TWI619475B - Ultrasonic data analysis system and method for liver fibrosis - Google Patents

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一種肝纖維化之超音波數據分析系統，係包括一超音波探頭、一合成影像單元、一內插單元、一雜訊單元、一分解單元、一顯示單元及一計算單元。該超音波探頭係發射超音波掃描該病患之肝臟，並接收來自該病患之肝臟的超音波回波。該合成影像單元係與該超音波探頭連結，接收該超音波回波，並合成影像之超音波射頻訊號。本發明亦揭露一種肝纖維化之超音波數據分析方法。藉由上述系統與方法，本發明不受脂肪肝或高回音強度影響，產生有效訊號數據用於參數分析以提供臨床人員辨別一病患是否患有肝纖維化。

Description

肝纖維化之超音波數據分析系統及方法
本發明係為一種肝纖維化之超音波數據分析系統及方法，特別是一種不受脂肪肝或高回音強度影響，產生有效訊號數據用於辨別一病患是否患有肝纖維化之超音波數據分析系統及方法。
超音波影像已經被廣泛的運用在臨床肝臟掃描檢查。傳統的灰階影像可以辨識肝臟的大小幾何型態，對於有興驗的醫師，可以透過觀察灰階影像的紋理，來判定肝臟組織是否有纖維化的情形。因此目前傳統灰階影像，是臨床上評估肝臟纖維化的第一線影像工具。
由於灰階影像的紋理，容易受到操作者經驗以及系統設定的影響，因此灰階影像紋理不是一個客觀的指標，對於較無臨床經驗的醫師來說，不是一個理想的工具。為了輔助臨床醫師使用超音波來評估肝臟纖維化，近期許多文獻揭露超音波彈性影像可以用來測量肝臟的硬度，進而評估肝臟纖維化的嚴重度。
然而，目前文獻顯示，肝臟組織的發炎反應，會影響肝臟的硬度測量。因此目前超音波彈性影像於臨床肝臟纖維化評估，較常應用的C型肝炎的病人，而B型肝炎的病人因為其發炎反應變化大且控制相對不易，反而導致了超音波彈性影像測量組織硬度的誤差。因此目前超音波彈性影像在B型肝炎病人的纖維化偵測應用不是太好。
最近有文獻揭露，使用超音波射頻訊號振幅的統計分布來做為纖維化評估方法，可較不受到發炎反應影響。因此分析超音波射頻訊號振幅的統計分佈，不論是估計參數、或者量化訊號振幅統計分布與雷利分佈的偏差，都再次引起研究者的注意與興趣。
中華民國專利公告第I477259號揭露一種非侵入式肝纖維化程度評估系統與方法，係利用脈衝回波式超音波掃描待測者體外相對應於肝臟之區域，以獲得回波射頻訊號；利用正常肝臟之回波射頻訊號以分位數線圖建立標準常態模型，其中第一與第三分位數線所圍成之面積表示正常肝臟之數值範圍；依據待測者之回波射頻訊號，於前述分位數線圖上繪製一待測線；當待測線位於第一分位數線下方或第三分位數線上方時，計算待測線與第一或第三分位數線間面積，而當待測線位於第一分位數線與第三分位數線間時，判定面積數值為零；依據所算出之面積數值，以評估肝纖維化程度。
中華民國專利公開第201519872號揭露一種非侵入式肝纖維化程度評估裝置與方法，該裝置包括有超音波單元、Nakagami參數產生模組、硬度值產生模組、資料庫以及判斷模組；該方法係先以超音波單元之探頭掃描人體外部相對應於肝臟之區域，以獲得複數組超音波影像資料；以Nakagami參數產生模組利用Nakagami分佈函數對複數組超音波影像資料中的一組加以處理，以獲得一Nakagami參數；以硬度值產生模組處理複數組超音波影像資料，以獲得一硬度值；以資料庫係儲存複數組參考數據；以判斷模組將所獲得的Nakagami參數以及硬度值與資料庫中的複數組參考數據進行比對，藉以評估肝纖維化程度。
然而最大的問題，是纖維化病人往往伴隨脂肪肝的存在，脂肪肝會使得超音波影像較亮，表示回波振幅，即射頻訊號振幅較大，進而影響訊號的統計分佈分析，而導致肝纖維化分析的效果不佳。又或者病人間存在個體差異性，同樣的訊號放大增益，可能會使某些患者的回波振幅較大，產生較亮的影像強度，使得肝纖維化的訊號特徵無法顯現。
上述專利之肝纖維化程度評估裝置與方法，以及現有使用訊號振幅統計分布為技術基礎之裝置與方法，皆會受脂肪肝或者高回音強度效應影響，而無法有效辨別一病患是否患有肝纖維化。
因此，如何設計出一不受脂肪肝或高回音強度影響的方法，產生有效訊號數據用於辨別一病患是否患有肝纖維化之超音波數據分析系統及方法，即成為相關設備廠商以及研發人員所共同期待的目標。
本發明人有鑑於習知技術之肝纖維化程度評估裝置與方法，受脂肪肝或高回音強度影響，而無法有效辨別一病患是否患有肝纖維化之缺失，乃積極著手進行開發，以期可以改進上述既有之缺點，經過不斷地試驗及努力，終於開發出本發明。
