發明專利;2010.01.1 ~2025.03.28
本發明係關於一種可在具基本配備之個人電腦上進行人體器官之二維影像以灰階亮度分析出其中各組織，加以分別構建成三維影像的方法。
較諸先前技術，本發明之特徵在於克服了先前技術只能以單一畫面或單一顯示公式來呈現物體之外緣影像等缺點，這些分析方式在生成三維影像精密度及易判讀性仍然難以克服，也進一步限制了常規判讀自動化的效益。 The present invention relates to a method of constructing three-dimensional images separately from two-dimensional images of human organ by gray scale brightness analysis on each tissue by a personal computer with basic equipment.
Comparing to the prior art, the present invention is characterized on improving some faults of the prior art that only can express external image of an object by single picture or single display formula. Such analysis methods were hard to conquer the questions of precision and easy differentiation of formation of three-dimensional images, and further limited the efficiency of automatic regular differentiation. 【創作特點】 本發明的目的是希望醫師能在動手術打開病患體腔之前，醫師可利用個人電腦，透過滑鼠的移動及按鍵，即可對三維立體影像進行旋轉、放大、切割，或直接由不同之角度觀察病人體內器官的立體形態(亦即三維的器官形態)，除了可選擇從各個不同角度即時地顯示物體的立體形態之外，還可以在個人電腦上進行各種不同的模擬手術。例如，在立體影像上將病人腦部切開，取出一部分放大仔細觀察，或再做進一步切割。若覺得切割取樣不好，則可再下刀重取。每一個動作均可連續操作，並立即看到結果，此系統同時也提供計算如腫瘤的體積大小、骨頭裂痕的長度等各種測量功能。這些都是在實際開刀過程中無法做到的，但卻可利用此系統事先進行手術模擬，提升醫師手術時的熟練度、正確度以及精準度。
同時，這套系統也可作為醫學院學生或臨床醫師教育訓練之用。如診斷更正確的病情，規劃適當的治療方法，將病患的部位完善處理，而不傷及鄰近的重要器官，並做好將來手術後之復健計畫等。另一方面，本發明之系統可在一般個人電腦系統上執行，所以不必另外購買硬體，即可在自己的桌上型個人電腦中得到快速而立即的三維立體影像顯示。
MRI
MRI因其沒有游離輻射之安全顧慮而且又能得到高軟組織對比影像，使其成為影像診斷的一大利器。MRI於21世紀之發展將朝向增進病人的舒適性而改進，由於所發出的射頻訊號非常小，於是接收線圈必須緊貼著病人，造成病人很大的壓迫感，新一代的短通道MR，既能使用高磁場又能減少病人的壓迫感，使MRI在使用上更容易為病患所接受。另一個有待發展的領域是功能性MRI，功能性MRI在腦外科手術前之評估扮演一定的角色，目前具有功能性影像之正子電腦斷層攝影 (PET)，因造價昂貴，只有一般大型醫學中心所能負擔，故此項檢查的普遍性並不高。相對地，功能性MRI的限制就少了許多，不但掃描時間短，也沒有非密封射源污染之問題。另MRI技術之研發如磁振胰管膽道攝影(MR cholangiopancreatography)、磁振腎盂攝影(MR urography)、磁振血管攝影(MR angiogrpahy)及磁振脊髓攝影(MR myelography)已多少取代傳統較侵襲性的檢查。
MRI成像的基本原理
