin et al., 2010),以減低正 常組織受放射線的傷害。這些藥物通常是抗氧化劑(Antioxidant),必須在放射治療 之前或過程中注射;其他的藥物例如長期緩解劑(Termed mitigator),是可以在放射 治療後仍達到減低傷害的效果之用,然目前仍鮮少藥物在臨床使用,但有很多新 型的化合物在臨床前試驗階段有顯著的進步,期待未來可於臨床使用。

另外有幾種藥物例如Amigostine 已經在臨床上使用來做為減低放射線治療副 作用的藥物;Nitroxides 則是正在臨床試驗進步中的藥物,化學式如圖 1-10 所示;

另一種在此領域常用的抗氧化藥物Tempol,其效果如圖 1-11 所示,圖中 A 部分為 唾腺的變化,可以看出此藥物能有效減低在唾腺的放射線傷害;B 部分則表示此藥 物不會改變腫瘤的成長,也就是說在組織受放射線扭曲前的藥物傳輸,並不會影 響腫瘤的控制(Cotrim et al., 2007)。另外還有其他的抗氧化藥物、放射緩解劑等就 不在此多加詳述。

現存的科技都在儘管在防護放射線造成的傷害上有很大的進展,仍無法完全 庇護隔離,這些化學藥物主要致力於減低並提供一種治療放射傷害的方法,甚至 增進患者在治療後的生活品質。儘管如此,現存在臨床使用的治療放射傷害的藥 物仍然很少,是將來仍待解決的課題,但更新的科技,如抗纖維化的治療,舉凡 Pentoxyfilline、維他命 E 等,都在蓬勃的發展,甚至是基因治療(Gene therapy)都是

(25)

17

未來可以治療或是緩解症狀如口乾舌燥(Xerostomia)(Baum et al., 2006)的機會,也 給了我足夠的動機繼續研究。

(26)

圖1- 軟體

圖1- 計算 離;

-8 介面示意 體後處理,得

-9 ImageJ 軟 算細胞數量

d 為紅色區

意圖(Greis, 得到特定區

軟體分別細

,a 為原切片 區域部分分離

2011)。利用 區域血流偵測

細胞結構之步 片圖;b 為 離;e 為除

18

用藥劑打入 測的效果。

步驟(Hadi e 為分離細胞核 除細胞核外部

入待測組織中

et al., 2011) 核後;c 為切 部分分離。

中,再利用

。利用Ima 切片途中白

用超音波偵測

ageJ 軟體分 白色區域部分

測及

分析並 分分

(27)

圖1- 步中

圖1- 分為 此藥 會影

-10 Nitroxid 中的藥物,用

-11 Tempol 為唾腺的變化 藥物不會改變 影響腫瘤的控

de 化學式示 用來減低放

效果相關實 化,可以看出 變腫瘤的成 控制。

示意圖(Citr 放射線治療產

實驗數據圖 出此藥物能 成長,也就是

19

rin et al., 20 產生的副作

圖(Citrin et a 能有效減低在

是說在組織

10)。Nitrox 作用。

al., 2010)。抗 在唾腺的放 織受放射線扭

xides 則是正

抗氧化藥物 放射線傷害

扭曲前的藥

正在臨床試

物Tempol,

;B 部分則 藥物傳輸,並

試驗進

A 部 則表示 並不

(28)

20

1.6 研究目的

經由上述提到的先前技術所提供的經驗,目前在應用於臨床上將後遺症量化表 示的研究十分缺乏,幾乎都是使用詢問患者在術後的症狀、患部疼痛等主觀經驗 作為衡量的標準,進而統計一群患者的數據。臨床上醫師在對復健患者評估肌肉 狀況時,通常是以超音波影像的肉眼判斷,搭配觸診做為主要的診斷手法,與醫 師的診療經驗有很大的關係,並無實際客觀的量化標準可供醫師參考。又因為患 者常在超音波影像上已可看出明顯的肌肉纖維化趨勢,但體感及運動上並無感到 不適或影響生活作息,進而延誤了最佳的治療時機,因此本研究主要的目的即是 利用超音波影像後處理後,得到一組能與肌肉纖維正相關的數據,不僅提供臨床 醫師診斷時參考,也能使醫生能判斷切入進行復健的時機。

在決定使用超音波影像作為量化的分析標的時,已經諮詢過醫師其他相關影像 的優缺點,例如磁共振影像(Magnetic resonance imaging, MRI)在細部的肌肉纖維的 解析度並不如超音波影像來的清楚;針極肌電圖由於測量範圍小,且電訊號與肌 肉的纖維化並無正相關,故捨棄不用,超音波影像因此成為臨床上主流用來觀測 肌肉纖維化進程的工具。

(29)

