東海大學資訊工程學系畢業專題成果

東 海 大 學 資 訊 工 程 學 系畢 業 專 題 成 果三 維 都 卜 勒 超 音 波 影 像 乳 房 腫 瘤 血 管 骨 架 擷 取Vascular skeleton extraction for breast tumor in 3Dhigh-definition flow Doppler sonography專 題 實 驗 報 告 書指 導 老 師 : 黃 育 仁 教 授組員 : 963854 蔡 采 祐963935 蔡 汶 津963850 張 壬 姍中 華 民 國 99 年 12 月 13 日- 0 -

目 錄一 、 摘 要 …………………………………………………………………………………3二 、 前 言 與 文 獻 回 顧 ……………………………………………………………………32.1 研 究 背 景 ……………………………………………………....…….…...........32.2 研 究 目 的 …………………………………………………………….….……..4三 、 影 像 處 理 流 程 說 明 ……………………………………………………....................43.1 程 式 流 程 …………………………………………………………….…….......43.2 三 維 血 管 截 取 …………………………………….………………….………..53.2.1 影 像 前 處 理 ........…………………………………………………..….....53.2.2 建 立 三 維 矩 陣 ……………………………………………….…………..53.2.3 形 態 學 處 理 ………………………………………………….…………..53.2.4 細 線 化 ………………………………………………………….………..63.2.5 標 示 血 流 訊 號 ………………………………………………….………..73.2.6 影 像 後 處 理 …………………………………………………….………..73.3 實 作 …………………………………………………….………………….......7四 、 專 題 成 果 ………………………………………………………………….…….......8五 、 結 論 ...…………………………………………………………………....…….…..9六 、 參 考 文 獻 ...………………………………………………………………………...10- 1 -

圖 表 目 錄圖 1、B-mode 超 音 波 影 像 與 三 維 高 解 析 血 流 都 卜 勒 影 像 對 照 實 例 ...................... 4圖 2、 程 式 流 程 圖 ........................................................................................................ 5圖 3、 血 流 訊 號 影 像 前 處 理 ........................................................................................ 5圖 4、 前 處 理 完 整 理 成 三 維 影 像 .............................................................................. ..5圖 5、 三 維 血 流 訊 號 影 像 平 滑 化 ………………………………………………………6圖 6、 三 維 血 流 訊 號 影 像 型 態 學 處 理 …...…………………………………………….6圖 7、 以 P 為 中 心 的 3×3 矩 陣 ..………………………………….……………………7圖 8、 遮 罩 示 意 圖 ..……………..………………………………….…………………..7圖 9、 細 線 化 演 算 法 ……………………………………………….…………………..7圖 10、 標 示 血 流 訊 號 後 的 三 維 血 管 圖 ………………………………………………...7圖 11、 實 作 階 段 影 像 ……………………………………………….…………………..8圖 12、Case N9-1 血 管 擷 取 成 果 ………………………………………………….…….9圖 13、Case N9-2 血 管 擷 取 成 果 …………..……………………………………………9圖 14、Case N9-3 血 管 擷 取 成 果 …………..……………………………………………9圖 15、Case N9-4 血 管 擷 取 成 果 …………..……………………………………………9圖 16、Case N9-5 血 管 擷 取 成 果 …………..……………………………………………9圖 17、Case N9-6 血 管 擷 取 成 果 ………….…………………………………………….9- 2 -

