TWI477259B - Evaluation system and method of non - invasive liver fibrosis - Google Patents

Description

非侵入式肝纖維化程度評估系統與方法

本發明係關於一種肝纖維化程度評估系統與方法，尤指一種利用超音波技術，以分位數線圖建立正常肝臟之標準常態模型，並依據待測者所獲得之回波射頻訊號於分位數線圖上繪製待測線，經由計算待測線與分位數線圖中第一或第三分位數線間面積，並以計算所得面積評估肝纖維化程度，而得以有效、及早預測早期肝硬化現象之非侵入式肝纖維化程度評估系統與方法。

肝硬化之形成是漸進且緩慢的，於真正發病之前幾乎毫無症狀，因此常被輕易忽略。由於肝硬化幾乎是一個不可逆的過程，雖已有研究在尋找慢性肝病的治療方法，但目前尚無可使硬化的肝復原之有效方法。

肝硬化之形成，是當肝細胞受到傷害後，引發一系列慢性的、長期的退化，結果導致肝臟內部結構重組；一旦75%的正常肝組織消失殆盡時，肝硬化於是形成。

於診斷方面，習知對於肝硬化程度之診斷，不外乎依據醫師的醫學知識與臨床經驗臆測，或做侵入式的肝臟穿刺切片，再透過病理染色加以檢查。然而，當臨床上明顯看出是肝硬化時，其大多已進入末期；若執行肝切片手術，病患又必須承擔極高風險。因此，肝硬化之誤診率與死亡率一直居高不下。

為避免侵入式檢測所造成之風險，目前臨床上希望建立一套有效且可靠之非侵入式診斷方式。非侵入式的診斷方式大致可區分為抽血檢查以及影像診斷，其中後者又包括有超音波、X光、電腦斷層掃描以及核磁共振等影像技術。

在各種影像技術中，超音波影像技術具有即時成像、高安全性、完全可攜式以及費用低廉等優點，因此對於醫師與病患而言，為最被接受之第一線診斷影像。

超音波成像方式主要包含A模式、B模式、C模式、M模式與都卜勒模式，其中又以B模式最為廣泛被應用於臨床診斷。超音波探頭朝組織傳遞聲波，透過組織內部複雜的散射機制交互作用後，將會形成許多回波訊號，而回到探頭被接收之訊號一般稱之為逆散射訊號。

將這些逆散射訊號經過解調後，即可形成包絡線訊號。以這些包絡線訊號代表的振幅強弱反映至B模式之影像上，即可形成具有亮暗、對比差異的灰階影像。B模式雖然於描述組織輪廓與幾何位置方面有很好的效果，但依據不同的系統增益、時間增益補償、動態範圍，於不同條件下的掃描結果將有所差異，因此難對影像進行定量分析。

為達成對超音波射頻訊號進行定量分析之目的，或有使用Nakagami-m參數進行分析者，其係用以描述組織中不同散射粒子濃度所表現的機率密度函數；特別是使用包絡線訊號計算而得的m參數，於皮膚、眼睛與乳房等診斷方面，均有顯著之貢獻。

另有使用Yamaguchi方法進行分析者，其主要係使用特別處理後之分位數線圖(Q-Q圖)以及特定斜率與交點參數。雖然前述Yamaguchi方法曾被使用於肝纖維化程度之評估，然而因其所使用參數之定義往往過於主觀，且亦無法使用於不同的系統條件下。

有鑑於此，為解決上述難題，建立一種通用於各種實驗條件下之非侵入式評估方法，本發明之發明人遂提出一種利用超音波技術，以分位數線圖建立正常肝臟之標準常態模型，並依據待測者所獲得之回波射頻訊號於分位數線圖上繪製待測線，再計算待測線與分位數線圖中第一或第三分位數線間面積，由計算所得面積即可評估肝纖維化程度，以期可以有效、及早預測早期肝硬化現象之非侵入式肝纖維化程度評估系統與方法。

本發明之主要目的在提供一種可以有效、及早預測早期肝硬化現象之非侵入式肝纖維化程度評估系統與方法，其係利用超音波技術，以分位數線圖建立正常肝臟之標準常態模型，依據待測者所獲得之回波射頻訊號於分位數線圖上繪製待測線，最後計算待測線與分位數線圖中第一或第三分位數線間面積，並由計算所得面積評估肝纖維化程度。