本發明之第一目的，係提供一種肝纖維化之超音波數據分析系統。本發明之第二目的，係提供一種肝纖維化之超音波數據分析方法。
為了達成上述之目的，本發明之肝纖維化之超音波數據分析系統，係包括一超音波探頭、一合成影像單元、一內插單元、一雜訊單元、一分解單元、一顯示單元及一計算單元。
該超音波探頭係發射超音波掃描該病患之肝臟，並接收來自該病患之肝臟的超音波回波。
該合成影像單元係與該超音波探頭連結，接收該超音波回波，並合成影像之超音波射頻訊號。
該內插單元係與該合成影像單元連接，接收該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行內插，提升取樣率為原本之至少兩倍。
該雜訊單元係與該內插單元連接，接收進行內插後之該超音波射頻訊號，添加白色雜訊至該超音波射頻訊號，產生被污染之該超音波射頻訊號。
該分解單元係與該雜訊單元連接，接收被污染之該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行單一次經驗模式分解，輸出數個影像本質模態函數，選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，產生一包封數據。
其中，因脂肪肝或者個體差異性造成部分病患超音波影像較亮，即回波射頻訊號振幅較大的訊號，會被分解到第一個本質模態函數，纖維相關訊號會被分解至第二個本質模態函數，因此本發明僅選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，因此可以排除脂肪肝或個體差異性造成超音波影像較亮的影響，有效辨別一病患是否患有肝纖維化。
該顯示單元，係與該分解單元連接，接收該包封數據，對該包封數據進行超音波統計參數成像，將該包封數據切割成許多正方形小視窗，將每一小視窗的數據計算統計參數，，所計算的每一個局部參數數值放回所對應視窗位置，利用色彩表現出參數影像。
該計算單元係與該顯示單元連接，該計算單元係計算被圈選之特定範圍內的參數平均值，用來提供臨床人員以判斷該病患是否患有肝纖維化。
為了達成上述之目的，本發明之肝纖維化之超音波數據分析方法，係包括步驟： 步驟A：提供一超音波探頭、一合成影像單元、一內插單元、一雜訊單元、一分解單元、一顯示單元以及一計算單元； 步驟B：利用該超音波探頭發射超音波掃描該病患之肝臟，並接收來自該病患之肝臟的超音波回波； 步驟C：利用該合成影像單元接收該超音波回波，並合成影像之超音波射頻訊號； 步驟D：利用該內插單元接收該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行內插，提升取樣率為原本之至少兩倍； 步驟E：利用該雜訊單元接收進行內插後之該超音波射頻訊號，添加白色雜訊至該超音波射頻訊號，產生被污染之該超音波射頻訊號； 步驟F：利用該分解單元接收被污染之該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行單一次經驗模式分解，輸出數個影像本質模態函數，選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，產生一包封數據； 步驟G：利用該顯示單元接收該包封數據，對該包封數據進行超音波統計參數成像，將該包封數據切割成許多正方形小視窗，將每一小視窗的數據計算統計參數，所計算的每一個局部參數數值放回所對應視窗位置，利用色彩表現出參數影像；以及 步驟H：利用該計算單元係計算被圈選之特定範圍內的參數平均值，用來提供臨床人員以判斷該病患是否患有肝纖維化。
藉由上述之結構及方法，由於脂肪肝或個體差異性造成超音波影像較亮，回波振幅較大的訊號會被分解到第一個本質模態函數，而本發明僅選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，因此可以排除脂肪肝或高回音強度造成超音波影像較亮的影響，有效辨別一病患是否患有肝纖維化。
為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的，兹配合圖式將本發明之較佳實施例詳細說明如下。
請參考圖1所示，本發明之肝纖維化之超音波數據分析系統(1)，係包括一超音波探頭(10)、一合成影像單元(11)、一內插單元(12)、一雜訊單元(13)、一分解單元(14)、一顯示單元(15)及一計算單元(16)。
該超音波探頭(10)係發射超音波掃描該病患之肝臟，並接收來自該病患之肝臟的超音波回波。
