Nghiên ứu hệ thống ộng hưởng từ hứ năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Ngô Quang Tuấn NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CỘNG HƯỞNG TỪ CHỨC NĂNG Chuyên ngành : Kỹ thuật Y sinh LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Vũ Tuấn Lâm PGS.TS Nguyễn Đức Thuận Hà Nội – Năm 2011 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205278661000000 MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt T 23 T 23 Danh mục bảng T 23 T 23 Danh mục hình vẽ, đồ thị T 23 T 23 Lời nói đầu T 23 T 23 Chương I: Giới thiệu chung 13 T 23 T 23 1.1 Giới thiệu chung fMRI 13 T 23 T 23 2.2 Ứng dụng fMRI 19 T 23 T 23 2.3 Ưu nhược điểm 19 T 23 T 23 Chương Nguyên lý tạo hình cộng hưởng từ 21 T 23 T 23 2.1 Nguyên lý tạo hình 21 T 23 T 23 2.2 Thu nhận xử lý tí n hiệu 33 T 23 T 23 Chương III: Cấu trúc hệ thống cộng hưởng từ 37 T 23 T 23 3.1 Nam châm 37 T 23 T 23 3.2 Gradient 38 T 23 T 23 3.3 Cuộn thu phát tín hiệu RF 40 T 23 T 23 3.4 Hệ thống tạo tín hiệu kích thích cho bệnh nhân 42 T 23 T 23 3.5 Hệ thống tái tạo hình ảnh 43 T 23 T 23 3.6 Hệ thống phần mề m 44 T 23 T 23 Chương IV: Cộng hưởng từ chức não 46 T 23 T 23 4.1 Cấu trúc não 46 T 23 T 23 4.2 Hiệu ứng BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) 56 a Sự tương phản phụ thuộc vào mức độ oxy hóa dịng máu 56 b Tạo ảnh chức sử dụng hiệu ứng BOLD 58 c Thiết kế mơ hình kích thích 62 d Phân tích liệu fMRI: 64 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 Chương V: Các kỹ thuật hỗ trợ tạo hình chức não 75 T 23 T 23 5.1 MR Diffusion weighted imaging (DWI) 75 T 23 T 23 5.2 Diffusion Tensor Imaging (DTI) 76 a Nguyên lý 77 b Diffusion Tensor MRI: thu nhận xử lý liệu 79 c Ứng dụng 90 d Tổng kết DTI 99 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 5.3 Contrast MR 102 T 23 T 23 Trang 1/114 Chương VI: Tổng kết 103 T 23 T 23 6.1 So sánh ưu điểm nhược điểm với phương pháp khác 103 a PET SPECT 103 b Phương pháp EEG 103 c Siêu âm Doppler xuyên sọ chức 104 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 6.2 Thực tế ứng dụng fMRI Việt Nam 105 T 23 T 23 6.3 Hệ thống phần mề m phần cứng chụp cộng hưởng từ chức 108 a Phần cứng 108 b Phần mềm 111 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 T 23 6.4 Kết luận 113 T 23 T 23 Tài liệu tham khảo: 114 T 23 T 23 Trang 2/114 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt BOLD: Blood Oxygen Level Dependent - Sự phụ thuộc vào mức oxy máu CBF: Cerebral Blood Flow - Dòng máu chảy não CNS: Central Nervous System - Hệ thần kinh trung ương CSF: Cerebro Spinal Fluid Dịch - não tủy DAS: Data Acquisition System - Hệ thống thu nhận liệu DTI: Diffusion Tensor Imaging - tạo hình khuếch tán theo sợi thần kinh DWI: Diffusion Weighted Imaging - Tạo hình khuếch tán EEG: ElectroEncephaloGraphy - Điện não đồ EPI: Echo Planar Imaging - Tạo hình hồi âm mặt phẳng FFT : Fast Fourier Transformation - biến đổi Fourier nhanh FLAIR: Fluid Attenuated IR - phục hồi đảo dựa theo suy giảm dòng chảy fMRI: Functional Magnetic Resonance Imaging - tạo hình cộng hưởng từ chức GE: Gradient Echo - tín hiệu dội Gradient MRI: Magnetic Resonance Imaging - tạo hình cộng hưởng từ NIRS:near-infrared spectroscopy - chụp phổ cận hồng ngoại PET: Positron Emission Tomography SE: Spin Echo - tín hiệu dội Spin SNR: Signal to Noise Ratio - tỷ lệ tín hiệu nhiễu SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography TE: Time to Echo - thời gian xung dội TR: Time Repetition - thời gian lặp xung Trang 3/114 Danh mục bảng Bảng 1: Hệ số khuếch tán nước não người (x 10-3 mm2/s) 89 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1: Khảo sát vùng vận động bàn tay phải (A) vùng thị giác (B,C) 14 T 23U T 23U Hình 2.1: spin nguyên tử H thể người 21 T 23U T 23U Hình 2.2: chuyển động spin nguyên tử H tác dụng từ trường 22 T 23U T 23U Hình 2.3: bệnh nhân nằm từ trường 23 T 23U T 23U Hình 2.4: Trạng thái proton sau nhận xung kích thích RF 24 T 23U T 23U HÌnh 2.5: Mo chuyển động hình xoắn ốc mặt phẳng XY 24 T 23U T 23U Hình 2.6: Mo lệch góc α so với trục Y 25 T 23U T 23U Hình 2.7: mối liên hệ voxel mơ voxel ảnh 26 T 23U T 23U Hình 2.8: Sử dụng gradient để lựa chọn lát cắt 28 T 23U T 23U Hình2.9: Dải tần phát độ dốc gradient định độ dày lát cắt 29 T 23U T 23U Hình 2.10: Quá trình thu nhận khối 30 T 23U U T 23 Hình 2-11: Tạo ảnh đa lát cắt 31 T 23U T 23U Hình 2-12: Quá trình biến đổi liệu thu thành ảnh nhờ biến đổi Fourier 34 T 23U T 23U Hình 2.13: Mã hóa tần số chiều 35 T 23U T 23U Hình 2.14: mã hóa tín hiệu tái tạo ảnh 35 T 23U T 23U Hình 2.15: yếu tố ảnh hưởng đến hình ảnh 36 T 23U U T 23 Hình 3.1: nam châm siêu dẫn hệ thống cộng hưởng từ 37 T 23U T 23U Hình 3.2 Khối gradient cộng hưởng từ 40 T 23U T 23U Hình 3.3: sơ đồ khối RF thu phát tín hiệu 41 T 23U T 23U Hình 3.4: Sơ đồ hệ hệ thống tạo tín hiệu kích thích cho bệnh nhân 43 T 23U T 23U Hình 3.5: Hệ thống tái tạo sử dụng server BLADE SUN với chip AMD T 23U Opteron 43 T 23U Trang 4/114 Hình 3.6: Bàn điều khiển phần mềm hệ thống cộng hưởng từ 44 T 23U T 23U Hình 4.1: Phân chia trục thần kinh động vật 46 T 23U T 23U Hình 4.2: Phân chia trục thần kinh người 47 T 23U T 23U Hình 4.3: Ba mặt phẳng trực giao 48 T 23U T 23U Hình 4.4: Cấu trúc neuron 49 T 23U U T 23 Hình 4.5: Phân chia vùng não 50 T 23U T 23U Hình 4.6: Bốn thùy não: trán, thái dương, đỉnh chẩm 51 T 23U T 23U Hình 4.7: Mặt cắt ngang não cho thấy vùng thalamus, hypothalamus 52 T 23U T 23U Hình 4.8: Sự xếp trường nhìn 53 T 23U T 23U Hình 4.9: Định vị vùng vỏ não liên hệ với quan cảm thụ 54 T 23U T 23U Hình 4.10: Sự định vị gần vùng sơ cấp thứ cấp, vùng giác quan thứ ba T 23U vùng vỏ não vận động 55 T 23U Hình 4.11: Sự định vị gần vùng Broca, liên quan tới thông tin T 23U câu vùng Wernike liên quan tới hiểu lời nói 55 T 23U Hình 4.12: So sánh khác biệt số lượng phân tử haemoglobin mang oxy 58 T 23U T 23U máu hai trường hợp não: hoạt động nghỉ ngơi 58 T 23U T 23U Hình 4.13: Chọn giá trị TE tối ưu cho tỷ lệ thay đổi tín hiệu lớn với hiệu ứng T 23U BOLD 60 T 23U Hình 4.14 : Dạng gradient dội EPI sử dụng trải rộng Gradient 61 T 23U T 23U Hình 4.15: Trình tự phân tích liệu 66 T 23U T 23U Hình 4.16: Biều đồ suy giảm cường độ trung bình ảnh lát cắt đơn T 23U thí nghiệm fMRI sau 15 phút 67 T 23U Hình 4.17: Việc lựa chọn bề rộng ma trận lọc ảnh hưởng đến phát T 23U cáchoạt động 71 T 23U Hình 4.18: Sử dụng ba lọc khác với liệu fMRI T 23U thí nghiệm xiết chặt tay 71 T 23U Hình 4.19: Có trơi tín hiệu theo trục thời gian liệu, nhờ có lọc, 73 T 23U T 23U Trang 5/114 điểm bắt đầu kết thúc chuỗi làm xiên 73 T 23U T 23U Hình 5.1: chuyển động khuếch tán phân tử nước 75 T 23U T 23U Hình 5.2 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ khuếch tán DWI 76 T 23U T 23U Hình 5.3: khuếch