具有結石追蹤系統隻新型體外震波碎石機技術開發－子計畫五：修改後的體外震波碎石機的超音波即時追蹤系統的再評估

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

子計畫(五)修改後的體外震波碎石機的超音波即時追蹤系 統的再評估

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC91-2213-E-006-108-

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 10 月 31 日 執行單位： 國立成功大學醫學系泌尿科

計畫主持人： 張建成

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 92 年 10 月 27 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告

具有結石追蹤系統隻新型體外震波碎石機技術開發－子計畫 五：修改後的體外震波碎石機的超音波即時追蹤系統的再評估

計畫類別：□ 個別型計畫 ■整合型計畫 計畫編號：NSC91－2213－E－006－108－

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日

計畫主持人：張建成 共同主持人：唐一清

計畫參與人員：魯祿康、馬亞尼、蒲永仁、梁勝明、尤芳忞、萬龍瑞

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

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

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計 畫及下列情形者外，得立即公開查詢

■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢

執行單位：國立成功大學醫醫學系泌尿科

中 華 民 國 年 月 日

修改後的體外震波碎石機的超音波即時追蹤系統的再評估

ULTRASOUND –BASED REAL-TIME TRACKING SYSTEM OF SHOCK WAVE LITHOTRIPTER-THE PROMOTED MODEL

張建成 魯祿康 寧蒲永仁 馬亞尼 尤芳忞 梁勝明 唐一清 C. C. Chang, L. K. Lu, Y. R. Pu^, I. Manousakas^”, Y-C Tong

F. M. Yu^∗, S. M. Liang^, 泌尿部，震波實驗室，航太所 國立成功大學，台南，台灣，中華民國

Dept. of Urology, ESWL Laboratory^, Institute of Aeronautics and Astronautics^∗, National Cheng Kung University and Hospital, Tainan, Taiwan, R.O.C.

Running title: Ultrasound-based real-time tracking in shock wave lithotripsy – promoted model

Corresponding author: C. C. Chang, M.D.

Dept. of Urology, National Cheng Kung University Hospital, 138, Sheng-Li Road, Tainan, Taiwan, R.O.C.

TEL: 886-6-2741759 (H); 886-6-2353535-5251 (O) Fax: 886-6-2383678

Email: [email protected]

Key Words: renal stones, acoustic shadow, real-time tracking, automatic tracking, shock wave lithotripsy.

中文摘要

體外震波碎石機（Extracorporeal Shock Wave Lithotripter，ESWL）在現今醫院泌尿科 中運用相當廣泛，但一般在療程中大概只有 30%至 50%的震波能量會落在結石上，於是我 們便發展出超音波結石追蹤系統以改善此缺點，之後再針對此追磫系統的結石辨識能力再 予增進，以減少誤擊腎臟的可能。在此，我們針對此一新系統做測試。

Material & Methods: 本實驗中，採用三種方法來測試此一新系統(第二代)，

1. 相符合率試驗：測試結石偏離震波第二焦點的位移量，以了解追蹤的效果，

2. 結石破碎有效性試驗：測試追蹤系統所能提升震波治療的質量，

3. 結石粉碎重量試驗：測試追蹤系統在動物實驗中的實際成效。

Results:在相符合率試驗中，不追蹤的結果為 74.43%，新系統為 98.39%；在結石破碎有 效性試驗中，不追蹤的結果為 49.51%，舊追蹤系統為 85.11%，新系統為 89.50%；在結石 粉碎重量測試中，不追蹤為 49.12%，舊系統與新系統皆為 100%，但舊系統的追蹤平均失 敗次數為 22.15 次，新系統為 5.31 次，失敗率各為 0.738%及 0.177%。

Conclusion:由三個測試的實驗中，顯示此新一代追蹤系統的優異性皆超越前一代追蹤系 統，進而提升治療效率而縮短療程。

關鍵詞：腎結石, 超音波陰影, 即時追蹤, 自動追蹤, 震波碎石.

Abstract

Introduction: The use of Extracorporeal Shock Wave Lithotripter (ESWL) has become very popular. But, only 30% to 50% of shock waves could focus on stones during treatment. We have developed the ultrasound-based real-time stone tracking system to improve disadvantages from original machine. Yet, we found some defects during stone identification of the tracking system.