為達上述目的，本發明係提供一種非侵入式肝纖維化程度評估系統，包括有一脈衝回波式超音波單元、一處理單元以及一判斷單元。其中，前述脈衝回波式超音波單元具有一探頭，供掃描人體外部相對應於肝臟之區域，藉以獲得回波射頻訊號。前述處理單元具有一標準常模產生次單元、一待測線產生次單元以及一計算次單元；其中該標準常模產生次單元係利用正常肝臟之回波射頻訊號，以分位數線圖(quantile-quantile plot)建立一標準常態模型，其中第一分位數線與第三分位數線所圍成之面積表示正常肝臟之數值範圍；前述待測線產生次單元，供利用由一待測者所獲得之回波射頻訊號，於前述分位數線圖上繪製一待測線；前述計算次單元則係用於當待測線位於第一分位數線下方或位於第三分位數線上方時，計算待測線與第一分位數線或與第三分位數線間之面積；當待測線位於第一分位數線與第三分位數線間時，判定該面積數值為零。前述判斷單元則係依據計算次單元所算出之面積數值，評估肝纖維化之程度。

於實施時，前述非侵入式肝纖維化程度評估系統更包括一量化指標產生單元，其係依據面積數值與臨床上所使用評估肝纖維化分級之對應關係，以輸出一肝纖維化程度之量化指標。

本發明亦提供有一種非侵入式肝纖維化程度評估方法，包括以下步驟：

a、使用一脈衝回波式超音波單元之探頭掃描一待測者體外相對應於肝臟之區域，以獲得回波射頻訊號；

b、使用一處理器，以正常肝臟之回波射頻訊號繪製分位數線圖(quantile-quantile plot)，而建立一標準常態模型，其中第一分位數線與第三分位數線所圍成之面積表示正常肝臟之數值範圍；

c、利用該處理器，將自待測者所獲得之回波射頻訊號於前述分位數線圖上繪製一待測線；

d、當待測線位於第一分位數線下方或位於第三分位數線上方時，利用該處理器計算待測線與第一分位數線或與第三分位數線間之面積；當待測線位於第一分位數線與第三分位數線間時，則處理器判定該面積數值為零；以及

e、利用一判斷單元，依據算出之面積數值，以評估肝纖維化之程度。

於實施時，前述非侵入式肝纖維化程度評估系統更包括一步驟f：使用一量化指標產生單元，以依據面積數值與臨床上所使用評估肝纖維化分級之對應關係，而輸出一肝纖維化程度之量化指標。

為對於本發明之特點與作用能有更深入之瞭解，茲藉實施例配合圖式詳述於後。

請參閱第1圖，其係顯示本發明之非侵入式肝纖維化程度評估系統之較佳實施例，其中該非侵入式肝纖維化程度評估系統包括有一脈衝回波式超音波單元1、一處理單元2、一判斷單元3以及一量化指標產生單元4。

前述脈衝回波式超音波單元1係具有一探頭10，供掃描人體外部相對應於肝臟之區域，藉此可獲得回波射頻訊號。於實施時，該脈衝回波式超音波單元1可使用任何可以產生射頻訊號之超音波系統。此外，於執行超音波掃描方面，所使用探頭之接觸面較佳為曲面者。

前述處理單元2具有一標準常模產生次單元20、一待測線產生次單元22以及一計算次單元24。

前述標準常模產生次單元20係利用正常肝臟之回波射頻訊號，以分位數線圖(quantile-quantile plot)建立一標準常態模型。請參閱第2A圖，其係顯示標準常態模型之分位線數圖，其中Q1曲線代表第一分位數線，Q3曲線則係代表第三分位數線。如圖所示，Q1與Q3曲線所圍成之面積區域(表現為斜線者)，即代表正常肝臟回波射頻訊號之範圍。

分位數(quantile)係於隨機變數之觀察值中，把一系列觀察值從小向大排列，將這些觀察值分成一定比例之數值，即稱分位數；而分位數線圖則是一種畫出分位數來比較兩個機率分佈的圖形方法。其中，將觀察值分成四等份是生物實驗中常見的數據表示法，即稱之為四分位數。

於建立標準常態模型方面，首先必須進行對超音波射頻訊號之處理，其中主要是針對影像中的肝臟區域，使用若干的矩形滑動視窗分別進行計算；例如，可以一個像素點為間距作滑動視窗於整個肝臟區域完成計算，並將計算值標示於矩形滑動視窗正中央的像素點上。