一 、 摘 要根 據 行 政 院 衛 生 署 98 年 死 因 統 計表 , 惡 性 腫 瘤 占 39,917 人 , 為 死 因 統 計之 首 , 其 中 乳 癌 對 婦 女 威 脅 甚 遽 , 是 女性 癌 症 發 生 率 的 第 一 名 、 死 亡 人 數 達1,588 人 , 為 女 性 死 亡 率 第 四 。 乳 癌 的 年齡 發 生 和 死 亡 中 位 數 分 別 51 和 56 歲 , 較其 他 癌 症 為 早 。 早 期 發 現 , 早 期 治 療 ,提 高 治 癒 的 機 會 , 使 乳 癌 的 致 死 率 下降 。 近 年 來 由 於 醫 學 進 步 , 經 由 適 當 的治 療 , 乳 癌 的 十 年 存 活 率 平 均 達 百 分 之六 十 , 第 一 期 乳 癌 的 存 活 率 則 高 達 百 分之 八 十 以 上 , 零 期 乳 癌 甚 至 接 近 百 分 之百 。 因 此 , 針 對 乳 癌 防 治 而 言 , 乳 房 三維 立 體 超 音 波 結 合 能 量 都 卜 勒 訊 號 的電 腦 輔 助 診 斷 技 術 將 更 形 重 要 。 藉 由 高解 析 血 流 (high-definition flow, HDF) 都卜 勒 超 音 波 成 像 , 偵 測 超 音 波 向 位 角 顯示 血 流 訊 號 , 把 血 管 骨 架 找 出 來 , 從 血流 訊 號 找 出 腫 瘤 特 性 , 及 血 管 與 腫 瘤 之間 的 關 係 , 觀 察 個 案 中 血 管 的 變 化 來 判別 藥 物 對 腫 瘤 的 效 用 以 評 斷 是 否 做 前置 性 化 療 。 本 專 題 探 測 原 始 HDF 都 卜 勒超 音 波 影 像 , 從 超 音 波 影 像 中 將 血 流 訊號 分 離 出 來 , 建 構 成 三 維 資 料 , 並 對 雜訊 做 處 理 , 找 出 隱 藏 在 超 音 波 影 像 中 的重 要 血 流 訊 號 , 顯 示 血 管 骨 架 及 中 心 線做 三 維 (3D) 的 線 性 化 , 並 標 示 血 流 訊號 。 藉 由 惡 性 腫 瘤 的 案 例 觀 察 血 管 的 變化 , 做 為 醫 學 評 斷 的 依 據 。二 、 前 言 與 文 獻 回 顧2.1 研 究 背 景腫 瘤 在 成 長 時 吸 引 周 圍 血 管 的 新生 , 有 些 化 療 的 藥 物 會 破 壞 血 管 , 讓腫 瘤 沒 得 吸 收 養 分 , 避 免 擴 大 甚 至 縮小 , 因 此 血 管 新 生 在 輔 助 評 估 腫 瘤 生長 與 移 轉 是 一 項 重 要 指 標 。 事 實 上 ,血 管 新 生 不 只 是 一 般 生 理 變 化 , 例 如成 長 、 傷 口 癒 合 所 必 需 , 在 形 成 癌 症時 也 是 有 非 常 緊 密 關 聯 的 重 要 因 素[1]。 當 腫 瘤 剛 形 成 的 時 後 , 癌 細 胞 本身 , 或 周 圍 的 結 締 組 織 , 會 分 泌 許 多促 使 血 管 新 生 的 物 質 (angiogenicsubstances)。 腫 瘤 引 致 的 新 生 血 管 常常 是 很 不 規 則 的 。 它 們 的 管 徑 大 小 不一 , 角 度 任 意 彎 曲 , 形 成 動 靜 脈 分 流(arterio-venous shunts)。 血 管 新 生 對 腫瘤 的 生 長 非 常 重 要 。 當 腫 瘤 只 有 2-3mm 大 小 時 , 它 可 依 靠 滲 透 作 用(diffusion) 自 外 界 取 得 養 份 。 血 管 新 生與 腫 瘤 的 轉 移 也 有 密 切 的 關 係 , 腫 瘤細 胞 必 需 先 生 成 新 的 血 管 , 才 能 進 入循 環 系 統 , 轉 移 至 其 他 器 官 , 這 時 血管 新 生 療 法 則 是 一 種 抑 制 腫 瘤 生 長 的方 法 。 血 管 新 生 療 法 是 指 使 用 某 些 化合 物 , 去 抑 制 或 是 引 起 新 的 血 管 生長 , 以 達 到 控 制 某 些 疾 病 的 療 法 [2]。抗 血 管 新 生 療 法 針 對 癌 症 如 此 受 到 矚目 的 因 素 在 於 , 佛 克 曼 醫 師 (JudahFolkman, 1933/02/24-2008/01/14) 在 七零 年 代 提 出 一 個 理 論 , 即 腫 瘤 會 吸 引宿 主 的 血 管 , 促 使 附 近 的 微 血 管 生 長並 為 腫 瘤 提 供 氧 氣 、 養 分 , 並 排 出 腫瘤 所 生 產 出 的 廢 物 。 自 佛 克 曼 醫 師後 , 越 來 越 多 的 科 學 家 去 證 實 或 是 發展 其 理 論 , 企 圖 尋 找 出 能 控 制 血 管 新生 的 藥 物 , 進 而 控 制 腫 瘤 的 生 長 ( 目前 上 市 的 藥 物 有 Avastin、Cetuximab等 )[3]。- 3 -