21

第2章 材料與影像來源

將簡介超音波成像的原理,並詳細介紹作為分析來源的超音波影像的收案方式,

及蛋白仿體實驗之材料及步驟。

2.1 超音波成像原理說明

超音波成像的三要素:產生聲波、接收回聲、使回聲成像。以下將分為三個 部分說明(Szabo, 2004)。

(1)產生聲波:使用超音波換能器(通常是由壓電材料製成),並以相位陣列的形 式產生波長短能量強的脈衝波,通常換能器和接收器都封裝在探頭中,換能器的 工作在於將電源轉化成電脈衝,再由電脈衝轉換成生波的脈衝,並由一系列的壓 電材料利用不同相位發射脈衝波,形成一個聚焦的弧形聲波,此聲波的頻率為 2~13MHz,超越人耳所能聽見上限頻率 2kHz。為了使聲音有效的傳入人體,必須 與人體組織的阻抗做匹配,因此除探頭表面須由橡膠包覆外,診斷時也須將水基 凝膠塗抹在探頭與患者的皮膚之間。

(2)接收回聲:由探頭發出的聲波脈衝經由皮膚組織的介面反射後,將返回的 聲波由接受器收集,並將聲波脈衝轉換回電脈衝訊號,再將此訊號傳送至超音波 主機,由主機後處理成數位影像。

(3)使回聲成像:超音波主機從探頭接收回電脈衝訊號後,經由後處理成數位 影像。超音波儀器確定接收到的回聲須具備三個要素:是探頭的哪個單元接收到 的回聲;回升的信號強度;探頭發射到接收回聲經過了多少時間。一旦超音波儀 器確定這三個要素,便可明確知道在圖像中該以多亮、何處顯示,接收的單元決 定位在哪一列;回聲由發射至接收的時間決定位在哪一行;回聲的強度決定亮度,

如此三個要素便可後處理成超音波影像。

(30)

22

2.2 影像來源及取得方法

本研究所利用的影像為台灣大學醫學院附設醫院復健部超音波室內所附設的 Toshiba Xario Model SSA-660A, Tokyo, Japan(如圖 2-1)及 Siemens Acuson S2000 US System, Munich, Germany(如圖 2-2),所掃描受試者拍攝出來的 B 型超音波影像,

經由儀器內建的輸出功能輸出為電腦可用的jpeg 與 bmp 檔,以下將會大略說明影 像各檔案格式與比較。

會選擇使用超音波影像作為本研究的影像來源,是因為比較過其他種不同的 醫學影像而得的結果。MRI 在肌肉的影像品質比超音波來的差,故無法清楚的從 影像中看到纖維等細節;針極肌電圖(Needle EMG)也因為掃描的範圍小,且電訊 號的波動方式與肌肉的纖維化現象無正相關,因此無法用來評估肌肉的纖維化程 度。

Jpeg 檔案格式全名為 Joint Photographic Experts Group,為一種壓縮方式通常 是破壞性資料壓縮(Lossy compression),意即在壓縮過程中圖像的品質會遭受到 可見的破壞,在實用上常遭遇的困難如存取jpeg 影像,經由使用者的調整大小後,

放大會造成模糊,縮小則會造成影像資訊的遺失,因此做為影像處理的來源,若 來源非直接為一手的由儀器端輸出,必會有一定程度的破壞與不可靠性;bmp 為 點陣圖(BitMap)的縮寫,bmp 文件通常是不壓縮的,所以它們通常比同一幅圖像的 壓縮圖像文件格式(如 jpeg)要大很多,其特色是不會因為使用者存取時的調等大小 造成資料遺失、失真模糊等缺點。

事實上最適合做影像分析的為儀器經由探頭收到訊號後蒐集而成的原始資料 (Raw data),然而在 2012 年初與儀器製造商相關人員接洽後,以無法解讀儀器傳出 的原始資料作結,原因是儀器製造商不提供後製處理函式,故只能顯示如圖2-3 的影像,無法提供接下來研究使用。因此為避免影像經調整後失真本篇所使用的

(31)

23

資料來源即為經儀器內部演算法處理過後組成而輸出的一手影像檔,主要檔案格 式為jpeg 以及 bmp。

圖2-4 為患者 3 號在左側脖子腫瘤附近肌肉經放射性治療完成後,利用 Siemens Acuson S2000 US System 的探頭掃描後,經儀器主機後處理後顯示在螢幕並輸出至 檔案的超音波B 型影像,操作探頭掃描的方式如圖 2-5 所示。在此範例影像中,

右側包含儀器開發商商標、各超音波影像參數(例如增益、聚焦位置、時間補償、

頻率…等)、圈選標示距離(影像中的「*」字圖形,此範例圖中未含)、參考尺(參數 左側與影像做區隔的白色點,為直列的形式,每兩點的間隔為實際上的0.5 公分距 離)、剪力波速度(Shear wave velocity, Vs)、深度(Depth)…等;左側為超音波影像,