該合成影像單元(11)係與該超音波探頭(10)連結，接收該超音波回波，並合成影像之超音波射頻訊號。
該內插單元(12)係與該合成影像單元(11)連接，接收該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行內插，提升取樣率為原本之至少兩倍。
該雜訊單元(13)係與該內插單元(12)連接，接收進行內插後之該超音波射頻訊號，添加白色雜訊至該超音波射頻訊號，產生被污染之該超音波射頻訊號。
該分解單元(14)係與該雜訊單元(13)連接，接收被污染之該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行單一次經驗模式分解，輸出數個影像本質模態函數，選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，產生一包封數據。
其中，脂肪肝或個體差異性會使得超音波影像較亮，回波振幅較大的訊號在該分解單元(14)中，會被分解到第一個本質模態函數，而本發明之該分解單元(14)僅選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，因此本發明可以排除脂肪肝或高回音強度造成超音波影像較亮的影響，有效辨別一病患是否患有肝纖維化。
該顯示單元(15)係與該分解單元(14)連接，接收該包封數據，對該包封數據進行超音波統計參數成像，將該包封數據切割成許多正方形小視窗，將每一小視窗的數據計算統計參數，所計算的每一個局部參數數值放回所對應視窗位置，利用色彩表現出參數影像。
該計算單元(16)係與該顯示單元(15)連接，該計算單元(16)係計算被圈選之特定範圍內的參數平均值，用來提供臨床人員以判斷該病患是否患有肝纖維化。
在本發明之一較佳實施例中，該顯示單元(15)係同時呈現參數影像與傳統灰階影像。
在本發明之另一較佳實施例中，其中該雜訊單元(13)添加白色雜訊至該超音波射頻訊號之白色雜訊量，係以分析區域內超音波射頻訊號振幅的方均根值決定，添加白色雜訊的範圍係為大於0倍該超音波射頻訊號的方均根值，小於等於4倍該超音波射頻訊號的方均根值，在本發明之一實施例中，該雜訊單元(13)添加白色雜訊至該超音波射頻訊號之白色雜訊量，係以分析區域內超音波射頻訊號振幅的方均根值0.05倍決定。
在本發明之又一較佳實施例中，其中該顯示單元(15)中之正方形小視窗側長至少為超音波脈衝長度之1倍，每一視窗彼此重疊率在1%~99%。在本發明之較佳實施例中，每一視窗彼此重疊率為50%。
請參考圖1以及圖2所示，本發明之肝纖維化之超音波數據分析方法(2)，係包括步驟： 步驟200：提供一超音波探頭(10)、一合成影像單元(11)、一內插單元(12)、一雜訊單元(13)、一分解單元(14)、一顯示單元(15)以及一計算單元(16)； 步驟201：利用該超音波探頭(10)發射超音波掃描該病患之肝臟，並接收來自該病患之肝臟的超音波回波； 步驟202：利用該合成影像單元(11)接收該超音波回波，並合成影像之超音波射頻訊號； 步驟203：利用該內插單元(12)接收該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行內插，提升取樣率為原本之至少兩倍； 步驟204：利用該雜訊單元(13)接收進行內插後之該超音波射頻訊號，添加白色雜訊至該超音波射頻訊號，產生被污染之該超音波射頻訊號； 步驟205：利用該分解單元(14)接收被污染之該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行單一次經驗模式分解，輸出數個影像本質模態函數，選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，產生一包封數據； 步驟206：利用該顯示單元(15)接收該包封數據，對該包封數據進行超音波統計參數成像，將該包封數據切割成許多正方形小視窗，將每一小視窗的數據計算統計參數，所計算的每一個局部參數數值放回所對應視窗位置，利用色彩表現出參數影像；以及 步驟207：利用該計算單元(16)係計算被圈選之特定範圍內的參數平均值，用來提供臨床人員以判斷該病患是否患有肝纖維化。
步驟205中，脂肪肝或個體差異性會使得超音波影像較亮，回波訊號振幅較大的訊號在該分解單元(14)中，會被分解到第一個本質模態函數，而本發明之該分解單元(14)僅選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，因此本發明可以排除脂肪肝或高回音強度造成超音波影像較亮的影響，有效辨別一病患是否患有肝纖維化。
