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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 創新之鑰 Innovation

腫瘤硬塊的剋星 4D超音波影像重建技術

文/王秀芳 攝/鄒福生

近年來,許多準媽媽透過4D立體超音波的診斷,
可清楚看到腹中胎兒的影像,
此舉已是醫療診斷科技的一大進步。
工研院電光所的4D超音波影像重建技術,
更是提高影像的精確度,
未來再小的腫瘤也無法逃過它的偵測,
將是醫療診斷的另一大利器。

隨 著醫療科技的進步,醫師在診斷疾病時可更加快速、準確,病人也可減少接受侵入性檢查的風險,縮短等待檢驗結果的時間。眾多醫療儀器中,一般民眾最常見的就是「超音波」,雖然因所檢查的身體部位不同,而有不同名稱,如腹部超音波、心臟超音波……,但是它們的共同點是:以2D平面顯現影像。

從2D進步到3D的立體超音波,大約於1980年代早期,而近年來,更有4D立體超音波加入醫療行列,但是目前3D與4D的超音波大多以產前檢查的應用為大宗。前些年,4D立體超音波剛問世時,因為在醫學診斷的精確度上,仍無法超越2D超音波,被部分人士批評為「胎兒紀念照」,娛樂父母的功能大於醫學診斷。



讓疾病與腫瘤無所遁形

正因為4D立體超音波發展的這段小插曲,工研院電子與光電研究所邏輯技術部3D影像系統組研發副組長吳國瑞介紹其部門研發的「4D超音波影像重建技術」(4D Vessel Image Reconstruction System)時,第一句話便說:「我們的4D超音波最大的特點就是,準確度很高!」

4D影像重建技術
4D影像重建技術

他說明4D影像重建技術的幾項特點,包括目前的3D超音波為類比影像,4D超音波影像則為數位影像,具有優越的解析度,可以判讀血管的體積以及收縮比例、計算腫瘤大小以及是否移轉、辨識血流特性等,是一種不需要施打顯影劑、非侵入性的診斷工具。這套系統的設計架構與MIT(麻省理工學院)是相同的,3D與之相較,兩者根本是天差地別。

應用於攝影胎兒的4D立體超音波,具有動態影像是最大特色,而電光所的4D超音波影像重建技術,則強調不同時間下3D空間的重建,提高影像的準確度。針對此點,吳國瑞表示,因為人體在照攝超音波的同時,體內的血管是不斷流動的,「雖然我們的超音波每秒可拍攝25組的3D影像,但是在同一個時間點,只能擷取一個截面,而腫瘤會因血管的收縮而有大小的變化,所以在影像擷取時,低估的情形常會發生。為了校正此種情況,我們採用心電圖(Electrocardiogram;ECG)做為修正的依據。」

4D超音波影像為數位影像,原始影像經過處理與重建後,更具優越的解析度。
4D超音波影像為數位影像,原始影像經過處理與重建後,更具優越的解析度。

「以心電圖的時間軸做為依據,來記錄不同時間的血管影像,而每次影像分析之前,會根據彼此的前後相似性,做位置的偏移調整,取得正確的連續時間的血管影像,並加以計算。」吳國瑞進一步解釋如何利用心電圖校正3D影像。

除了精確度高之外,4D超音波影像重建技術還有一項特點:超音波探頭是由馬達所控制的,而非一般常見的徒手操作(freehand),探頭每2秒鐘移動一次,每次移動0.1公分,每次拍攝50至60張影像。一同研發此技術的專案副理黃健興補充說,「捨棄freehand,就是為了避免攝影的距離有差異性,無法掌握精確度!」

為跨領域下足苦功夫

4D超音波影像重建技術為了達到以秒為單位取得影像、快速儲存、比對、判讀,最終是將這些技術整合,化為一套系統架構,這需要許多跨領域人才的通力合作。吳國瑞說,這個研究計畫含括了軟體、影像、伺服控制、馬達控制、醫學、機構等不同領域的研究人員,然後由他負責整合與溝通協調。吳國瑞服務於工研院已經有23年,具10年的伺服器設計經驗、10年的影像處理經驗,研究所讀的是機械,博士時專攻影像處理,專長就是系統整合與跨領域的研究,是此重要角色的不二人選。

利用心電圖來校正3D影像能將心臟及血管收縮的因素考量進去讓影像分析更正確
利用心電圖來校正3D影像能將心臟及血管收縮的因素考量進去讓影像分析更正確

研發4D超音波影像重建技術之前,研發團隊的研究領域,主要在於消費性電子的高畫質影像,自2008年才開始跨入生醫電子的研發。談起為何投入醫療器材的領域,吳國瑞表示,主要是所裡的政策朝向生醫方向發展,「之所以選擇以4D超音波影像重建技術為試金石,是希望以我們原有的專長——影像處理為基礎,可以將此技術發揚光大,也較容易切入。」