含單數質子的原子核，例如人體內廣泛存在的氫原子核，其質子有自旋運動，帶正電，產生磁矩，有如一個小磁體。小磁體自旋軸的排列無一定規律。但如在均勻的強磁場中，則小磁體的自旋軸將按磁場磁力線的方向重新排列)。在這種狀態下，用特定頻率的射頻脈衝(radionfrequency，RF)進行激發，作為小磁體的氫原子核吸收一定量的能而共振，即發生了磁共振現象。停止發射射頻脈衝，則被激發的氫原子核把所吸收的能逐步釋放出來，相位和能級都恢復到激發前的狀態。這一恢復過程稱為弛豫過程(relaxationprocess)，而恢復到原來平衡狀態所需的時間則稱之為弛豫時間 (relaxationtime)。有兩種弛豫時間，一種是自旋-晶格弛豫時間(spin-lattice relaxationtime)又稱縱向弛豫時間(longitudinal relaxation time)反映自旋核把吸收的能傳給周圍晶格所需要的時間，也是90°射頻脈衝質子由縱向磁化轉到橫向磁化之後再恢復到縱向磁化激發前狀態所需時間，稱 T1。另一種是自旋-自旋弛豫時間(spin-spin relaxation time)，又稱橫向弛豫時間(transverse relaxation time)反映橫向磁化衰減、喪失的過程，也即是橫向磁化所維持的時間，稱T2。T2衰減是由共振質子之間相互磁化作用所引起，與T1不同，它引起相位的變化。
人體不同器官的正常組織與病理組織的T1是相對固定的，而且它們之間有一定的差別，T2也是如此(表1-1a、b)。這種組織間弛豫時間上的差別，是 MRI的成像基礎。有如CT時，組織間吸收係數(CT值)差別是CT成像基礎的道理。但MRI不像CT只有一個參數，即吸收係數，而是有T1、T2和自旋核密度(P)等幾個參數，其中T1與T2尤為重要。因此，獲得選定層面中各種組織的T1(或T2)值，就可獲得該層面中包括各種組織影像的圖像。
MRI的成像方法也與CT相似。有如把檢查層面分成Nx，Ny，Nz一定數量的小體積，即體素，用接收器收集信息，數字化後輸入計算機處理，獲得每個體素的T1值(或T2值)，進行空間編碼。用轉換器將每個T值轉為模擬灰度，而重建圖像。MRI設備中的數據採集、處理和圖像顯示，除圖像重建由 Fourier變換代替了反投影以外，與CT非常相似。
灰階成像
具有一定T1差別的各種組織，包括正常與病變組織，轉為模擬灰度的黑白影，則可使器官及其病變成像。MRI所顯示的解剖結構非常逼真，在良好清晰的解剖背景上，再顯出病變影像，使得病變同解剖結構的關係更明確。
其中，MRI的影像雖然也以不同灰度顯示，但反映的是MR信號強度的不同或弛豫時間T1與T2的長短，而不像CT圖像，灰度反映的是組織密度。
MRI的圖像如主要反映組織間T1特徵參數時，為T1加權像(T1 weighted image，T1WI)，它反映的是組織間T1的差別。如主要反映組織間T2特徵參數時，則為T2加權像(T2 weighted image，T2WI)。因此，一個層面可有T1WI和T2WI兩種掃瞄成像方法。分別獲得T1WI與T2WI有助於顯示正常組織與病變組織。正常組織，如腦神經各種軟組織間T1差別明顯，所以T1WI有利於觀察解剖結構，而T2WI則對顯示病變組織較好。在T1WI上，脂肪T1短，MR信號強，影像白；腦與肌肉T1居中，影像灰；腦脊液T1長；骨與空氣含氫量少，MR信號弱，影像黑。在T2WI上，則與T1WI不同，例如腦脊液T2長，MR信號強而呈白影。表1-2是例舉幾種組織在T1WI和T2WI上的灰度。
表1-2 人體不同組織T1WI和T2WI上的灰度
前述目前現有之三維影像方法僅能達到以單一畫面或單一顯示公式來呈現物體之外緣影像，或將二維之連續切割影像轉換為三維體積測定模式(3D- volumetric model)，或更進一步增加時間因素分析而得之所謂四維動態影像(3D plus time)。
本發明突出之特色，在於以二維MRI影像，由其中亮度高低之不同灰階分離出各個不同結構，而達成區分不同組織部位，使實現分別標示出大腦皮質(灰質)、髓質(白質)、腦室、腦血管、出血、血管瘤、腦瘤、發炎、梗塞、壞死、空洞或小腦結構異常等之獨立三維立體影像。
本發明係提供一種可在具基本配備之個人電腦上進行人體器官之二維影像以灰階亮度分析出其中各組織，加以分別構建成三維影像的方法，包括(1)取得連續的複數的人體器官二維影像，(2)決定影像之灰階亮度，以分析出三維影像之特定區域；及(3)將該物體依不同灰階亮度分別作片斷(segmentation) 切割，以重組成各自不同組織之三維影像，而達到分別成像之功用，其中該自旋-晶格弛豫時間T1及自旋-自旋弛豫時間T2參數於各組織如下：人體正常與病變組織的T1值(ms)
正常顱腦的T1與T2值(ms)。
在一較佳實施例中，影像中灰階亮度為2的九次冪至十一次冪之灰階層次。在一更佳實施例中，影像中灰階亮度係2的十次冪之灰階層次。
本發明方法中決定影像之灰階亮度係測量組織所求得特定灰階層次區間。在一較佳實施例中，灰階亮度係根據測量正常或病理組織所求得。
在一實施例中，本發明所指之正常組織係腦部、心臟、腎臟、肺臟、骨骼、肌肉、脊髓、消化器官、泌尿器官、耳鼻喉器官、視覺系統或循環血管系統。在一較佳實施例中，本發明所指之腦部組織係係皮質(灰質)、髓質(白質)、腦室、腦血管。在另一較佳實施例中，本發明所指之病理組織係腫瘤、出血、血管瘤、腦瘤、發炎、梗塞、壞死、空洞或鈣化等結構異常。