在本發明之一較佳實施例中，其中該步驟206中，該顯示單元(15)係同時呈現參數影像與傳統灰階影像，設包封數據為X，則參數計算公式: m=[E(X 2)] 2/E[X 2-E(X 2)] 2。
在本發明之另一較佳實施例中，其中該步驟204中，該雜訊單元(13)添加白色雜訊至該超音波射頻訊號之白色雜訊量，係以分析區域內超音波射頻訊號振幅的方均根值決定，添加白色雜訊的範圍係為大於0倍該超音波射頻訊號的方均根值，小於等於4倍該超音波射頻訊號的方均根值，在本發明之一實施例中，該雜訊單元(13)添加白色雜訊至該超音波射頻訊號之白色雜訊量，係以分析區域內超音波射頻訊號振幅的方均根值0.05倍決定。
在本發明之又一較佳實施例中，其中該步驟206中，該顯示單元(15)中之正方形小視窗側長至少為超音波脈衝長度之1倍，每一視窗彼此重疊率在1%~99%。在本發明之較佳實施例中，每一視窗彼此重疊率為50%。
透過上述之結構及方法，由於脂肪肝或個體差異性會使得超音波影像較亮，回波振幅較大的訊號在本發明之分解單元中，會被分解到第一個本質模態函數，而本發明僅選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，因此可以排除脂肪肝或高回音強度造成超音波影像較亮的影響，有效辨別一病患是否患有肝纖維化。
請參考圖3以及圖4，當統計參數判定值設定在0.66時，接受操作者曲線之曲線面積為0.89，敏感度與特異性分別為80%與87.5%，偵測是否罹患肝纖維化之正確率為81.6%。群組1數據為無纖維化病人，群組2為有纖維化病人(共114例病人)。114例病人數據統計分析，當門檻值設定在0.66時，接受操作者曲線之曲線面積為0.89，偵測正確率為81.6%。
再者，其結構型態並非所屬技術領域中之人士所能輕易思及而達成者，實具有新穎性以及進步性無疑。
透過上述之詳細說明，即可充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，且為目前市面上前所未見之新發明，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述著僅為本發明之較佳實施例而已，當不能用以限定本發明所實施之範圍。即凡依本發明專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
(1)‧‧‧肝纖維化之超音波數據分析系統
(10)‧‧‧超音波探頭
(11)‧‧‧合成影像單元
(12)‧‧‧內插單元
(13)‧‧‧雜訊單元
(14)‧‧‧分解單元
(15)‧‧‧顯示單元
(16)‧‧‧計算單元
(2)‧‧‧肝纖維化之超音波數據分析方法
步驟200~步驟207
圖1係本發明之肝纖維化之超音波數據分析系統之系統架構圖； 圖2係本發明之肝纖維化之超音波數據分析方法之方法流程圖； 圖3係本發明之無纖維化病人與有纖維化病人之箱形圖；以及 圖4係本發明之接收者操作特徵曲線之敏感度與假陽性率的關係圖。

Claims (10)

  1. 一種肝纖維化之超音波數據分析系統，係產生有效訊號數據用於參數分析以提供臨床人員辨別一病患是否患有肝纖維化，該肝纖維化之超音波數據分析系統包括： 一超音波探頭，係發射超音波掃描該病患之肝臟，並接收來自該病患之肝臟的超音波回波； 一合成影像單元，係與該超音波探頭連結，接收該超音波回波，並合成影像之超音波射頻訊號； 一內插單元，係與該合成影像單元連接，接收該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行內插，提升取樣率為原本之至少兩倍； 一雜訊單元，係與該內插單元連接，接收進行內插後之該超音波射頻訊號，添加白色雜訊至該超音波射頻訊號，產生被污染之該超音波射頻訊號； 一分解單元，係與該雜訊單元連接，接收被污染之該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行單一次經驗模式分解，輸出數個影像本質模態函數，選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，產生一包封數據； 一顯示單元，係與該分解單元連接，接收該包封數據，對該包封數據進行超音波統計參數成像，將該包封數據切割成許多正方形小視窗，將每一小視窗的數據計算統計參數，所計算的每一個局部參數數值放回所對應視窗位置，利用色彩表現出參數影像；以及 