其中的方框為使用者可調的重點區域範圍,在儀器附帶的剪力波影像功能中使用,

另外可從影像中看出類似橢圓形的封閉範圍,此即為肌肉部分,包含了黑色的肌 肉細胞及白色的肌肉纖維,又因此頻率的超音波影像照不到幹細胞等,因此肌肉 區域內除了肌肉細胞就是肌肉纖維;上方列出影像拍攝的日期及時間;左上角列 出拍攝者為受試者訂的名稱;右下角為參考尺總實際長度(4cm)、每秒拍攝的幀數 (Frames per second, Fps)。

本篇的影像來源主要由國立台灣大學醫學院附設醫院復健部王薏茜醫師對其 看診的患者做拍攝,拍攝之前已經過患者的同意並簽署同意書。這些頭頸部癌症 患者皆有頸部淋巴轉移,為頸部肌肉經放射治療前、後利用超音波B 型影像拍攝 脖子部分肌肉,並在之後數次的回診,對同一批病人做相同部分肌肉的超音波影 像拍攝,並記錄回診拍攝時間、腫瘤部位、性別…等詳細資訊。

所謂放射治療(即俗稱的電療)就是用高能量的游離輻射來照射病灶處,例如:

X 光或帶電粒子束,以達到殺死腫瘤細胞或抑制腫瘤生長為目的的一種治療方式。

因腫瘤對放射線傷害的修復能力較差而正常組織的修復能力較好,因此臨床上需 使用分次治療以達到腫瘤治療的目的而又能儘量避免對腫瘤附近的正常組織造成

(32)

24

太過嚴重的傷害。通常依病情和腫瘤種類不同約需治療2 週到 2 個月之久;每週 治療5 次,每次數分鐘至數十分鐘。

附錄中表 A- 1 至表 A- 9 對照可了解各影像中分別代表患者在治療前、後腫 瘤側(或非腫瘤側)的資訊,以便做接下來的影像處理達到分析其肌肉組織,追蹤復 健情形的效果。其中「Case No.」欄位不同標號表示為不同的患者;「收案日期」

為此超音波影像拍攝的日期;「檢查次數」表示此影像為病人第幾次回診,0 表示 經放療前拍攝,隨後的正整數代表回診次數;「Duration」代表患者經放療後的時 間,單位是日;「性別」指的是患者的性別,0 為女性,1 為男性;「腫瘤側」為患 者腫瘤生長在脖子的左、右哪一側,1 表右側,2 表左側;「檢查側」為此張影像 是拍攝患者哪一側的脖子部分肌肉,1 表右側,2 表左側;「SCM-D1」及「SCM-D2」

分別表示利用超音波影像偵測出的肌肉切面,可視為橢圓形的長軸及短軸直徑。

本案看似收案完整,但事實上期收案患者之回診間隔不一,甚至有些患者未 回診導致資料遺失(如第四號患者);拍攝時的探頭傾斜角度也並非完美試用於本系 統,將會導致分析上的誤差(將在第四章提及);儀器內建之超音波去雜訊的部分也 是有無參雜,同一患者之超音波影像有些有去雜訊(顯示為 ASC),有些則無(顯示 為SC off),如圖 2-6,左方為有去雜訊,右方則無,可以看出雜訊對影像品質的影 響甚大,這將會造成之後纖維統計無法以同一標準比較的情形。然接下來仍將針 對這些影像中可用的部分進行實作,並先以正常人的肌肉組織做測試完成後,將 更完整並更符合分析效益的收案的病患超音波影像作一系列的評估、統計,以求 一步步接近臨床使用情形。

(33)

圖2- 的超

圖2- 音波 拍攝

-1 Toshiba X 超音波儀,實

-2 Siemens 波室的超音波 攝。

Xario Mode 實際應用於

Acuson S20 波儀,實際

el SSA-660A 於患者的診斷

000 US Sys 際應用於患者

25

A, Tokyo, J 斷。

stem, Munic 者的診斷,

Japan。位於

ch, German 本研究之影

於台大醫院復

ny。位於台大 影像來源主

復健科超音

大醫院復健 主要為此台儀

音波室

健科超 儀器

(34)

圖2- 始資 法作

-3 原始資料 資料作結,原 作為分析標的

料範例。與 原因是儀器 的。

與儀器製造商 器製造商不提

26

商相關人員 提供後製處

員接洽後,以 處理函式,故

以無法解讀 故只能顯示

讀儀器傳出的 示如此影像

的原

,無

(35)

圖2- 利用 螢幕 如增 此範 點的 (Dep

-4 超音波影 用Siemens A 幕並輸出至檔 增益、聚焦位 範例圖中未含 的間格為實際

pth)…等。

影像圖範例。

Acuson S200 檔案的超音 位置、時間補

含)、參考尺 際上的0.5 公

。患者3 號在 00 US Syste 音波B 型影像

補償、頻率 尺(參數左側 公分距離)

27

在左側脖子 em 的探頭掃 像,包含儀器 率…等)、圈 側與影像做區

、剪力波速

子腫瘤附近肌 掃描後,經 器開發商商 圈選標示距離

區隔的白色 速度(Shear w

肌肉經放射 經儀器主機後

商標、各超音 離(影像中的 色點,為直列

wave velocit

射性治療完成 後處理後顯 音波影像參數 的「*」字圖

列的形式,

ity, Vs)、深 成後,

顯示在 數(例 圖形,

每兩 深度

(36)