Now, we improve it by adding some algorithm for stone identification to reduce the possibility of miss identification. So, the new tracking system is tested here.

Materials & Methods: In this experiment, we test the new system by using three methods.

1. Co-incidence test: The displacement of stone away from the second focus is examined in this test to understand the effects of tracking.

2. Efficiency ratio test: Clarifying the improvement of efficiency of the tracking system.

3. Fragment weight ratio test: Understanding the real effects of the tracking system in animal experiments.

Results: In the co-incidence tests, the results of non-tracking and the new tracking system are 74.43% and 98.39%, respectively. In the efficiency ratio tests, the result of non-tracking is 49.51%, and the results of the old tracking system and new tracking system are 85.11% and 89.50%, respectively. In fragment weight ratio tests, the result of non-tracking is 49.12%, and results of the old and new tracking system are both 100%. But the average number of miss tracking is 22.15 in the former, and 5.31 in the later. The failure ratios are 0.738% and 0.177%, respectively.

Conclusion: The tests shows that the new tracking system is better than the old one. Therefore, it not only improve the efficiency of treatment and decrease the miss identification of stone, but also can shorten the treatment time.

Key Words: renal stones, acoustic shadow, real-time tracking, automatic tracking, shock wave

lithotripsy.

一、簡介

INTRODUCTION

自 1997 年開始發展體外震波碎石機以超音波為基礎的即時追蹤系統【Ref. 1】，我們已 成功發展出此一超音波即時追蹤系統的各項軟硬體設備。此研究的結果使我們更深刻了解 到能夠準確的追蹤結石的移動，且能同時對準結石而擊發震波及治療並擊碎結石是非常重 要的，此結果也被全球最重要的泌尿科學界雜誌認同並加以刊載【Ref. 2, 3】。

在所研發的超音波即時追蹤系統中，有一項軟體設計是用來分析超音波影像中結石的 超音波影像，並同時判別結石與其周圍腎臟組織的差異，進而準確地判定結石所在的部位，

以便施予震波治療。但後來在我們經過許多實驗後【Ref 4, 5】，發現此一軟體設計仍有部分 未盡令人滿意之處。原因在於某些鈣化的腎臟組織所產生的超音波影像，與結石的影像極 為類似，使得結石辨認有時會發生困難。而當初設計時，我們僅考慮使用單一結石辨認條 件來判定結石的有無，因此，可能容易發生辨認上的困擾。因此，我們又對此一軟體加以 修正【Ref 6】，增加其他辨認條件，此辦認條件乃是結合超音波下結石亮點及其下方所產生 的陰影，二者一起用來辨認結石。使其辨認能力更強、更準確，更不易被腎臟組織的鈣化 部分所干擾。

基於此一修改後的追蹤辨識軟體系統已完成，我們須進行以下的實驗，以測試此一修 改後的系統的準確性及有效性。

二、 實驗設備、方法與步驟 實驗設備

本實驗所使用的設備包括震波碎石機主體(LM 9200 型)、壓力量測系統與資料擷取系 統，如設備示意圖 4 所示。本實驗使用國產 LITE-MED 9200 型碎石機設備，此裝置由幾個 基本的系統所組成：電腦控制系統，橢圓反射杯，電極，四軸移動平台以及高壓放電設備。

該碎石機可提供電壓由 6kV 到 12kV。本實驗所使用之軟體為本實驗室所自行研發之超音波 影像處理系統、四軸移動平台控制系統以及三維模擬平台控制系統，藉由上述軟硬體設備 來探討超音波影像追蹤系統之優異性。

方法與步驟

這些實驗包括：（1）相符合率實驗（co-incidence test）、（2）結石破碎實驗（fragmentation test）、（3）有效性實驗(模擬性動物模型)（Efficiency test by a simulated animal model）【Ref.