但他也坦承,雖然影像技術是該團隊的專長,但畢竟大家都不是學醫學的,投入醫療器材領域,還是需要多下一點「苦功夫」。因此團隊中加入了一位生醫人才,補足這方面知識的不足。黃健興說,為了快速彌補醫學知識上的差距,不懂之處就請教有生醫專長的同事,自己也多方閱讀各種論文報告,但是時間是不等人的,研究計畫為時一年,一年之後就要有既定的產出,緊跟在後的壓力不可謂之不大!

慢火燉煮對上速食麵

比較醫療器材與消費性電子兩者之間的差異性,「如果說消費性電子是速食麵,醫療器材就要講究慢火燉煮!」吳國瑞笑著說。他環顧了充滿各式影音產品的會議室,「這個會議室中的產品,都是我們團隊做的,也都技轉給廠商了,消費性電子從研發到量產,它的市場推廣比較容易達成;而醫療器材則要投入較長的時間,通常要花5到10年的時間,才有可能在市面銷售,若要經過美國的FDA(美國食品與藥物管理局)認證,所需的時間又更長。但是醫療器材所創造的價值極大,毛利率是以百倍估算;而消費性電子則是在3%至5%的低毛利率中鑽營!」

消費性電子產品
消費性電子產品

黃健興認為,兩者的產業特性不同,其實是無法做比較的。以研發執行者的角度來看,他覺得,消費性電子的產品循環很快,產品很快就fade out,研發人員要不斷的學習新東西;而醫療器材有許多醫學專有的術語要去了解,因為自己投入這個領域的時間不長,如何快速建立自己在醫學專業的know-how,是目前最迫切需要的。

4D超音波影像重建技術是為期一年的研發計畫,先期的研發腳步已告一段落,但吳國瑞說,後面推廣的腳步才要開始,接下來的任務是尋求醫學院的合作,希望可以找到腫瘤科或心臟血管科的教授加入研究,讓診斷方面的知識注入計畫中。

下一步:彈性量測、尋求合作

將對象鎖定醫學院而非一般醫院,考量的因素在於,一般醫院是以臨床診斷為主,直接切入並不容易;醫學院則是研究單位,可以協助做更深入的研發,並建立技術的公信力。中國醫藥學院、中山醫學院以及長庚醫學院,都是吳國瑞未來洽談合作的對象,另外也會試著接觸國外的知名醫學院。

以機器的量測替代人為的判斷,是4D超音波影像重建技術的一大特色,有了精確的資訊做依據,醫學診斷功能大大提升。
以機器的量測替代人為的判斷,是4D超音波影像重建技術的一大特色,有了精確的資訊做依據,醫學診斷功能大大提升。

2008年是吳國瑞帶領的3D影像系統研發團隊踏入醫材的開端,從此研發列車不停歇。吳國瑞說,在醫材領域,以基礎相同的研發技術,可以延伸出許多研究主題,「這些主題,可是10年都做不完呢!」

2009年,3D影像系統組研發列車的目的地,是駛向「彈性影像量測」的方向。吳國瑞說,此研發計畫仍然是以4D超音波影像為基礎,量測的標的物則為人體組織,目前市面上尚未出現此類的產品。

黃健興指出,利用超音波打入人體組織時產生的深阻抗,量測彈性係數,當組織有硬塊時,彈性係數是異於正常組織的。量測、計算其彈性係數,就可以診斷是否有腫瘤或是硬塊產生。這個技術的設計概念,是來自於手動人為觸診,例如以手指觸摸乳房,檢查是否有硬塊產生,但是以機器替代人手,又可以除去人為判斷的差異性,準確度更高。吳國瑞說,這個計畫是屬於硬度分析,也可以應用於肝臟纖維化的量測,「我們的研發,是針對異常組織的量測為目標,企圖尋找出一種具有普遍性的診斷解決方案,不會受限應用在哪個科別。」

踏入醫材的研發一年多,吳國瑞認為,台灣具有發展醫材產業的實力,例如研發團隊所用的超音波探頭,購自美國大廠Terason,但其中的晶片,卻是台灣的台積電所製造;「只是台灣的產業模式長期為消費性電子所主導,講求快速收穫,而醫療器材產業需要時間與資金的長期投入,這點也是我們研發團隊所擔心的,甚至比技術的問題,更難以克服!」他語重心長的說,未來4D超音波影像重建技術能否有突破性的進展,這是一大關鍵。

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