圖2- 方式 亮時

圖2- 出雜 情形

-5 探頭掃描 式為將探頭放 時按下拍攝鈕

-6 去雜訊機 雜訊對影像品 形。

描方式示意 放置於脖子 鈕。

機制有無之 品質的影響

圖。本研究 子之胸鎖乳突

超音波影像 響甚大,這將

28

究所使用患者 突肌中央處

像比較圖。左 將會造成之

者超音波影 處,並做探頭

左方為有去 之後纖維統計

影像收案時 頭的傾斜,

去雜訊,右方 計無法以同

,探頭掃描 直到影像最

方則無,可 同一標準比較

描患者 最明

可以看 較的

(37)

29

2.3 蛋白仿體實驗材料與流程

此實驗主要目的為驗證本系統能利用影像處理的方式有效區分組織中的肌肉 纖維與肌肉細胞,並將其各自量化呈現。這裡將使用蛋白仿體模擬肌肉組織,並 利用聚焦式超音波對蛋白組織作燒灼,使其產生白色肉眼可見的燒灼蛋白質變性 區域,目的在於模擬蛋白仿體為肌肉組織,在超音波影像中呈現黑色;模擬燒灼 區域為肌肉纖維,在超音波影像中呈現白色,並使用台大醫院復健部超音波室內 之Siemens Acuson S2000 US System 做超音波影像的拍攝,於拍攝後將蛋白仿體沿 截面切下,對該截面拍攝照片,經過簡單的影像處理將超音波影像中蛋白仿體的 燒灼區面積占總面積比例與照片中的燒灼區域面積占總面積比例做分布圖,得出 其相關性,進而證明此系統能量化區分不同的兩種細長組織。

2.3.1 實驗材料

本實驗將製作蛋白仿體作為實驗對象。由於超音波需透過水當介質傳遞,若 水中的氣泡太多很容易產生空蝕化效應影響超音波的聚焦位置,因此在實驗前需 將水中的氣體去除,使用去氣水機(真空攪拌脫泡設備,加安幫浦,台灣)來攪拌並 抽為真空,使水中的氣泡像沸騰一般往上衝,而經過約40 分鐘的去氣程序後可使 水中幾乎看不到氣泡再冒上來,因此認定此為已去氣水,可作為接下來製作蛋白 仿體使用。製作蛋白仿體的成份如表2-1。蛋白仿體製作流程如下:

(1)準備適合本實驗所需的塑膠容器兩只,其大小為 22.5cm×7cm×4cm。

(2) 購買當日新鮮雞蛋,因為新鮮雞蛋的蛋白較為透明不黏稠且內部雜質較少,可 減少蛋白仿體多餘的超音波反射影響實驗的穩定度。將買來的蛋分離蛋白部分後 使用網杓過濾雜質留下清澈蛋白。

(3) 將去氣水加入燒杯中,放入攪拌子,開啟攪拌器,至不會產生氣泡的強度攪拌。

(38)

30

(4) 將過濾後的清澈蛋白緩緩加入燒杯中,此時蛋白與去氣水混和後會產生些許白 化現象,屬正常反應。

(5) 加入 Acylamide/Bis,加入後液體會由渾濁轉為透明。

(6) 加入甘油。

(7) 加入 APS 溶液。

(8) 最後加入 TEMED,加入後約 15 秒,攪拌均勻後關閉攪拌器,並使用鐵湯匙將 攪拌子取出並撈出雜質與剩餘的泡沫。

(9) 將溶液緩緩倒入塑膠容器中,須注意在倒入溶液的過程中盡量不要產生氣泡,

將溶液倒滿再多一些使液體表面呈弧狀,並剪取保鮮膜作封口動作,靜置約15 分 鐘溶液變為固態便可使用。

隨後將蛋白仿體使用的聚焦式超音波燒灼,所使用的探頭為Sonic concepts 所 發行的H-104MR 探頭,規格如表 2-2 所示。

2.3.2 實驗流程

首先將凝固後的蛋白仿體兩只,因為其中一只有切一小段作為聚焦式超音波 試打,因此一只較長,一只較短。利用事先準備好的牙籤,橫向每隔3 公分的距 離,縱向距離表面分別1 公分與 1.5 公分深度處,側向平行各插入一根牙籤作為標 示位置及編號之用,確保使用診斷超音波拍攝時與切面拍照時為同樣的截面,以 牙籤作參照。

將凝固後的蛋白仿體放入一個大型水槽內,並支撐於一定高度,將水槽內倒 滿去氣水,使蛋白仿體完全沒入水中。隨後將聚焦式超音波探頭上方安裝一個事 先準備好的椎形壓克力容器,並由上方開口處沿容器邊緣倒滿去氣水,用保鮮膜 將開口處封住,而後把氣泡去除,並用橡皮圈固定,再將聚焦式超音波探頭連接