2.2 研 究 目 的近 年 來 , 快 速 發 展 的 電 腦 科 技 , 在數 位 技 術 的 配 合 下 進 行 快 速 運 算 , 三 維(3D) 立 體 超 音 波 已 成 為 一 個 成 熟 的 影像 科 技 。 除 了 灰 階 (B-mode) 的 三 維 影 像外 , 超 音 波 的 進 展 也 有 了 突 破 , 超 音 波的 進 展 不 僅 由 彩 色 都 卜 勒 (colorDoppler ultrasound, CDU) 進 展 到 能 量 都卜 勒 (power Doppler ultrasound, PDU) 與高 解 析 血 流 (high-definition flow, HDF)都 卜 勒 成 像 [4-6]。 一 般 都 卜 勒 訊 號 是 超音 波 B-mode 影 像 , 用 於 偵 測 腫 瘤 位 置 ,本 專 題 將 使 用 HDF 都 卜 勒 成 像 偵 測 超音 波 向 位 角 顯 示 血 流 訊 號 , 藉 由 血 流 訊號 找 出 腫 瘤 特 性 及 血 管 與 腫 瘤 之 間 的關 係 ( 圖 1)。由 於 惡 性 腫 瘤 較 易 形 成 新 生 血 管的 理 論 受 到 高 度 重 視 , 因 此 藉 由 血 流 與血 管 分 布 的 特 性 評 估 腫 瘤 為 良 性 或 惡性 , 使 得 在 分 辨 腫 瘤 的 良 惡 性 時 , 有 更豐 富 的 資 訊 作 為 診 斷 憑 藉 , 觀 察 複 雜 的血 管 結 構 , 以 評 估 腫 瘤 內 的 新 生 血 管 及供 應 血 量 , 是 否 做 新 生 血 管 的 前 置 性 化療 , 有 些 在 做 前 置 性 化 療 的 時 候 腫 瘤 會漸 漸 變 小 , 做 切 割 手 術 及 術 後 乳 房 重 建的 傷 害 也 跟 著 降 低 , 如 果 效 用 不 大 則 直接 採 用 手 術 的 方 式 節 省 療 程 時 間 , 在 開刀 時 減 少 病 人 傷 害 。三 、 作 業 流 程 說 明3.1 程 式 流 程本 專 題 設 計 的 三 維 血 管 血 流 擷取 , 包 括 影 像 前 處 理 、 型 態 學 處 理 、飆 是 血 流 訊 號 、 影 像 後 處 理 等 步 驟 ,如 圖 2 所 示 。(a)(b)(b)(d)(e)(f)圖 1、B-mode 超 音 波 影 像 與 三 維 高 解 析血 流 都 卜 勒 影 像 對 照 實 例 : (a)- (b) 腫瘤 出 現 切 面 ; (c)-(d) 最 大 切 面 ; (e)-(f)結 束 切 面 , 其 中 方 框 為 腫 瘤 所 在 之 位置 。- 4 -