接著，根據每一矩形滑動視窗所獲得之數據，做出相對應之分位數線圖。然後，將所有正常影像(即來自於正常無纖維化之肝臟者)中所有矩形滑動視窗各自的分位數線圖全部加以紀錄，並由此找出第一分位數線(即Q1曲線)以及第三分位數線(即Q3線)，如此即可建立標準常態模型。

當建立標準常態模型後，則可使用來判定待測者之肝纖維化程度。前述待測線產生次單元22即係利用來自一待測者之回波射頻訊號，同樣利用矩形滑動視窗對影像進行分析，而於前述分位數線圖上繪製一待測線T；此待測線T即反映待測者之肝臟狀態(即肝纖維化程度)。

相對於M曲線、Q1曲線以及Q3曲線，待測線T可能的落點有三，即位於Q1曲線之下、位於Q3曲線之上或落入Q1曲線與Q3曲線之間。

請參閱第2B與2D圖，於圖中待測線T係分別位於Q3曲線上方、Q1曲線下方。因此，由此兩條待測線T之位置，可以確定待測者的確具有肝纖維化。然而，如第2C圖所示，圖中待測線T位於Q1曲線與Q3曲線之間，即表示該待測者之肝臟並無纖維化之現象。

於繪製待測線T後，雖已可判定待測者是否具有肝纖維化，但仍無法評估肝纖維化之程度。因此，前述計算次單元24則可進一步計算待測線與分位數線(Q1曲線或Q3曲線)之間面積，而獲得一面積數值，以作為進一步評估之依據。然而，當待測線T落入Q1曲線與Q3曲線之間時，該計算次單元24將自動判定其面積數值為零。

計算所得之面積數值(或經判定為零之面積數值)，將進一步由前述判斷單元3進行評估。肝纖維化程度與面積數值間之關聯可經實驗預先設定，而肝纖維化程度之分級，則可使用臨床上可使用之任何模式。

關於肝臟纖維化之分級法，以下將簡介美國最常用的三種分級法，包括Knodell、Ishak以及Metavir。

Knodell評分系統(Knodell et al.,1981)係第一個被建立來評估慢性肝炎(發炎、纖維化)之系統，於提出後一直是最廣泛使用的切片評分機制，其係用四個類別來評估纖維化程度(0~4分)。

Ishak評分系統(Ishak et al.,1995)為Knodell評分系統的修正版本，較之具有更精準、更靈敏之評判纖維化能力，其通常被應用於臨床研究，而評定纖維化程度則可區分為0~6分

Metavir評分系統(Bedossa & Poynard,1996)係由一個法國團隊提出，其不僅可提供更簡單的判斷方法，於使用上也更加容易，其對於纖維化程度之評估可分為0~4分。

經由臨床實驗，可決定不同面積數值所對應之評估分數，當建立完整之查找表後，即可作為判斷肝纖維化程度之依據。於實施時，前述判斷單元3可根據所計算出之面積數值，經由查找表找出相對應評分系統內的分數，再經由量化指標產生單元4，將此量化指標(評估分數)輸出，即可獲知待測者之肝纖維化程度的量化資訊。

此外，本發明亦提供有一種非侵入式肝纖維化程度評估方法；請參閱第3圖，其係為該評估方法之較佳實施例之步驟流程圖。

於步驟a中，係使用一脈衝回波式超音波單元之探頭，對於一待測者體外相對應於肝臟之區域進行掃描，以獲得回波射頻訊號。

於步驟b中，則係使用一處理器，以正常肝臟之回波射頻訊號繪製分位數線圖(quantile-quantile plot)，而建立一標準常態模型，其中第一分位數線與第三分位數線所圍成之面積表示正常肝臟之數值範圍。

於步驟c中，則係使用該處理器，將自待測者所獲得之回波射頻訊號，於前述分位數線圖上繪製出一待測線。

接著，於步驟d中，當待測線位於第一分位數線下方或位於第三分位數線上方時，使用該處理器計算待測線與第一分位數線或與第三分位數線間之面積；當待測線位於第一分位數線與第三分位數線間時，則處理器判定該面積數值為零。

