應用於核子醫學之網際網路醫學影像處理系統
學生：翁駿程 指導教授：許靖涵博士
國科會大專學生參與專題研究計劃
計劃編號：89-2815-C-182-005-B
（一）背景資料及目標：
現行雖有眾多網際網路整合多媒體的技術運用於醫療服務之中[1]，例如：視訊運用、遠距醫療、遠距醫學教學等，但是受限核子醫學之相關軟硬體設施，醫師們只能就近將醫學影像資料輸入廠商所提供的影像處理軟體，處理後加以判讀診斷。雖然每家廠商依據其核醫掃描機各自提供功能相似的影像處理軟體，但都只能對所屬的掃描機所掃描的圖像做處理，而且彼此並不相容，造成醫師與技士們必須熟悉各種介面操作。對於同一疾病或同一病人，若是在不同機型或不同地區作掃描，醫生在調集相關影像作比較和診斷，是非常困難。
本計畫目的是將設計出一套單一式整合型的醫學影像處理系統，利用Java程式語言[2] 跨平台的特性，提供適用各種掃描機結合Microsoft Internet Explorer或Netscape Navigator可在網路上處理的醫學影像處理系統，並且能提供視訊到各地，使在遠距地方的醫師也可以進行診斷，已解決醫療資源分配不足問題或兩地醫師們一起解決棘手的病歷。而本計畫實際目標是實現一套應用於核子醫學影像處理系統，在網際網路上提供常用的醫學影像處理功能，達到線上臨床診斷的需要。在醫學影像處理方面提供了濾波反投影（Filtered Back-Projection）的功能[3]，以處理斷層掃描的影像資料；以及基礎的影像處理功能[4]，包括放大、縮小、影像對比增強、去除雜訊、及影像資料分析等功能，輔助醫生作臨床診斷。
（二）研究方法及步驟：
此計畫的研究方向包括下面幾個部分：（a）核子醫學成像原理，包括單光子發射斷層（SPECT, Single Photon Emission Computed Tomography）及正子發射斷層（PET, Positron Emission Tomography）的成像原理[5]；（b）濾波反投影的影像重建法；（c）基礎的影像處理。
SPECT與PET的成像原理上[5]，與X光線CT的橫斷層重建法相似，是利用偵檢器繞著人體從多個角度作直線掃描，掃描時偵檢器將體內放射性核種發出的放射線總合記錄下來，這樣就可以得到一組直線投影數據。每做完一次掃描，偵檢器就旋轉一定的角度，在重複以上程序，直到完成繞人體一周。偵檢器測得的信號經放大再經電腦影像重建出放射密度分佈的三維圖像，所得的影像不是解剖圖像，而是有關生理、生化、病理過程、功能變化的影像。
SPECT是以低能的光子γ發射被準直儀吸收，其靈敏度及解析度都不如PET，其斷層面與身體長軸垂直，偵檢器可用多探頭排列成陣或用γ攝影機探頭。發展最快的是旋轉型γ攝影機，它係將一個到三個γ攝影機裝在一可旋轉的環形鋼架上，軌道有正圓或橢圓形，攝影機繞著人體連續轉動360度，重多角度獲得連續的二維投影數據，重建後可得到斷層面、矢狀面及冠狀面的一系列斷層影像。
PET是利用正子與電子互毀(annihilation)輻射效應，進行互毀符合(coincidence)測定，當核種產生β+衰變時，發出的高速正子在經過一連串減速後，最後與電子發生互毀效應，並產生兩個方向相反、能量為0.511MeV的γ光子，利用兩個位置相對的偵檢器來對互毀所產生的兩個光子進行符合偵測，可得知核種的所在位置。
在濾波反投影是應用於電腦斷層攝影上，用來產生橫切面影像（Sectional Image）[6]。電腦斷層攝影是由待測體的多重角度投影的數據，利用影像重建的原理來計算出待測體內部的結構。反投影是最簡單的影像重建，掃描器由多個方向做了幾個角度的投影之後，在做反投影時，隨著原來的角度，沿著射束的路徑，把該射束的投影數據，等值的加到路徑上的每個像素(pixel)，由結果可看出原來影像的大略模樣，實際上若用更多角度的投影數據，影像品質可以更好。反投影通常只能得到似星狀的影像，不能得到真正的影像，所以濾波反投影是把投影數據先經過濾波的處理，在去做反投影，如此可得到正確的重建影像。影像重建的方法是取得各角度的投影，經過濾波處理後，將其結果用反投影的方法沿著該角度寫到射束的像素上，若把環繞待測體的每個角度都作過，即可得該斷層的截面影像。在儀器擷取投影數據的同時，電腦可以進行濾波反投影的重建運算，當掃描結束時，影像重建也差不多完成了。常用的濾波有藍姆-拉克(RAM-LAK)濾波、謝卜-羅庚(Shepp-Logan)濾波、低通餘弦(low pass cosine)濾波、及通用漢米(Generalized Hamming)濾波。藍姆-拉克濾波與謝卜-羅庚濾波兩者的高頻反應較高，能增加影像的對比；而低通餘弦濾波與通用漢米濾波在高頻反應都很小，是屬於平滑用濾波，適合用於雜訊高的掃描，可以得到較平滑的影像。