2,3】等三項，每一項實驗皆使用之前已經收集完成的 13 個病人的結石超音波影像加以測 試此一修改後的系統【Ref. 1】。我們仍使用 LITEMED 9200 震波碎石機及超音波來進行實 驗。

（1） 相符合率實驗（co-incidence test）【Ref. 2,3】：

我們定義有效的聚焦壓力區域（effective focal area）為震波反射器第 2 焦點 ±6.5

㎜的區域（壓力為 200bars 以上區域的半徑 3.5 ㎜ ±結石的半徑 3.0 ㎜）。結石的 中心點落在此區域內，我們稱之為相符合（co-incidence），我們將以電腦控制的模 擬器（Simulator）將一根直徑 0.6cm 的圓木棍與其連結，再根據先前錄下的結石 超音波影像軌跡，以此木棍模擬結石真實的移動情形，然後以超音波即時追蹤系

統進行追蹤，再以電腦計算超音波影像中，結石中心點落在有效聚焦壓力區域的 超音波影像的相符合的張數，我們用 N^相符合代表被分析的超音波影像圖（ultrasound image frame）中，結石的中心點落在有效聚焦壓力區域內的圖像張數，N^全部張數代 表我們對某一給予的結石超音波圖像所作分析的全部圖像張數，

C = N^相符合 / N^全部張數 × 100%

C 就等於相符合率的百分比，也就是說每一百次的結石移動，可被追蹤到的百分 比例。用此方法，我們來評估此一超音波結石軌跡，在未追蹤及修改後的即時追 蹤系統的使用下，二者之間的差異性。（圖 1）

（2） 結石破壞實驗（fragmentation test）：

我們以自製的人造石膏結石，切成 6×6×6 ㎜大小，將結石置於紗網中（紗網的格 子大小為 2×2 ㎜），再將結石移至震波反射器的第二焦點，然後在結石於以下三種 情況下施予震波，並記錄在各種情況下，將結石全部擊碎掉落出紗網時所需的震 波數（圖 2）。在此實驗中，我們將豬腎臟以 0.6cm 的圓木棍貫穿（經由腎盂）（圖 3），固定以模擬腎結石，並與模擬器連接後，以進行實驗。1.結石固定在第二焦 點不動。2.結石被模擬器推動，模擬結石真實的移動，但不加以追蹤。3.在第 2 項 的狀況下，施以未修改（第 1 代）及修改後（第 2 代）之即時追蹤系統加以追蹤。

我們定義 F 就是結石破碎率的百分比。 F = N^固定 / N^移動(^{不追蹤或追蹤}) ×100%

F 則可表現出結石在不追蹤或追蹤的情況下，其結石的破碎程度，同時也可表現 出追蹤系統在未修改（第 1 代）及修改後（第 2 代）的系統作用下，其中的結石 破碎程度的差異性。

（3） 有效性實驗(模擬性動物模型)（Efficiency test by a simulated animal model）：

我們將前後 5×5×5 ㎜的人造結石（HMT），與 0.8 ml 的自來水，裝入一氣球中並 將氣球綁住封好，防止水或結石漏出，再將結石置入購買之豬的腎臟腎盂中，再 將此腎臟懸掛並置入一容器骨架中（frame）（圖 4），容器下方包覆以羊的腹部的 整層組織，包括從皮膚，肌肉，到腹膜層，容器內部再覆以凝膠（jelly）及塑膠 膜，此容器內部再注入自來水。將腎臟置入水中，以超音波透過羊腹部層找到結 石，並將結石移動到第二焦點的位置之後，結石（連腎臟）在電腦模擬器的推動 下，在以下二種情況下施以震波治療 3000 次（圖 5），

a. 不追蹤

b. 在未修改第 1 代及修改後第 2 代的系統的追蹤下加以即時追蹤

之後，再將結石取出，乾燥並稱重（W ^結石總重），再將結石碎片以 1×1 ㎜大小的 格子的紗網篩檢，將小於 1×1 ㎜的結石碎片收集稱重（W<1×1^㎜結石）。

我們定義 E 就是結石治療的有效性的百分比 E = W<1×1^㎜結石 / W^結石總重(^{不追蹤或追蹤}) ×100%

E 就可以呈現出沒有追蹤系統及有第 1 代及第 2 代追蹤系統的作用下，結石治 療的有效性的差異程度，也同時表現出追蹤系統在未修改（第 1 代）及修改後

（第 2 代）的作用下，其結石治療的有效性的差異程度。

我們用以上三項實驗，用以驗證此一修改後的追蹤系統，能減少因結石辨認的干擾所造成 的追蹤失敗，並增加其震波治療結石的有效性。

RESULTS

在第一個 Co-imcidence test 實驗中沒有追蹤的結果為 74.43%，以第二代追蹤系統追蹤 的結果，其結果為 98.39%，比用第一代追蹤系統所表現的要好 97%Ref（表 1）。（Ref）

