TWI405560B - 鈣化點成像方法及系統 - Google Patents

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Description

鈣化點成像方法及系統
本發明是關於一種鈣化點成像方法，尤其是一種藉由重疊光聲影像及超音波影像之鈣化點成像方法。
乳房鈣化點是乳癌早期診斷的重要指標之一，鈣化點在乳房組織內的位置及分佈是分辨乳房腫瘤是否具侵襲性之重要指標。因此，乳房鈣化點的顯影已成為乳癌早期診斷的一項重要依據。在目前乳癌篩檢工具之中，X光乳房攝影是目前最經濟及有效的篩檢工具，因此也是包括美國在內全球許多地區唯一認可的乳癌篩檢方法。X光乳房攝影對乳房鈣化點相當敏感，能在X光底片清楚分辨大部份鈣化點之分佈。
然而，X光乳房攝影雖能成像鈣化點，卻不能成像乳管組織等細微結構。當病人經過X光乳房攝影，無法由放射師直接判別，需經過臨床醫師進一步以超音波觀察。但超音波影像具有斑點雜訊，乳房組織與鈣化點的散射對比度不高，使得鈣化點影像敏感度未達30%。因此，利用超音波系統找到X光乳房攝影所成像之疑似腫瘤及鈣化點位置是目前對所有醫護人員的一大挑戰。
此外，目前已知光聲影像(Photoacoustic Image)可運用於乳癌篩檢。藉由雷射誘發超音波之光聲影像或稱為光聲斷層掃瞄(Photoacoustic Tomography,PAT)，其具有可結合光學成像的高對比特性及超音波的高穿透及高解析度特性。目前已知光聲影像可利用特定組織之吸收頻譜特徵，經由選擇不同光源波長以得到不同組織的影像。然而，目前乳癌之光聲影像主要顯示血管相關對象(blood object)，例如血管新生(angiogenesis)及出血性浸潤(hemorrhagic infiltration)。
綜合上述，如何發展一種有效的乳癌鈣化點檢測方法，是目前亟需努力的目標。
本發明之一目的為提供一種鈣化點成像方法，其藉由取得鈣化點光聲影像及組織超音波影像並將其重疊，藉以成像鈣化點的分佈情形，其具有無斑點雜訊、高光學吸收對比、高超音波空間解析度的優點。
依據本發明之一實施例，一種鈣化點成像方法，包括對一組織發射一第一超音波；接收第一超音波之一回波並成像組織之一第一超音波影像；對組織發射一第一光線以激發一第一光聲；接收第一光聲並成像一鈣化點之一第一光聲影像；以及重疊第一超音波影像及第一光聲影像以形成一第一重疊影像，藉以成像鈣化點在組織之分佈情形。
依據本發明之另一實施例，一種鈣化點成像系統，包含一光源、一超音波陣列探頭及一超音波陣列影像裝置。光源，用以對一組織發射一第一光線以激發一第一光聲。超音波陣列探頭用以對一組織發射一第一超音波，以及接收該第一超音波之一回波及該第一光聲。超音波陣列影像裝置電性連接至該超音波陣列探頭，其中該超音波陣列影像裝置成像該組織的一第一超音波影像以及一鈣化點之一第一光聲影像，並重疊該第一超音波影像及該第一光聲影像以形成一第一重疊影像，藉以成像該鈣化點在該組織之分佈情形。
本發明之另一目的為提供一種乳癌檢驗方法，其可成像鈣化點的分佈情形，並進而分析乳癌級數，其使用的光源為非游離輻射，因此具有更高的安全性。
本發明上述及其他態樣、特性及優勢可由附圖及實施例之說明而可更加了解。
本發明主要利用鈣化點的光聲影像及一組織的超音波影像進行重疊，藉以成像鈣化點在組織中的分佈情形。
請參照圖1及圖2，其中圖1為一流程圖顯示本發明一實施例之一種鈣化點成像方法；圖2為一示意圖顯示本發明一實施例之光聲超音波整合系統。
首先，進行步驟S11及S12以取得興趣點(Region of Interest,ROI)組織的超音波影像。其中，進行步驟S11：對一組織發射一第一超音波。超音波之產生可藉由超音波陣列探頭11所產生。藉由超音波陣列探頭11所產生的短促電脈衝使以特定頻率產生音波。本發明之超音波陣列探頭11可與醫用超音波陣列影像系統12整合。超音波陣列探頭11之頻率可依所需解析度及穿透深度做適當選擇，例如5cm穿透深度及300μm解析度，可選擇10MHz中頻率的探頭。