tán tensor, lát cắt dọc trục 80 T 23U T 23U Hình 5.4: Mơ hình lấy mẫu theo hướng 83 T 23U T 23U Hình 5.5: DTI não bình thường, trung bình khuếch tán (thu từ dấu vết T 23U khuếch tán tensor) tương ứng với toàn dịch chuyển phân tử nước T 23U 86 Hình 5.6: So sánh số không đẳng hướng: 89 T 23U T 23U Hình 5.7: Hình chiều khuếch tán tensor 92 T 23U T 23U Hình 5.8: Hình ba chiều khuếch tán tensor 93 T 23U T 23U Hình 5.9: DTI nhạy với đột quỵ não 94 T 23U T 23U Hình DTI CADASIL, bệnh theo di truyền nguyên nhân dẫn đến T 23U chứng thiếu máu cục chất trắng dẫn đến bất thường vùng tuần hoàn nhỏ 96 T 23U Hình 5.11 Đường mịn mơ não Ứng dụng coi thử thách lớn DTI 98 T 23U T 23U Hình 5.12: hợp ảnh cộng hưởng từ ảnh DTI 100 T 23U T 23U Hình 5.13 Kết hợp cộng hưởng từ chức đồ vùng tiếng nói với tạo hình T 23U DTI 101 T 23U Hình 5.14 ảnh kết hợp cộng hưởng từ chức DTI 102 T 23U U T 23 Hình 6.1: Siêu âm doppler xuyên sọ chức 105 T 23U T 23U Hình 6.2 Bệnh nhân nam, 20t, u bào grade II, vùng trán trái, khảo sát liên quan T 23U vận động bàn tay phải với u trước phẫu thuật (A, B) sau phẫu thuật (C) 107 T 23U Hình 6.3: phần cứng hỗ trợ tạo hình cộng hưởng từ thị giác 109 T 23U T 23U Hình 6.4: bệnh nhân chụp cộng hưởng từ chức thị giác 109 T 23U T 23U Hình 6.5: thiết bị hỗ trợ tạo hình cộng hưởng từ chức vùng thính giác 110 T 23U T 23U Hình 6.6 Thiết bị tạo phản xạ cho bệnh nhân thu lại đáp ứng bệnh nhân 111 T 23U T 23U Trang 6/114 Hình 6.7: ảnh bệnh nhân nhi 13 tuổi với khối nằm sâu não 112 T 23U T 23U Hình 6.8: hoà ảnh cộng hưởng từ chức DTI 113 T 23U T 23U Trang 7/114 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung đề cập luận văn viết dựa kết nghiên cứu thân hướng dẫn TS Nguyễn Tuấn Lâm PGS.TS Nguyễn Đức Thuận Mọi thông tin số liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ nguồn sử dụng luật quyền quy định Tôi xin chịu trách nhiệm nội dung luận văn Học viên Ngô Quang Tuấn Trang 8/114 Lời nói đầu Chụp hình cộng hưởng từ chức phương pháp chụp não ngành thần kinh học nhận thức Những tiến công nghệ quét ảnh, giao thức thu nhận hình ảnh, thiết kế thí nghiệm, phương pháp phân tích hứa hẹn đưa fMRI từ đồ học đơn trở thành vấn đề nghiên cứu thực tổ chức não Tuy nhiên, câu hỏi xoay quanh phân tích nhiều liệu fMRI, kết luận rút ra, thường bỏ qua hạn chế phương pháp luận Sau đây, tơi xin đưa nhìn tổng quan trạng fMRI, đúc kết từ liệu sinh lý chụp não để trình bày hiểu biết tín hiệu huyết động khó khăn mà chúng gặp phải giải thích liệu từ chụp cắt lớp não Chụp hình cộng hưởng từ phương pháp tạo hình cao cấp kể từ nhà khoa học Conrad Roăntgen phỏt minh cho i vic chp hỡnh tia X vào năm 1895 Từ ca chụp cộng hưởng từ tiến hành vào 03 – 07 - 1977, đảm nhận vai trị quan trọng chưa có y học chẩn đốn gần nghiên cứu Trong y học, MRI chủ yếu sử dụng để tạo hình ảnh cấu trúc quan bao gồm hệ thống thần kinh trung ương, cung cấp thơng tin trạng thái lý hóa học mơ, phân bố mạch truyền dịch Mặc dù tất khả từ lâu đánh giá cao xuất chụp cộng hưởng từ chức – công nghệ đo thay đổi huyết động sau tăng cường hoạt động thần kinh – năm 90 có ảnh hưởng thực tới việc nghiên cứu khoa học thần kinh nhận thức Cho nghiên cứu chụp cộng hưởng từ chức mà khơng có loại thuốc cản quang ngoại sinh công bố vào năm 1991, tương ứng khoảng 1100 tờ báo năm, tờ ngày, năm 1992 tổng số có ấn phẩm, tăng tới ấn phẩm ngày vào năm 2007 Trang 9/114