在第二個 efficiency test 實驗中（見表 2），以第二代追蹤系統所進行的破碎有效性實驗 的結果為 89.5%，比以第一代追蹤系統的 85.11%的結果要好，當然此二者的結果皆比不追 蹤的效果更佳（49.51%）。

在第三個重量百分比（weight ratio test）實驗中（見表 3），以第一代及第二代追蹤系統 的效果皆比不追蹤者（49.12%）為佳，各皆為 100%，所有結石碎石片皆小於 1mm，可見 為一、二代追蹤系統效果皆極佳，但如果以追蹤失敗次數（表 4）來比較，則第一代比第 二代的追蹤系統其平均失敗次數要高，平均為 22.15 次（第一代系統）及 5.31 次（第二代 系統），其失敗率分別約為 0.738%（22.15 次 3000 次）及 0.177%（5.3 次 3000 次），其 失敗率相差約 4 倍之多。

DISCUSSIONS

未有追蹤系統前體外震波碎石的結石落入有效震壓範圍的機會為 30-50%（Ref. 7），其 後發展出超音波即時追蹤系統後，結石落入有效震壓範圍的機會就提高至 97%（Ref. 2），

雖然如此，我們發現仍有許多缺陷，其中之一乃是我們以第一代追蹤系統進行追蹤時，因 其基本設計是以追蹤結石的超音波下的光亮點為唯一考量，所以當結石周圍的腎臟組織有 鈣化點存在，或其結石周圍的腎組織的電腦灰白階數值較高時（亮點愈亮），結石的追蹤就 可能產生誤認而造成錯誤的追蹤，甚者有時因無法判別而致失控(Ref 5)。因此，我們才發 展出第二代追蹤系統，此系統的特色，乃是於第一代的追蹤系統上加入另一項辨認條件，

亦即超音波下結石後端的陰影辨認，使結石的辨認不只單拘於一種方式，因此大大地提高 了結石的辨認能力，使得追蹤成功率大大地提升(Ref 6)。

從第一個實驗值，第 1、、2 代追蹤系統的 Co-incidence ratio 由 97%Ref 提高至 98%，

雖然提升似乎不多，但在極高的成功率能提高 1%已相當難得。

在第三個 fragment weight ratio test 中，第一代與第二代的系統的實驗值 weight ratio 皆 為 100%，表示此二系統皆有良好的追蹤效果，但是如果比較其追蹤的失敗次數則第一代系 統有平均 22.1 次追蹤失敗機會，平均為 0.738%失敗追蹤率，而第二代則為平均 5.3 次追蹤 失敗機會，平均為 0.177%失敗追蹤率，所以第二代的追蹤效果較第一代的更好。其原因乃 在於正常的腎臟組織中，常有鈣化點或高亮點的組織存在，而這些組織使得第一代追蹤系 統無法辨認而造成追蹤失敗，經由第二代的改良，增加辨識條件原則後，失敗率大大降低 了約 4 倍之多。

在第二個 efficiency ratio 實驗中，第一代追蹤系統的 efficiency ratio 只有 85%，第二代 則提高為 89%，提高將近 4%，節省的震波數平均 12 次，其原因仍如上述，因第 1 代系統 無法正確的判別而致失敗追蹤，因此震波的使用次數因而增加。

結論

我們將第一代追蹤系統的缺陷加以修正，其結果也顯示出第二代追蹤系統較第一代系 統更為優良，追蹤成功率更高，大大提升了震波碎石的治療安全性。

REFERENCES

1. Technological developments of improving Taiwan-made extracorporeal shock wave lithotriptors. NSC86-2622-E006-004R.

2. Chang CC, Liang SM, Pu UZ, Yu FM (2001, 7): In vitro study of ultrasound-based real-time tracking for renal stones in shock wave lithotripsy: part I. J Urol, 166: 28-32.

3. 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 (2002, 6): In Vitro Study of Ultrasound-Based Real-Time Tracking for Renal Stones in Shock Wave Lithotripsy: Part II - A Simulated Animal Experiment. J Urol, 167: 2594-2597. (U.S.A.)