接著，步驟S12：接收第一超音波之一回波並成像ROI組織之一第一超音波影像。超音波陣列探頭11可使音波有效傳送進入ROI組織之中。音波在組織中密度改變之處會產生反射，例如組織中的腫瘤細胞與正常細胞組織介面、組織與水囊介面等。部分反射的音波回波會返回超音波陣列探頭11，並為超音波陣列探頭11所接收。音波回波以超音波陣列探頭11接收。回傳的音波振盪超音波陣列探頭11，超音波陣列探頭11將振盪轉化為電脈衝訊號，並由超音波陣列影像系統12接收放大、調變，再利用不同的顯示方式表現出來。其中常用的醫學顯示方式，包括：A模式(振幅模式，Amplitude Mode)，B模式(亮度模式，Brightness Mode)，M模式(運動模式，Motion Mode)與D模式(都卜勒模式，Doppler Mode)，等等。
此外，依超音波成像原理，第一超音波影像可為一2D超音波影像、一3D超音波影像或一都卜勒超音波影像。其中，2D超音波影像呈現二度空間的剖面圖，可以清楚地看到組織內部的構造，藉以觀察構造之形態及大小。3D超音波影像可利用電腦進行影像處理，將一張張相鄰並排的2D超音波影像，重新組合後加上光影變化，在螢幕上顯現「立體」的超音波影像。即時3D超音波影像則利用二維陣列超音波探頭作三維度取像，在螢幕上顯現「立體」的超音波即時影像。都卜勒超音波影像則運用都卜勒效應，以協助分辨血流流速及血管位置。
接著，進行步驟S13及步驟S14以取得鈣化點的一光聲影像。其中步驟S13：對興趣點組織發射一第一光線以激發一第一光聲。其中，光線較佳為一雷射光。如圖2所示，脈衝雷射系統21所發射之雷射光可藉由透鏡22、分光器23導引到達線性導光陣列24，以對組織進行光聲影像掃瞄。進行光聲影像掃瞄模式時，可藉由雷射觸發控制單元3使脈衝雷射系統21與超音波陣列影像系統12為同步；因此，可由超音波陣列影像系統12觸發脈衝雷射系統21出光、亦可由脈衝雷射系統21觸發脈衝雷射系統21進行光聲波偵測。
如前所述，光線較佳為一雷射光。舉例而言，光源可由Nd:YAG脈衝雷射驅動後端的光參振盪器(optical parametric oscillator)產生可調整波長的雷射光。舉例而言，輸出雷射光的脈衝寬度可為3-20ns、雷射脈衝重覆率(pulse repetition frequency,PRF)可為10Hz~KHz，可調波長範圍可為410~4000nm。雷射能量由暗場(dark field)的方式弱聚焦至目標內達成與超音波陣列探頭11前視(elevational)方向的聚焦共軛焦(confocal)，其中暗場照明的功能為避開表面對光子的強吸收所造成的干擾，共軛焦則可提升影像的訊雜比。
此外，少許雷射能量可耦合入監控雷射能量用的光纖，以光二極體量測監控光纖導出的能量用以進行消除雷射出光能量不穩定的後處理。其他雷射照射目標物及監控雷射能量方式只要能達到類似目的，亦可使用，並不受限於上述方式。其中，組織表面所承受的脈衝雷射能量密度需小於所使用波長的最大允許之ANSI規範強度。
目前已知鈣化點是與某些急性或慢性的疾病相關，包括急性發炎及腫瘤相關。可能產生鈣化點的組織包括但不限於乳房、血管、肺部、甲狀腺或腎臟等。
用以成像組織鈣化點之光線較佳為近紅外光，其波長為700nm至1200nm。請參照圖3a(資料來源：T. J. Brukilacchio,Ph.D. Thesis 2003)，因為近紅外光在組織內的穿透深度較深，且血液(其成份包含紅血球、帶氧紅血球、脂肪及水)對其吸收較弱，其中在700nm以下的近紅外線波長，不帶氧血紅素之吸收大幅增加；此外在在900nm以上的紅外線波長，脂肪之吸收大幅增加，因此700nm-850nm為乳房組織之最佳穿透度光學窗口。此外，請參照圖3b在波長為700nm到850nm的範圍之內，鈣化點之光吸收或光聲訊號相較於血液、脂肪、腺體組織為較強。因此所得到的鈣化點影像判讀較不易受血液、脂肪及腺體組織信號影響。