(39)

31

線處安裝好,將控制系統及功率放大器連接完成,最後把探頭安裝至定位儀上,

以便接下來超音波施打位置的校正,全部安裝完成後如圖2-7。

將配置好的功率放大器及控制系統打開,設定輸出功率為50 瓦,以仿體內牙 籤垂直延伸至表面的位置為施打目標,將聚焦式超音波探頭表面之保鮮膜處與仿 體欲施打位置處塗抹水基凝膠,隨即將兩者於水中接觸,把開關打開,開始施打,

時間為60 秒,重複此動作在各標記處施打若干個點,施打完後蛋白仿體表面會呈 現肉眼可見的白色燒灼區域,如圖2-8。

施打完成後將蛋白仿體取出水缸,運送至台大醫院復健部超音波室使用 Siemens Acuson S2000 US System 以 18MHz 探頭對各標記點做超音波影像的拍攝,

如圖2-9。拍攝完成後將仿體運回實驗室,用利刃將各標記處切面,由先前敘述的 聚焦式超音波施打目標處,將刀面平行於牙籤垂直切下,並對各標號截面拍下照 片,如圖2-10,可明顯看出燒灼後的仿體在切面呈現椎狀白色斑點,隨後將照片 利用MeVisLab 做簡單的影像處理,並做燒灼區域佔整體切面的比例計算。

(40)

圖2- 高度 頭上 去氣 式超 安裝

-7 仿體實驗 度,將水槽內 上方安裝一個 氣水,用保鮮 超音波探頭連 裝至定位儀上

驗配置圖。將 內倒滿去氣 個事先準備 鮮膜將開口 連接線處安 上,以便接

將凝固後的 氣水,使蛋白 備好的椎形壓 口處封住,而 安裝好,將控 接下來超音波

32

的蛋白仿體放 白仿體完全 壓克力容器 而後把氣泡 控制系統及 波施打位置

放入一個大 全沒入水中 器,並由上方 泡去除,並用 及功率放大器 置的校正。

大型水槽內

。隨後將聚 方開口處沿 用橡皮圈固 器連接完成

,並支撐於 聚焦式超音波 沿容器邊緣倒 固定,再將聚 成,最後把探

於一定 波探 倒滿 聚焦 探頭

(41)

圖2- 50 瓦 面之 關打 後蛋

-8 燒灼後仿 瓦,以仿體內 之保鮮膜處與 打開,開始施 蛋白仿體表面

仿體照片。將 內牙籤垂直 與仿體欲施 施打,時間 面會呈現肉

將配置好的 直延伸至表面 施打位置處塗 間為60 秒,

肉眼可見的白

33

的功率放大器 面的位置為 塗抹水基凝

重複此動作 白色燒灼區

器及控制系 為施打目標 凝膠,隨即將

作在各標記 區域。

系統打開,設

,將聚焦式 將兩者於水 記處施打若干

設定輸出功 式超音波探 水中接觸,把

干個點,施 功率為 探頭表

把開 施打完

(42)

圖2- 缸,

18M

圖2- 各標 切下

-9 仿體實驗 送至台大醫 MHz 探頭對各

-10 仿體實驗 標記處切面 下,並對各標

驗4 號標記 醫院復健部

各標記點做

驗4 號標記

,由先前敘 標號截面拍

處超音波影 部超音波室

做超音波影像

記處切面照 敘述的聚焦式 拍下照片。

34

影像圖。施打

,使用Siem 影像的拍攝。

照片。拍攝完 式超音波施

打超音波完 mens Acuso

完成後將仿 施打目標處

完成後,將蛋 on S2000 US

仿體運回實驗

,將刀面平

蛋白仿體取 S System 及

驗室,用利 平行於牙籤垂

取出水 及

利刃將 垂直

(43)

表2- 行調

TM

表2- 的商

-1 蛋白仿體 調配。

去 甘油 Acrylami 10%(v/v)A MED(N,N,N'

-2 聚焦超音 商用探頭,為

體成分。本研

成份 蛋白Egg 去氣水Dega

油Glycerol A ide/Bis, 19:

APS(Ammo ',N'-Tetrame

Tota

音波探頭H 為Sonic con

研究製作所

white sed water Anhydrous 1, 40% Solu onium persu

ethylethylen

al

-104MR 規 ncepts 所發

35

所使用的蛋白

ution ulfate) nediamine)

規格。蛋白仿 發行的H-10

白仿體時,

體積 408ml 544ml 61.2ml 340ml 6.8ml 2.72ml

1360ml

仿體實驗施 04MR 探頭

是依照本表

變 增 聚合 高氧化

催化

l

施打聚焦式超

表之成分比

用途 變性來源

溶液 增加透明度 合成網狀結構

化,提供電 化聚合反應

超音波時所 比例進

構 電子 應

所使用

(44)