(b)(c)(d)圖 3、 血 流 訊 號 影 像 前 處 理 :(a) 原 始超 音 波 HDF 影 像 ;(b) 灰 階 影 像 ;(c)為 二 值 化 影 像 ;(d)3×3 均 值 濾 波 結 果圖 2、 程 式 流 程 圖3.2 三 維 血 管 擷 取3.2.1 影 像 前 處 理欲 觀 察 立 體 血 管 結 構 , 首 先 我 們讀 取 多 張 二 維 的 影 像 , 建 構 成 三 維 資訊 , 並 針 對 每 張 影 像 進 行 雜 訊 去 除 的動 作 。 首 先 將 影 像 轉 為 灰 階 與 影 像 二值 化 , 最 後 使 用 均 值 濾 波 , 找 出 適 合的 門 檻 值 ( 圖 3)。3.2.2 建 立 三 維 矩 陣三 維 (3D) 影 像 是 以 三 維 矩 陣 建 立的 方 式 建 立 起 來 的 。 在 每 張 影 像 處 理完 時 , 把 它 放 入 三 維 矩 陣 的 Z 軸 ,X軸 和 Y 軸 的 部 份 則 和 2D 相 同 , 將 2D的 影 像 處 理 完 構 成 3D 血 管 影 像 ( 圖4)。圖 4、 前 處 理 完 結 合 成 三 維 影 像(a)3.2.3 形 態 學 處 理構 成 三 維 矩 陣 之 後 , 我 們 使 用 影像 處 理 型 態 學 的 函 式 , 讓 影 像 中 血 管的 形 狀 平 滑 一 點 , 其 中 Gaussian 濾 波的 效 果 最 好 ( 圖 5)。- 5 -

(a)(b)(b)圖 5、 三 維 血 流 訊 號 影 像 平 滑 化 :(a)BOX 濾 波 結 果 ;(b) Gaussian 濾 波 結果接 著 使 用 Erode、Dilate、Closing等 函 式 修 復 影 像 ( 圖 6), 以 顯 示 3D 血管 骨 架 。(c)圖 6、 三 維 血 流 訊 號 影 像 型 態 學 處理 :(a)Erode 處 理 過 後 的 影 像 ;(b) 為Dilate 處 理 過 後 的 影 像 ;(c) 為 Closing處 理 過 後 的 影 像(a)3.2.4 細 線 化細 線 化 的 演 算 法 部 分 我 們 採用 ”A 3D 6-subiteration thinningalgorithm for extracting medial lines”這 篇 論 文 的 方 法 。 依 序 讀 取 矩 陣 內 的每 個 點 , 以 圖 7 中 點 p 為 例 , 以 點 p為 中 心 的 3×3 矩 陣 , 各 從 六 個 不 同 的方 向 取 出 其 26 相 鄰 的 點 [7]。 再 把 取出 的 每 個 矩 陣 逐 一 對 圖 8 六 個 遮 罩 進行 比 對 , 只 要 有 任 一 矩 陣 和 任 一 遮 罩相 符 , 表 示 點 p 可 以 被 刪 除 。- 6 -

圖 9、 細 線 化 演 算 法圖 7、 以 p 為 中 心 的 3×3 矩 陣 : 以 點p 為 中 心 W、E、N、S、U、D 為 相對 p 點 個 各 個 方 向3.2.5 標 示 血 流 訊 號在 讀 取 影 像 時 複 製 原 本 的 訊 號 存一 份 資 料 , 在 把 細 線 化 後 的 影 像 點 位置 比 對 原 始 訊 號 位 置 的 顏 色 標 示 , 賦予 血 流 的 方 向 性 。 細 線 化 完 成 之 後 ,再 和 HDF 都 卜 勒 影 像 比 對 , 使 用 顏 色來 表 示 血 流 方 向 ( 紅 色 與 藍 色 ), 其 中若 有 原 本 不 存 在 的 血 管 , 而 最 後 完 成卻 有 出 現 的 部 份 , 使 用 另 外 一 種 顏 色( 綠 色 ) 顯 示 , 表 示 這 是 因 程 序 處 理 而產 生 的 血 管 。圖 8、 遮 罩 示 意 圖 : 對 六 個 遮 罩 進 行比 對 “1” 為 黑 點 “0” 為 白 點 “.” 為don’t care 的 點對 矩 陣 內 所 有 的 點 作 完 處 理 後 ,如 果 該 次 處 理 過 程 有 刪 除 一 個 點 以上 , 則 還 要 再 次 重 複 同 樣 步 驟 , 直 到沒 有 點 被 刪 除 為 止 , 即 為 細 線 化 最 後結 果 , 圖 9 為 細 線 化 演 算 法 。圖 10、 標 示 血 流 訊 號 後 的 三 維 血 管 影像3.2.6 影 像 後 處 理將 標 示 血 流 訊 號 後 的 三 維 血 管 骨架 做 平 滑 化 、 刪 除 細 小 血 管 及 修 復 工作 , 使 血 管 骨 架 能 有 較 正 確 的 形 狀 。3.3 實 作以 case N1-9 實 作 各 個 階 段 如 圖11 所 示 。- 7 -