此外，文獻研究顯示乳房鈣化點成份與腫瘤之良性或惡性程度有關。乳房鈣化點主要成份有草酸鈣、羥基磷酸鈣(hydroxyapatite,HA)、碳酸羥基磷酸鈣(carbonate hydroxyapatite)或上述之組合物，其中草酸鈣主要在非侵襲性腫瘤中發現，而羥基磷酸鈣則主要在侵襲性腫瘤發現。其中，越多磷酸被碳酸取代的碳酸羥基磷酸鈣，其腫瘤為非侵襲性的機率越高。由於草酸鈣、羥基磷酸鈣、及碳酸羥基磷酸鈣在對3200nm至3600nm波長之光線吸收具有差異性，因此可利用3200nm至3600nm波長的光聲激發光源作為鈣化點特徵吸收光譜波段以進行鈣化點組成成分之定性分析，進而作為原位癌(Ductal Carcinoma in situ)風險判別及後續採取積極性治療或作保守觀察之客觀依據。
在步驟S14，接收第一光聲，並成像一鈣化點之一第一光聲影像，以獲得鈣化點之光聲影像。本發明之光聲超音波整合系統可同時進行多陣列通道信號的擷取，信號經前置放大，類比數位轉換器轉換為數位信號後，進行超音波接收波束成形器(receive beamformer)，進行接收動態聚焦，形成光聲影像。此流程與現有超音波系統接收端之信號處理系統無異，唯計算影像深度時，因光速相對聲波速度極快，不需考慮雷射光於組織中傳遞時間，僅需考慮光聲波回傳的時間。
應說明的是，本發明之光聲超音波整合系統可於光聲模式及超音波影像模式進行切換，因此可依需求先後及/或同時擷取顯示光聲影像、超音波影像，以確認鈣化點相對位置。因此，光聲影像及超音波影像，亦即第一超音波影像及第一光聲影像之形成並無先後限制。
此外，本發明亦可形成連續之動態影像，其可藉由與上述相似之步驟所達成，包括對一組織發射一第二超音波；接收第二超音波之一回波並成像組織之一第二超音波影像；對組織發射一第二光線以激發一第二光聲；接收第二光聲並成像一第二光聲影像；以及重疊第二超音波影像及第二光聲影像以形成一第二重疊影像。其中較佳者，第一光聲影像之一畫框係位於第一超音波之一畫框及第二超音波之一畫框之間。由於光聲影像畫框(Frame)夾在二連續超音波B-mode脈衝回音(pulse echo)畫框中，因此本系統使用及操作方式均與現有醫用超音波陣列系統相同，不需增加同一解析度光聲影像與超音波影像之掃瞄時間，而能維持傳統超音波系統之使用習慣。
如同前述。而第一超音波影像及第一光聲影像可為一2D超音波影像或一3D超音波影像。
第一光聲影像之影像掃瞄方式可依超音波陣列探頭11與線性導光陣列24位置的配置決定，包括：反射模式(backward mode)、穿透模式(forward mode)及斷層掃瞄模式(tomography mode)。以及，如同前述，第一光聲影像可為一2D超音波影像、一或3D超音波影像。
最後在步驟S15，重疊第一超音波影像及第一光聲影像以形成一第一重疊影像，並利用第一重疊影像成像鈣化點於組織之分佈(步驟S16)。
此外，在一實施例中，本發明形成與X光攝影相似的二維投影影像。如前所述，目前檢測鈣化點方法為X光攝影，其為沿待測物體整條投影線投影的二維影像。為使臨床醫護人員可以得到與X光攝影相似的投影結果，再將所得到的3D之第一光聲影像或第一重疊影像以立體投影方式得到一2D的投影影像，藉以取代及/或比對標準乳房X光攝影。