36

第3章 系統與方法

說明本研究之分析系統運作的架構,以及詳細介紹各功能及本分析系統所包含 之運算法則。

3.1 系統架構說明

MATLAB 是 MATrix LABoratory 的縮寫,是一款由美國 The MathWorks 公司 出品的商業數學軟體。MATLAB 是演算法開發、資料視覺化、資料分析以及數值 計算的高階技術計算語言互動式環境。除了矩陣運算、繪製函式、資料影像等常 用功能外,也可以用來建立使用者介面(GUI)及與呼叫其它語言(包括 C,C++和 FORTRAN 等)編寫的程式。

MATLAB 不僅可用於數值運算,其為數眾多的附加工具箱(Toolbox)也適合 應用於不同的領域,如控制系統設計與分析、影像處理、訊號處理與通訊、金融 建模和分析…等。此外它還內建有 Simulink,可提供更直觀的開發環境,常用於系 統模擬、動態嵌入式系統開發…等方面。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench),實驗室 虛擬儀器工程平台)是由美國國家儀器公司所開發的圖形化程式編譯平台,早期 是為了儀器自動控制所設計,至今轉變成為一種逐漸成熟的高階程式語言。最特 別的是它使用了圖形化的程式語言,使得程式設計者在流程圖構思完畢的同時也 完成了程式的撰寫,因此逐漸受到系統開發及研究人員的喜愛。此外LabVIEW 提 供的函式庫包含:訊號擷取、訊號分析、機器視覺、數值運算、邏輯運算、聲音 震動分析、資料儲存…等。目前廣泛的被應用於工業自動化之領域上。

(45)

37

新的版本也提供Vision Assistant 作為影像處理開發的工具,可利用圖形化的 語言將各種影像處理函式加至來源影像上,迅速的模擬出處理後結果,隨後可將 編碼輸出為LabVIEW 圖形介面或是 C 語言等。

本系統為經由LabVIEW Vision Assistant 模擬效果後,在 MATLAB 為架構下 搭配其內建的GUIDE 所撰寫完成,所謂的 GUIDE 也就是俗稱的人機介面

(Graphical user interface, GUI)在 MATLAB 內的功能名稱。如圖 3-1 為使用 LabVIEW 做模擬後的流程圖,圖3-2 則為模擬前後對照圖,右為處理前影像,左為處理後。

會使用LabVIEW Vision Assistant 做模擬是因為其直觀的操作環境,僅需在導入影 像來源後,利用滑鼠點選各內建的影像處理方法,即可立即得知其套用效果,更 可將多種影像處理方法結合,達到更複雜的模擬效果;會使用MATLAB 作為基底 撰寫是因為其內建的函式庫相當的強大完整,只需要事先了解各指令編碼及其意 義,就可輕鬆叫出使用,節省繁雜的程式編輯時間。

(46)

圖3- 的操 可立

圖3- 擬前

-1 LabVIEW 操作環境,僅 立即得知其套

-2 LabVIEW 前後比較結果

W 模擬流程 僅需在導入 套用效果,更

W 模擬結果 果,左為模

程圖。使用 入影像來源後

更可將多種

果對照。使用 模擬後結果

38

LabVIEW V 後,利用滑 種影像處理方

用上述方塊

;右為模擬

Vision Assi 滑鼠點選各內

方法結合,

塊圖之函式將 擬前原影像

stant 做模擬 內建的影像

達到更複雜

將患者超音

擬是因為其 像處理方法

雜的模擬效

音波影像導 其直觀

,即 效果。

導入模

(47)

39

3.2 系統功能介紹

本系統由MATLAB 為基底搭配期內建的 GUIDE 撰寫而成,其操作介面如圖 3-3 所示,系統運行流程如圖 3-4 所示,接下來將詳述各項功能。

3.2.1 讀取圖檔功能

操作介面如圖3-5 所示,讀取圖檔由「Browse」鈕主導,其引入的圖檔格式可 為任何Windows 支援之圖檔格式,本篇主要使用由儀器輸出之一手 jpeg 及 bmp 格 式之圖檔。若選取檔案為空,意即未選取檔案,則會出現如圖3-6 之跳窗,提醒使 用者重新輸入。輸入檔案後將會把檔案名稱及其副檔名導入「File Source」下方之 空白欄位,供使用者校對。

3.2.2 裁剪影像功能

裁剪影像由「Cropping」鈕主導,預設的裁剪區域為X座標:118至650,Y座 標: 62至626。左方的選項為「Select Processed ROI」若為勾選,則可以滑鼠操作 自訂裁剪的區域範圍(為多邊形),跳出如圖3-7之介面,自訂裁剪後會將選取之座 標點顯示於右下角的表格中。此裁剪的目的為接下來做影像處理時可以去除附近 的參數、文字…等不必要的訊息。