在本發明實施例中，其中二維影像來源可來自電腦斷層、核磁共振(MRI)、正子電腦斷層攝影(PET)、超音波、病理切片或染色片。在另一較佳實施例中，本發明所指之該特定區域係組織輪廓或組織浸潤，可以分別成像。在另一最佳實施例中，本發明所指之組織輪廓或組織浸潤係選自腫瘤、脂肪、淋巴、結蒂組織、纖維、血凝塊(hemorrhage)、創傷(trauma)、骨折、中風(infarction of Stroke patient)、硬腦膜下血腫(subdural hematoma)、出血性腦中風(hemorrhagic stroke)、拴塞性腦中風(ischemic stroke)、動靜脈畸形之腦出血AVM hemorrhage、腦內動脈瘤(intracranial aneurysm)、腦瘤、腦膜瘤(meningioma)、惡性腦瘤及膿瘍。
可應用本發明之方法之其他診斷影像來源技術說明
電腦斷層(CT)
在放射診斷學之領域中，最早數位化的就是CT，於1972年由G.N.Hounsfield所發展之技術，當時叫做computerized axial transverse scanning，是利用一個點射源與單一偵檢器，來偵測穿透病人之加馬射線總量，稱為投影量(projection)，在取得每一個角度與位置的投影量之後，即可利用電腦進行反投影而重組影像，以得到切面影像。整個CT的發展，便是如何以最少的時間而得到更好的影像為出發點。隨著電腦速度的增進，處理的運算也就越複雜，在目前螺旋式CT中所取得的資料就已經不再是一個橫斷面的資料，而是具有體積特性之資料，利用電腦進行重組可取得任意一個切面的影像。在影像的顯示方面也以透過三維空間重建(three-dimensional reconstruction)得到三維立體影像，亦可透過假彩色(pseudo-color)的處理，使得灰階影像變為彩色影像，增加色階解析度以方便診斷。透過以上之影像處理所得到的影像資訊已經大大地增加診斷之正確性。
超音波
現今所使用之超音波掃描儀皆為實時掃描儀(real-time scanner)。其探頭或換能器(transducer)內之晶片具有壓電效應，可為傳播器及接受器並將機械能(音波)與電能相互轉換。超音波探頭之晶片受電擊所發射出之音波在介質中行經，當音波經過兩個不同音波阻抗物質形成的介面時，部分音波即會反射回探頭。此反射波或回音經收訊晶片轉換成電子訊號，再經儀器數位化處理後形成影像。US在下一世紀臨床上之最新發展包括超音波顯影劑之使用、US三度空間立體成像、調波式(harmonic)影像、輕便型 US掃描儀(類似手提式筆記型電腦)將發揮如同聽筒的作用。以提昇服務、檢查及診斷品質。
在CT、MRI與US數位影像發展中，提供解析度更高、掃描速度更快以及增加病人之舒適度，同時將影像由二維發展至三維，以更清楚了解組織或器官間相關位置。
單光子放射電腦斷層掃描術(SPECT)
單光子放射電腦斷層掃描術(Single Photon Emission Computed Tomography,SPECT)-基本原理與一般核子醫學掃描大致相同，不同處乃是針對特定組織或器官做360度、三度空間靜態的造影掃描，所得影像為包含立體及三個斷層切面的影像，且所提供的主要也是人體特定組織或器官功能性方面的資訊，而有時亦能提供類似人體中有關生理、生化和代謝活動及定量分析的訊息。
正子斷層造影(PET)
正子斷層造影(Positron Emission Tomography,PET)-是近幾年來核子醫學中一門發展相當快速且嶄新的影像診斷技術。其方法乃是將經由正子放射核種標化(Labeled)的核子醫學藥劑，以靜脈注射或吸入的途徑注入人體，等待一段特定的時間後，再使用正子斷層掃描儀予以測定，藉以了解該放射性追蹤劑在人體內的分佈狀況或新陳代謝是否異常。PET所使用的核子醫學藥劑多屬具有高度專一性的生命基質或其衍生物之標化物，可以針對特定組織或器官，以定量的方式測定其單位體積內的放射性濃度，藉以了解該特定組織或器官對特定藥劑的代謝情形，進而探討出疾病的致病機轉，因此，PET所能提供的是有關人體中特定組織或器官的生理、生化和代謝活動方面的資訊，以及解剖結構的相對位置。由於絕大多數人類疾病在發生初期，其生理、生化和代謝活動方面的變化皆在解剖結構變化之先，使PET能在疾病初期便精確地提供多方面定性與定量的資訊。PET是屬於三度空間的造影掃描，所得影像為包含立體及三個斷層切面的影像，其影像品質與解析度皆優於一般核子醫學掃描及SPECT。且除了核子醫學藥劑及儀器本身有些許的放射性外，整個檢查過程對病人本身並不會造成任何傷害，可以達到『早期診斷，早期治療』的功效。