如前所述，乳房鈣化點是乳癌早期診斷的重要指標之一。因此，請參照圖4，為一流程圖顯示本發明一實施例之乳癌檢驗方法，包括步驟S21：對一乳房組織發射一第一超音波；步驟S22：接收第一超音波之一回波，並成像乳房組織之一第一超音波影像；步驟S23：對乳房組織發射一第一光線以激發一第一光聲；步驟S24：接收第一光聲，並成像一鈣化點之一第一光聲影像；步驟S25：重疊第一超音波影像及第一光聲影像以形成一第一重疊影像；步驟S26：藉以成像鈣化點在乳房組織之分佈情形及判斷乳癌期數及級數。其中，步驟S21-S25與前述步驟相似，在此不再詳述。
在判斷乳癌期數及級數部分，其可由成像鈣化點的分佈密度、形狀及組成加以推斷。舉例而言，越多的鈣化點聚集在某一部位，在病因學上診斷為惡性腫瘤的可能性越高；具有不規則的形狀的鈣化點，如呈現線形、投射形或分岔形的外表可能為惡性。因此，臨床醫師可藉由本發明輕易地在乳房超音波影像中找到鈣化點位置，以作為原位癌之級數判別及後續採取治療或觀察之依據。
以下揭示本發明用以檢測生物組織仿體之鈣化點之一具體實施例。其中，仿體成分包括吉利丁粉(gelatin)用以模擬生物組織、纖維素(cellulose)用以模擬超音波影像斑點雜訊、脂肪乳劑(Intralipid)用以模擬光於組織中散射情形、以及HA顆粒用以模擬與惡性乳癌相關的鈣化點成份。
請參照附件1，顯示本發明一實施例之組織仿體超音波影像。其中影像成像模式為B模式，影像的動態範圍(dynamic range)為35dB。仿體為固定於水中。如圖所示，上方黑色無反射區域顯示用於放置仿體的水，12mm處為仿體表面，仿體中充滿了斑點雜訊，因而掩蓋了鈣化點的訊號，影像對比不夠，完全觀察不出鈣化點存在的位置。
請參照附件2，顯示本發明一實施例之鈣化點光聲影像。在相同的掃描範圍改用光聲影像模式(波長為800nm，B模式)進行掃描，並將掃描所得的射頻數據(RF data)做包封檢測(envelope detection)後可得到如圖所示之結果，其中影像的亮度以線性標度(linear scale)表示。如附件2所示，一樣在12mm處可見到表面，13mm探頭焦點處則多了一明顯亮點，此即為鈣化點的位置。
由於鈣化點周圍組織對800nm近紅外光的吸收度不強，與仿體表面上方水的光聲訊號一般微弱，影像上皆呈現黑色，使得光聲影像中，鈣化點與背景間的對比十分清楚強烈。
請參照附件3，其顯示本發明一實施例之組織鈣化點成像結果。附件3是將附件1的超音波影像與附件2的光聲影像疊合之後的結果，其中以灰階呈現的是超音波影像、以紅色(虛擬色彩,pseudo-color)呈現的是光聲影像。由於兩者表面訊號完全的重合，可知圖4與附件1確實為相同的切面。結合後的影像可藉由超音波影像看出較清楚乳房仿體結構上的分布、以及光聲影像指出鈣化點所在，因此使結果更為一目瞭然。
綜合上述，本發明可藉由取得鈣化點光聲影像及組織超音波影像並將其重疊，藉以成像鈣化點在組織中的分佈情形，並進而分析乳癌級數。本發明之影像相較於超音波及X-ray乳房攝影，具有無斑點雜訊、高光學吸收對比、高超音波空間解析度的優點，而且其使用的光源為非游離輻射，因此具有更高的安全性。
以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
S11~S16．．．鈣化點成像步驟
S21~S26．．．乳癌檢測步驟
11．．．超音波陣列探頭
12．．．超音波陣列影像系統
21．．．脈衝雷射系統
22．．．透鏡
23．．．分光器
24．．．線性導光陣列
3．．．雷射觸發控制單元
圖1為一流程圖顯示本發明一實施例之一種鈣化點成像方法。
圖2為一示意圖顯示本發明一實施例之光聲超音波整合系統。
圖3a-3b為示意圖顯示本發明一實施例之較佳紅外線波長。
圖4為一流程圖顯示本發明一實施例之乳癌檢驗方法。
附件1顯示本發明一實施例之組織仿體超音波影像。
附件2顯示本發明一實施例之鈣化點光聲影像。
附件3顯示本發明一實施例之組織鈣化點成像結果。
S11~S16．．．鈣化點成像步驟

Claims (21)