3.2.3 選取重點區域功能

選取重點區域由「Select ROI」鈕主導,按下後會跳出如圖 3-8 之操作介面,

為先前經裁剪後的影像,須以人工方式將欲分析之區域圈出,以便接下來的影像 處理及統計之用。選取完成會顯示出如圖3-9 及之圖 3-10 介面,分別表示重點區 域內的灰階統計圖(Histogram)以及波浪圖(Surf),供使用者參考。若使用者有勾選

「Preserve ROI」的選項時,會將上一次圈選的重點區域保留下來,留作這一次處

(48)

40

理時使用,如此一來可以避免在處理一系列影像時由於人工每次圈選的重點區域 些微不同造成統計上的誤差,之後對參數的校正會使用到此功能。

3.2.4 影像處理功能

操作介面如圖3-11 所示,影像處理功能由「Process」鈕主導,將先前選出的 重點區域部分經自行開發的影像處理函式運算後,輸出處理後的二值化影像在介 面上,如圖3-12,同時計算重點區域面積(ROI Area)、重點區域中肌肉纖維面積(Fiber Area in ROI)、重點區域中肌肉細胞面積(Muscle Area in ROI)以及重點區域中肌肉 纖維所佔比例(Fiber Ratio in ROI),提供使用者無因次的參數作為患者肌肉纖維化 的量化參考值。運算函式會在接下來的章節中介紹。

3.2.5 儲存檔案功能

操作介面如圖3-13 所示,由「Save」鈕主導,先前影像處理完成後,會自動 將「File Source」欄位內的文字自動複製至「Filename」欄位,可由使用者自行修 改至欲儲存的檔案名稱後按下「Save」鈕,即儲存圖檔完成,儲存的圖檔有「p_

檔名.jpg」為經影像處理後的結果圖、「his_檔名.jpg」為重點區域的灰階統計圖、

「surf_檔名.jpg」為重點區域的波浪圖,共三個圖檔;也可編輯副檔名的部分,以 修改儲存的圖檔格式,支援的圖檔格式可為任何Windows 支援之圖檔格式,本篇 使用jpg 作為主要的圖檔格式。儲存位置為與 MatLab 之 m 檔相同的目錄下。

3.2.6 清除功能

清除功能由「Clear & Close All」鈕主導,當按下清除鈕後,將會把 MatLab 暫存在記憶體中的各視窗、參數等清除乾淨,以便接下來另一張影像的使用。

(49)

圖3-

圖3- 經由

-3 操作介面

-4 系統運行 由一連串的影

面示意圖。為

行流程示意 影像處理函

為了方便臨

意圖。本分析 函式,最後統

41

臨床醫師使用

析系統運行流 統計後輸出為

用,撰寫成

流程示意,

為數據形式

成人機介面更

來源超音波 式,供往後作

更貼近使用

波影像輸入 作圖分析使

用者。

入後,

使用。

(50)

圖3- Wind 檔。

圖3- 提醒

-5 讀取圖檔 dows 支援之

-6 未選取檔 醒使用者重新

檔介面。讀取 之圖檔格式

檔案跳窗。若 新輸入。

取圖檔由「

式,本篇主要

若選取檔案

42

「Browse」鈕 要使用由儀

案為空,意即

鈕主導,其 儀器輸出之一

即未選取檔案

其引入的圖檔 一手jpeg 及

案,則會出現

檔格式可為 及bmp 格式

現如圖之跳 為任何 式之圖

跳窗,

(51)

圖3- 118 至 則可 會將 可以

-7 裁剪介面 至650,Y 座 可以滑鼠操作 將選取之座標 以去除附近的

面範例。裁剪 座標: 62 至 作自訂裁剪 標點顯示於 的參數、文

剪影像由「C 至626。左方 剪的區域範圍 於右下角的表 文字…等不必

43

Cropping」鈕 方的選項為 圍(為多邊形 表格中。此 必要的訊息

鈕主導,預設 為「Select P

形),跳出如 此裁剪的目的 息。

設的裁剪區 rocessed RO 如上圖之介面

的為接下來

區域為X 座 OI」若為勾 面,自訂裁 來做影像處理

座標:

勾選,

裁剪後 理時

(52)

圖3- 跳出 便接

圖3- 圖,

-8 選取重點 出操作介面 接下來的影像

-9 灰階統計 供使用者參

點區域介面

,為先前經 像處理及統

計圖介面範 參考。

範例。選取 經裁剪後的影 統計之用。

例。選取完

44

取重點區域 影像,須以

完成會顯示出

域由「Select 以人工方式將

出如介面,

ROI」鈕主 將欲分析之

為重點區域

主導,按下 之區域圈出

域內的灰階 下後會

,以

階統計

(53)

圖3- 使用

圖3- 部分

-10 波浪圖介 用者參考。

-11 影像處理 分經自行開發

介面範例。

理介面。像 發的影像處

。選取完成

像處理功能由 處理函式運算

45

成會顯示出如

能由「Proces 算。

如介面,為

ss」鈕主導

為重點區域內

導,將先前選

內的波浪圖

選出的重點 圖,供

點區域

(54)