4. Technological development of a new-type extracorporeal shock wave lithotriptor with a stone-tracking system. NSC89-2213-E-006-210

5. Clinical trial of ultrasound-based real-time tracking system on improvement of treatment for renal stone by shock wave lithotriptor. NSC 90-2213-E-006-098

6. 具有結石追蹤系統之新型體外震波碎石機技術開發-子計畫二：結石追蹤用之影像分析 法和結石粉碎分析研究, NSC 90-2213-E-276-001-

7. Suramo, I., Paivansalo, M. and Myllyla, V.: Cranio-caudal movements of the lover, pancreas and kidneys in respiration. Acta Radiologica Diagnosis, 25 (2): 129, 1984.

wooden rod

shock wave lithotripter

Table and Figure

圖 1

圖 2

（圖 3）

圖 4

圖 5

Table 1:Results of coincidence test

Sample Without Tracking(%)

With Tracking(%) 2^nd

generation

1 77.53 100 2 86.15 100 3 84.73 98.88 4 86.23 98.44 5 71.38 97.93 6 88.26 99.28 7 75.58 92.09 8 20.27 98.31 9 61.24 99.72 10 71.26 98.04 11 85.71 98.79 12 66.86 97.93 13 92.35 99.64 Average 74.43 98.39

表 2 Results of efficiency test Stone

Trajectory No.

N_fixed Shock

N_moving Shock

Efficiency Ratio

%

N_tracking Shocks (1st generation)

Efficiency Ratio

%

N_tracking Shocks (2nd generatio

n)

Efficienc y Ratio

%

1 226 492 45.93 263 85.93 242 93.39 2 257 376 68.35 282 91.13 268 95.90 3 204 473 43.13 244 83.61 237 86.08 4 183 352 51.99 227 80.62 212 86.32 5 238 486 48.97 266 89.47 259 91.89 6 218 573 38.05 271 80.44 256 85.16 7 194 387 50.13 234 82.91 225 86.22 8 209 908 23.02 251 83.27 243 86.01 9 189 484 39.05 232 81.47 210 90.00 10 216 415 52.05 267 80.90 246 87.80 11 192 468 41.03 226 84.96 217 88.48 12 205 267 76.78 215 95.35 208 98.56 13 178 273 65.20 206 86.41 203 87.68 Average 208.38 458 49.51 244.92 85.11 232.77 89.50

表 3 Results of fragment weight ration test Trajector

y No.

Total Stone Wt.(gm.)

Fragments Less Than 1mm Wt.

Fragment Wt.Ratio

%

Total Stone Wt.(gm.)

(1st generation)

Fragment s Less Than 1mm Wt.

＊

Total Stone Wt.(gm.)

(2nd generation

)

Fragments Less Than 1mm Wt＊

＊.

1 0.088 0.076 86.36 0.088 0.088 0.084 0.084 2 0.086 0.081 94.19 0.086 0.086 0.088 0.088 3 0.087 0.051 58.62 0.084 0.084 0.085 0.085 4 0.086 0.045 52.33 0.086 0.086 0.085 0.085 5 0.084 0.032 38.10 0.083 0.083 0.084 0.084 6 0.086 0.058 67.44 0.087 0.087 0.085 0.085 7 0.082 0.027 32.93 0.082 0.082 0.086 0.086 8 0.082 0.031 37.80 0.084 0.084 0.081 0.081 9 0.081 0.034 41.98 0.081 0.081 0.084 0.084 10 0.091 0.045 49.45 0.085 0.085 0.089 0.089 11 0.089 0.015 16.85 0.089 0.089 0.089 0.089 12 0.091 0.022 24.18 0.087 0.087 0.089 0.089 13 0.086 0.033 38.37 0.090 0.090 0.091 0.091 Average 0.08608 0.04231 49.12 0.08554 0.08554 0.08615 0.08615

＊ : The fragment of weight ratio of 1^st generation tracking system is 100%

＊ ＊: The fragment of weight ratio of 2^nd generation tracking system is 100%

表四 Results of miss tracking number

Trajectory No. of Miss Tracking (Frame)

No. of Miss Tracking (Shadow)

1 21 4

2 40 6

3 46 12

4 27 7

5 17 4

6 23 5

7 13 3

8 28 7

9 19 3

10 12 5

11 20 3

12 15 6

13 7 4

Average 22.15 5.31

Failure rate 0.738% 0.177%