  1. 一種鈣化點成像方法，包含：對一組織發射一第一超音波；接收該第一超音波之一回波並成像該組織之一第一超音波影像；對該組織發射一第一光線以激發一第一光聲，其中該第一光線之波長為700nm至850nm或3200nm至3600nm；接收該第一光聲並成像一鈣化點之一第一光聲影像；以及重疊該第一超音波影像及該第一光聲影像以形成一第一重疊影像，藉以成像該鈣化點在該組織之分佈情形。
  2. 如請求項第1項之鈣化點成像方法，其中該第一光線為一雷射光。
  3. 如請求項第2項之鈣化點成像方法，其中該雷射光之波長為3200nm至3600nm。
  4. 如請求項第2項之鈣化點成像方法，其中該雷射光之波長為700nm至750nm。
  5. 如請求項第2項之鈣化點成像方法，其中該雷射光之波長為700nm至850nm。
  6. 如請求項第1項之鈣化點成像方法，其中該第一超音波影像為一2D超音波影像、一3D超音波影像或一都卜勒超音波影像。
  7. 如請求項第1項之鈣化點成像方法，其中該第一光聲影像為一2D光聲影像或一3D光聲影像。
  8. 如請求項第1項之鈣化點成像方法，其中該第一光聲影像之成像是藉由反射模式、穿透模式或斷層掃瞄模式形成。
  9. 如請求項第1項之鈣化點成像方法，其中該鈣化點包含草酸鈣、羥基磷酸鈣、碳酸羥基磷酸鈣或上述之組合物。
  10. 如請求項第1項之鈣化點成像方法，其中該組織包括乳房、血管、肺部、甲狀腺或腎臟。
  11. 如請求項第1項之鈣化點成像方法，更包含：立體投影該第一光聲影像或該第一重疊影像以得到一2D的投影影像，其中該第一光聲影像或該第一重疊影像為一3D影像。
  12. 如請求項第1項之鈣化點成像方法，其中該第一光聲影像之取得係沿一X光攝影之投影線方向。
  13. 如請求項第1項之鈣化點成像方法，更包含：對該組織發射一第二超音波；接收該第二超音波之一回波並成像該組織之一第二超音波影像；對該組織發射一第二光線以激發一第二光聲；接收該第二光聲並成像一第二光聲影像；以及重疊該第二超音波影像及該第二光聲影像以形成一第二重疊影像，其中該第一光聲影像之一畫框係位於該第一超音波之一畫框及該第二超音波之一畫框之間。
  14. 一種鈣化點成像系統，包含：一光源，用以對一組織發射一第一光線以激發一第一光聲，其中該第一光線之波長為700nm至850nm或3200nm至3600nm；一超音波陣列探頭，用以對一組織發射一第一超音波，以及接收該第一超音波之一回波及該第一光聲；以及一超音波陣列影像裝置，電性連接至該超音波陣列探頭，其中該超音波陣列影像裝置成像該組織的一第一超音波影像以及一鈣化點之一第一光聲影像，並重疊該第一超音波影像及該第一光聲影像以形成一第一重疊影像，藉以成像該鈣化點在該組織之分佈情形。
  15. 如請求項第14項之鈣化點成像系統，其中該光源為一雷射，而該第一光線為一雷射光。
  16. 如請求項第15項之鈣化點成像系統，其中該雷射光之波長為3200nm至3600nm。
  17. 如請求項第15項之鈣化點成像系統，其中該雷射光之波長為700nm至750nm。
  18. 如請求項第15項之鈣化點成像系統，其中該雷射光之波長為700nm至850nm。
  19. 如請求項第14項之鈣化點成像系統，其中該第一超音波影像為一2D超音波影像、一3D超音波影像或一都卜勒超音波影像。
  20. 如請求項第14項之鈣化點成像系統，其中該第一光聲影像為一2D超音波影像或一3D超音波影像。
  21. 如請求項第14項之鈣化點成像系統，其中該第一光聲影像之成像是藉由反射模式、穿透模式或斷層掃瞄模式形成。
TW099114605A 2009-12-15 2010-05-07 鈣化點成像方法及系統 TWI405560B (zh)

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