一計算單元，係與該顯示單元連接，該計算單元係計算被圈選之特定範圍內的參數平均值，用來提供臨床人員以判斷該病患是否患有肝纖維化； 其中，由於脂肪肝或個體差異性會使得超音波影像較亮，回波振幅較大的訊號在該分解單元中，會被分解到第一個本質模態函數，而該分解單元僅選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，因此可以排除脂肪肝或高回音強度造成超音波影像較亮的影響，有效辨別該病患是否患有肝纖維化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之肝纖維化之超音波數據分析系統，其中該顯示單元係同時呈現參數影像與傳統灰階影像，參數計算公式可套用臨床人員所需求的習知方法。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之肝纖維化之超音波數據分析系統，其中該雜訊單元添加白色雜訊至該超音波射頻訊號之白色雜訊量，係以分析區域內超音波射頻訊號振幅的方均根值決定，添加白色雜訊的範圍係為大於0倍該超音波射頻訊號的方均根值，小於等於4倍該超音波射頻訊號的方均根值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之肝纖維化之超音波數據分析系統，其中該顯示單元中之正方形小視窗側長至少為超音波脈衝長度之1倍，每一視窗彼此重疊率在1%~99%。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之肝纖維化之超音波數據分析系統，其中該顯示單元中之正方形小視窗側長至少為超音波脈衝長度之1倍，每一視窗彼此重疊率在1%~99%。
  6. 一種肝纖維化之超音波數據分析方法，係產生有效訊號數據用於參數分析以提供臨床人員辨別一病患是否患有肝纖維化，該肝纖維化之超音波數據分析方法係包括步驟： 步驟A：提供一超音波探頭、一合成影像單元、一內插單元、一雜訊單元、一分解單元、一顯示單元以及一計算單元； 步驟B：利用該超音波探頭發射超音波掃描該病患之肝臟，並接收來自該病患之肝臟的超音波回波； 步驟C：利用該合成影像單元接收該超音波回波，並合成影像之超音波射頻訊號； 步驟D：利用該內插單元接收該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行內插，提升取樣率為原本之至少兩倍； 步驟E：利用該雜訊單元接收進行內插後之該超音波射頻訊號，添加白色雜訊至該超音波射頻訊號，產生被污染之該超音波射頻訊號； 步驟F：利用該分解單元接收被污染之該超音波射頻訊號，對該超音波射頻訊號進行單一次經驗模式分解，輸出數個影像本質模態函數，選取第二個本質模態函數做為所使用的有效訊號並進行包封偵測，產生一包封數據； 步驟G：利用該顯示單元接收該包封數據，對該包封數據進行超音波統計參數成像，將該包封數據切割成許多正方形小視窗，將每一小視窗的數據計算統計參數，所計算的每一個局部參數數值放回所對應視窗位置，利用色彩表現出參數影像；以及 步驟H：利用該計算單元係計算被圈選之特定範圍內的參數平均值，用來提供臨床人員以判斷該病患是否患有肝纖維化。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之肝纖維化之超音波數據分析方法，其中該步驟G中，該顯示單元係同時呈現參數影像與傳統灰階影像，參數計算公式可套用臨床人員所需求的習知方法。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之肝纖維化之超音波數據分析方法，其中該步驟E中，該雜訊單元添加白色雜訊至該超音波射頻訊號之白色雜訊量，係以分析區域內超音波射頻訊號振幅的方均根值決定，添加白色雜訊的範圍係為大於0倍該超音波射頻訊號的方均根值，小於等於4倍該超音波射頻訊號的方均根值。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之肝纖維化之超音波數據分析方法，其中該步驟G中，該顯示單元中之正方形小視窗側長至少為超音波脈衝長度之1倍，每一視窗彼此重疊率在1%~99%。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之肝纖維化之超音波數據分析方法，其中該步驟G中，該顯示單元中之正方形小視窗側長至少為超音波脈衝長度之1倍，每一視窗彼此重疊率在1%~99%。
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