在基本的影像處理上，影像的局部放大功能可以使醫師在判讀影像時更清楚的看到病灶所在位置上，影像因病理狀況發生的一些改變；影像縮小功能可以使醫師在看到整體的影像，才知道發生病變位置在人體解剖的相關位置。而核醫藥物不似X光斷層掃描是以身體組織對X光的線性衰減係數來成像，而是依放射活性的分佈來成像，而且在核醫藥物的有效半衰期下，身體的大部分都有接受到輻射劑量，為了避免對身體產生傷害，核醫藥物所利用到的光子不到X光斷層掃描所用到光子數的千分之一，所以因為γ射線太少，容易造成對比太差，影像處理上的影像對比增強功能就是為了改善此一缺點。影像對比增強還可以突顯醫師感興趣的特徵，而減弱不需要的組織，或是對影像降值的原因去補償，使改善後的影像回到原來的影像。
影像處理上的去除雜訊功能是利用濾波去除被吸收光子本身統計上的誤差，或其它干擾因素，使一定的偵檢器計數值之下或之上的數值為零，或呈現不等比例的放大縮小，以達到去除雜訊的目的，當然濾波有許多種，也產生了多種除去不一樣雜訊的效果。
影像的資料分析如ROI（Region of Interest） Analysis是針對醫師感興趣部分的區域影像，計算核醫藥物放射活性的多少，可作總合、平均、變異數、標準差等統計上的計算，而在些數據都具有相當重要的臨床意義，例如人體中放射活性太高的地方代表細胞代謝太快，可能表示有腫瘤產生，而放射活性太低的地方，可能代表此處細胞壞死[7]。
（三）預期結果：
本計畫的預期結果是希望能夠在網路上建構一系列的醫學影像處理系統，支援各種掃描器所傳入的影像，使得核子醫學的影像與資料能在線上作必要的處理及流通，達到單一式整合型的理想，免去醫師或技術師對各種操作介面認識的困擾，並克服醫療影像診斷方面受限於空間及時間方面的因素。現在許多大型醫院也在走無紙化PACS的特色，所以將來還可以繼續發展成研究影像資料庫，包含影像的擷取、傳輸、儲存、顯示、輸出、整合，可以免去影像借閱手續，避免遺失，佔有較小的保存空間，減少醫療資源浪費，有益環保，最重要的是醫師可以遠距會診，避免延誤病情，縮短平均住院天數，提高醫療整體效益，而影像資料庫還可供教學及研究之用，雖然本計畫不會達到如此龐大之規模，但總是跨出了第一步，為未來留下更大的發展空間。
1. 楊豐瑞、吳傳華、爾大衛，多媒體網路通訊，松岡電腦圖書資料股份有限公司，1998。
2. Campion Walrath, “The Java Tutorial”, Addison Wesley, 1998.
3. 莊克士，醫學影像物理學，合計圖書出版社，1998。
4. Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods, Digital Image Processing, Addison-Wesley Publishing Company, 1992.
5. James A. Sorenson and Michael E. Phelps, “Physics in Nuclear Medicine”, 2nd Ed., Saunders, 1987.
6. G. T. Herman. “Image Reconstruction from Projections-The Fundamentals of Computerized Tomography”, Academic Press, 1980.
7. David J. Dowsett, Patrick A. Kenny, and R. Eugene Johnson, “The Physics of Diagnostic Imaging”, Chapman & Hall, 1998