(d)(a)(e)圖 11、 實 作 階 段 影 像 :(a) 前 處 理 以 及建 立 三 維 矩 陣 ;(b) 形 態 學 處 理 ;(c)細 線 化 ;(d) 標 示 血 流 訊 號 ;(e) 後 處 理四 、 專 題 結 果(b)藉 由 實 驗 成 果 可 發 現 , 血 管 複 雜度 與 數 量 在 不 同 期 別 有 明 顯 的 改 善 ,此 例 顯 示 前 置 性 化 療 是 有 效 果 的 , 持續 下 去 可 望 不 用 開 刀 便 痊 癒 。 圖 12到 圖 17 為 一 病 例 做 前 置 性 化 療 後 的不 同 期 別 血 管 變 化 。(c)圖 11、 實 作 階 段 影 像 ( 接 下 頁 )- 8 -

圖 15、N9-4 血 管 擷 取 成 果圖 12、N9-1 血 管 擷 取 成 果圖 16、N9-5 血 管 擷 取 成 果圖 13、N9-2 血 管 擷 取 成 果圖 17、N9-6 血 管 擷 取 成 果五 、 結 論圖 14、N9-3 血 管 擷 取 成 果新 生 血 管 在 前 置 性 化 療 上 佔 了 很重 要 的 角 色 。 在 本 專 題 中 , 我 們 使 用matlab 程 式 語 言 處 理 都 卜 勒 超 音 波 血 流訊 號 的 影 像 , 將 血 流 訊 號 建 構 成 三 維 的矩 陣 資 料 並 進 行 二 值 化 後 擷 取 血 管 之中 心 線 與 骨 架 , 結 合 多 項 影 像 處 理 的 技術 並 標 示 血 流 訊 號 重 現 腫 瘤 附 近 血 管的 生 成 。 我 們 期 許 在 實 作 階 段 分 類 並 找出 更 多 的 血 管 特 徵 與 腫 瘤 位 置 進 行 比對 , 增 進 評 估 資 料 的 精 確 度 。 找 出 血 管骨 架 與 血 管 特 性 , 使 腫 瘤 血 管 量 化 以 得到 客 觀 的 血 流 訊 息 , 藉 由 觀 察 血 管 型 態特 徵 與 乳 房 腫 瘤 的 關 聯 性 , 提 供 臨 床 醫生 們 檢 驗 時 參 考 , 評 估 前 置 性 化 療 的 成- 9 -

效 與 輔 助 腫 瘤 良 惡 性 的 診 斷 與 日 後 可再 進 一 步 研 究 的 文 獻 。六 、 參 考 文 獻[1] A.A. Qutub, F.M. Gabhann, E.D.Karagiannis, P. Vempati and A.S. Popel,"Multiscale models of angiogenesis,"IEEE Engineering in Medicine andBiology Magazine, 28(2): 14-31, Mar.2009.459-464, Oct. 2002.[7] K. Palagyi and A. Kuba, "A 3D6-subiteration thinning algorithm forextracting medial lines," PatternRecognition Letters, 19(7): 613-627,May 1998.[2] J. Folkman, “ Angiogenesis,” AnnuRev Med., 57:1-18, 2006.[3] F. Hillen and A.W. Griffioen,“Tumour vascularization: sproutingangiogenesis and beyond,” CancerMetastasis Rev. 26(3-4):489-502, Dec.2007.[4] I.A. Wright, N.D. Pugh, K. Lyons,D.J. Webster and R.E. Mansel, "PowerDoppler in breast tumours: a comparisonwith conventional colour Dopplerimaging," European Journal ofUltrasound, 7(3): 175-181, Aug. 1998.[5] C.M. Sehgal, P.H. Arger and S.E.Rowling, "Quantitative vascularity ofbreast masses by Doppler imaging:regional variations and diagnosticimplications," Journal of Ultrasound inMedicine, 19(7): 427-440, 2000.[6] S.W. Lee, H.Y. Choi, S.Y. Baek andS.M. Lim, "Role of color and powerdoppler imaging in differentiatingbetween malignant and benign solidbreast masses," J. Clin. Ultrasound, 30(8):- 10 -