於步驟e中，則使用一判斷單元，依據算出之面積數值，以評估肝纖維化之程度。

最後，於步驟f中，使用一量化指標產生單元，以依據面積數值與臨床上所使用評估肝纖維化分級之對應關係，而輸出一肝纖維化程度之量化指標。

綜上所述，依上文所揭示之內容，本發明確可達到發明之預期目的，提供一種非侵入式肝纖維化程度評估系統與方法，其係利用超音波技術，以分位數線圖建立正常肝臟之標準常態模型，並依據待測者所獲得之回波射頻訊號於分位數線圖上繪製待測線，經由計算待測線與分位數線圖中第一或第三分位數線之間面積，由計算所得面積評估肝纖維化程度，而得以有效、及早預測早期肝硬化現象。其極具產業利用之價值，爰依法提出專利申請。

又上述說明與圖式僅是用以說明本發明之實施例，凡熟於此業技藝之人士，仍可做等效的局部變化與修飾，其並未脫離本發明之技術與精神。

1．．．脈衝回波式超音波單元

10．．．探頭

2．．．處理單元

20．．．標準常模產生次單元

22．．．待測線產生次單元

24．．．計算次單元

3．．．判斷單元

4．．．量化指標產生單元

Q1．．．第一分位數線

Q3．．．第三分位數線

T．．．待測線

第1圖係顯示本發明之非侵入式肝纖維化程度評估系統之方塊示意圖。

第2A圖係顯示本發明之非侵入式肝纖維化程度評估系統之標準常態模型之分位數線圖。

第2B圖係顯示於繪製有待測線之分位數線圖以及該待測線與第三分位數線所圍成面積。

第2C圖係顯示於繪製有待測線之分位數線圖，其中該待測線係位於第一與第三分位數線之間。

第2D圖係顯示於繪製有待測線之分位數線圖以及該待測線與第一分位數線所圍成面積。

第3圖係顯示本發明之非侵入式肝纖維化程度評估方法之流程圖。

1．．．脈衝回波式超音波單元

10．．．探頭

2．．．處理單元

20．．．標準常模產生次單元

22．．．待測線產生次單元

24．．．計算次單元

3．．．判斷單元

4．．．量化指標產生單元

Claims (6)

1. 一種非侵入式肝纖維化程度評估系統，包括：一脈衝回波式超音波單元，其具有一探頭，供掃描人體外部相對應於肝臟之區域，藉以獲得回波射頻訊號；一處理單元，具有：一標準常模產生次單元，其係利用正常肝臟之回波射頻訊號，以分位數線圖(quantile-quantile plot)建立一標準常態模型，其中第一分位數線與第三分位數線所圍成之面積表示正常肝臟之數值範圍；一待測線產生次單元，供利用由一待測者所獲得之回波射頻訊號，於前述分位數線圖上繪製一待測線；以及一計算次單元，當待測線位於第一分位數線下方或位於第三分位數線上方時，供計算待測線與第一分位數線或與第三分位數線間之面積；當待測線位於第一分位數線與第三分位數線間時，則判定該面積數值為零；以及一判斷單元，依據前述計算次單元所算出之面積數值，評估肝纖維化之程度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之非侵入式肝纖維化程度評估系統，其中該探頭之接觸面係為曲面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之非侵入式肝纖維化程度評估系統，其更包括一量化指標產生單元，其係依據面積數值與臨床 上所使用評估肝纖維化分級之對應關係，以輸出一肝纖維化程度之量化指標。
4. 一種非侵入式肝纖維化程度評估方法，包括以下步驟：a、使用一脈衝回波式超音波單元之探頭掃描一待測者體外相對應於肝臟之區域，以獲得回波射頻訊號；b、使用一處理器，以正常肝臟之回波射頻訊號繪製分位數線圖(quantile-quantile plot)，而建立一標準常態模型，其中第一分位數線與第三分位數線所圍成之面積表示正常肝臟之數值範圍；c、使用該處理器，將自待測者所獲得之回波射頻訊號於前述分位數線圖上繪製一待測線；d、當待測線位於第一分位數線下方或位於第三分位數線上方時，使用該處理器計算待測線與第一分位數線或與第三分位數線間之面積；當待測線位於第一分位數線與第三分位數線間時，則處理器判定該面積數值為零；以及e、使用一判斷單元，依據算出之面積數值，以評估肝纖維化之程度。
5. 如申請專利範圍第4項所述之非侵入式肝纖維化程度評估方法，其中所使用探頭之接觸面係為曲面。
6. 如申請專利範圍第4項所述之非侵入式肝纖維化程度評估方法，其更包括一步驟f：使用一量化指標產生單元，以依據面積數值與臨床上所使用評估肝纖維化分級之對應關係，而輸出一肝纖維化程度之量化指標。