超音波 Nakagami 影像

醫放系 崔博翔 助理教授

　　超音波 Nakagami 影像是一種可評估組織內部散射子排列情形的功能性超音波影像。當超音波入射波長遠大於組織內部散射子的直徑時，會發生超音波的散射現象，而逆散射訊號會在 B-mode 影像中出現隨機明暗斑紋狀的亮點，這就是所謂的斑紋 ( speckle )。斑紋的存在模糊了細微構造的影像，降低了超音波影像的對比度與解析度。因此，一般臨床超音波診斷機，可允許使用者調整影像的顯示條件，並提供影像處理技術的選擇以降低斑紋的存在。雖然，此舉有利臨床使用觀察，但是將斑紋濾除或平滑化，所延伸出的另一個問題是，微結構的生理與病理資訊有可能因此而喪失。這也就是為何傳統灰階影像僅能定性顯示組織結構，而較難反映組織特性的原因。

　　為了在不改變現有臨床超音波診斷機的系統設計架構下，就能從灰階影像資料中，獲得更多有利臨床診斷的訊息，善加分析脈衝回波系統架構下所產生的超音波逆散射訊號，有機會可以讓我們獲得射散子性質細微變化的線索，如此將有利於病變組織的早期偵測，以輔助臨床超音波掃描儀作更精確的疾病診斷。一般而言，超音波逆散射訊號，可視為一個隨機產生的訊號，因此，分析逆散射訊號的機率分佈模式，應可歸納出訊號機率與組織特性之間的對應性與規則性。

　　早期就有學者開始嘗試研究逆散射訊號機率特性與組織特性之間的關係。研究的切入點，是利用數學上已發展出的統計模型，來描述逆散射訊號振幅的統計分佈。早期的研究證實，若超音波探頭解析體中存在大量且隨機分佈的散射子，則回波訊號包絡 ( envelope ) 的統計分佈將會遵循雷利分佈函數 ( Rayleigh distribution function )，此時所導致的影像斑紋我們稱作完全發展斑紋 ( fully developed speckle )。但考量到人體組織構造的多樣性，不同組織的散射子分佈並不一定符合完全發展的條件。若解析體內存在少量散射子或少數強散射子，則逆散射統計將變成前雷利 ( pre-Rayleigh ) 分佈。若解析體中除了大量隨機分佈散射子，還包括週期性散射子或局部高濃度散射子聚集，則逆散射統計將變成後雷利 ( post-Rayleigh ) 分佈。因此，許多學者便開始發展非雷利 ( non-Rayleigh ) 統計模型來描述逆散射統計以對應解析體內散射子分佈之實際狀態。

　　在 2000 年時 Shanker 教授提出以 Nakagami 統計模型的 Nakagami 參數〈即 m 參數〉來分析超音波逆散射訊號。m 參數是由超音波逆散射包絡訊號計算獲得，Shankar 教授證明，當 m < 1 時，代表逆散射統計為前雷利分佈；當 m = 1 時代表逆散射統計剛好為雷利分佈； 當 m > 1 時代表逆散射統計屬於後雷利分佈的特性。因此，Nakagami 參數可以反映所有超音波逆散射統計分佈的情形，藉此推論組織中散射子濃度或排列的特性。在這樣的情況下，Nakagami 分佈被視為超音波逆散射統計的廣義模型。

　　為了更進一步以影像視覺化的方式來使用 Nakagami 參數同時定量許多局部區域組織特性，本人提出了一項影像演算法，將成像區域切割成許多小區域，利用每個局部小區域的 Nakagami 參數來成像，便是 Nakagami 影像的概念。有別於傳統超音波灰階影像，Nakagami 影像是根據來自生物組織的超音波原始射頻訊號之統計分佈〈即 Nakagami 參數〉來成像。此種新成像概念，不僅讓 Nakagami 影像較不會受到系統設定或參數影響而改變，更重要的是， Nakagami 參數本身所帶有的生理與物理意義，可讓臨床醫師等使用人員得悉組織內部散射子的排列、微觀結構分佈，以及濃度等傳統灰階影像所無法提供的訊息。

　　未來的研究，將進一步發展超音波組織濃度影像的相關量測裝置與進階演算技術，以及實際應用於臨床診斷。