圖3- 在介 in RO 佔比 參考

圖3- Sour 存的 為經 為重

-12 影像處理 介面上,同時

OI)、重點區 比例(Fiber R 考值。

-13 儲存檔案 rce」欄位內 的檔案名稱後 經影像處理後 重點區域的波

理結果介面 時計算重點區 區域中肌肉細 Ratio in ROI

案介面。由 內的文字自動

後按下「Sa 後的結果圖 波浪圖,共

面範例。影 區域面積(R 細胞面積(M

),提供使用

由「Save」鈕 動複製至「

ave」鈕,即

、「his_檔名 共三個圖檔

46

影像處理函式 ROI Area)、

Muscle Area 用者無因次

鈕主導,先

「Filename」

即儲存圖檔 名.jpg」為重

式運算後,

重點區域中 a in ROI)以 次的參數作為

先前影像處理

」欄位,可 檔完成,儲存 重點區域的灰

輸出處理後 中肌肉纖維 以及重點區域

為患者肌肉

理完成後,

可由使用者自 存的圖檔有 灰階統計圖

後的二值化 維面積(Fiber 域中肌肉纖 肉纖維化的量

會自動將 自行修改至 有「p_檔名

、「surf_檔名 化影像

r Area 纖維所

量化

「File 至欲儲 名.jpg」

名.jpg」

(55)

47

3.3 影像處理演算法介紹

本研究所使用的影像處理演算法為Fuzzy c-means clustering(Yang & Huang, 2007),以及自行開發的限制條件(Size criterion)結合構成,以下將會詳細分述。

3.3.1 Fuzzy c-means clustering

分類(Clustering)的方法被廣泛應用於把一群資料點分成數個小群,是一種數據 分析的主流工具,它假設在真實事件中,所有數據群的邊界都不是那麼明確,所 以Fuzzy clustering 對這種實際的數據分群會比 Crisp clustering 效果來的好。這個 方法又稱為Fuzzy c-means algorithm(FCM),當初最先被 Dunn(Dunn, 1974)所提出 來,然後被Bezdek(Bezdek, 1981)所延伸而被廣泛應用。此方法為一種交互式的分 類法(Yang, Zheng, & Lin, 2005),它會利用最小化各群內平方差函數(Group sum of squared error objective function)J 來產生出c 種不同的最佳分類(Bezdek, 1981),

表示如下:

J = (u ) d (x , v )

其中X = x , x , ⋯ , x ∈ R 是一群在 p 維空間中的資料群;n 是資料數量;c 則是 資料群數,且2 ≤ c < ,u 是在 i 群內x 的次數;q 是每個 Fuzzy member 的權重;

v 則是群的中央的模擬值(Prototype);d (x , v )則是目標x 與群中心v 的距離。J 可以從接下來交互作用的運算法則中得到:

●假設 c, q, ε的初始值

●開始 Fuzzy partition matrix

●令迴圈計數器 b=0

(56)

48

●用U( )計算出c 群的中心 v( )

v( ) = ∑ u ( ) x

∑ (u ( ))

●計算U( )並由k=1 至 n 計算下列函式:

I = i│1 ≤ i ≤ c, d = ‖x − v ‖ = 0 I = 1, 2 ⋯ , c − I

對矩陣中的第k 列,計算新的成員(membership)的值,之後若I = ∅,則

u ( ) = 1

( )

若i ∈ I 、∑ u ( ) = 1、u ( ) = 0同時成立,則計算下一個 k

●當 U( )−U( ) < ε,則停止迴圈;若否,則令 b=b+1 並回到步驟 4

經過如上的運算法則後,可將分類法初步完成。透過MatLab 中 m 檔的撰寫,

將運算法編寫成作為影像處理的函式,其中輸入的資料即為影像矩陣中的各元素,

又因肌肉超音波影像中肌肉部分大略可分為肌肉細胞、肌肉纖維及肌膜三個部分 (皮下組織部分會由裁切影像選取重點區域的步驟將其濾除,故不考慮為一類),因 此分類的個數採取分三堆的方式,如先前圖3-8 所示圈選後運算,結果如圖 3-14,

肌肉纖維的部分大多數以白色表示出來,但可以明顯的看出靠近上方有許多白色 的大區塊並非為纖維的部分,而是部分的肌肉細胞由於背景較亮的原故被標示出 來,為了解決這種誤判,因此加入了新的限制條件,順利的解決了這個問題,將 會在下一小節詳細介紹。

(57)

圖3- 後結 許多 被標

-14 Fuzzy c 結果,肌肉纖 多白色的大區 標示出來。

c-means clu 纖維的部分 區塊並非為

stering 影像 分大多數以白 為纖維的部分

49

像處理結果 白色表示出 分,而是部

果。肌肉超音 出來,但可以 部分的肌肉細

音波影像經本 以明顯的看 細胞由於背

本分析系統 看出靠近上方 背景較亮的原

統處理 方有 原故

數據

Updating...

參考文獻

Updating...

相關主題 :