Quy trình xử lý ảnh trên ảnh cộng hưởng từ để nghiên cứu sự thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ KIM LAN QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH TRÊN ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ ĐỂ NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI CHẤT TRẮNG LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH ĐAU NỬA ĐẦU Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số chuyên ngành: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS LÝ ANH TÚ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày … tháng 01 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN THỊ KIM LAN MSHV: 1870344 Ngày, tháng, năm sinh: 16 – 01 – 1995 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 8520401 I TÊN ĐỀ TÀI: QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH TRÊN ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ ĐỂ NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI CHẤT TRẮNG LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH ĐAU NỬA ĐẦU II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan lý thuyết bệnh đau nửa đầu, chất trắng, hình ảnh cộng hưởng từ Quy trình xử lý ảnh ảnh cộng hưởng từ để nghiên cứu thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu Phân tích kết đạt Kết luận hướng phát triển III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/12/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS LÝ ANH TÚ, ThS Nguyễn Trường Thanh Hải Tp HCM, ngày tháng 12 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Trong trính học tập Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, ngành Vật Lý Kỹ Thuật, tơi giảng dạy tận tình thầy Chính nơi cung cấp cho kiến thức giúp trưởng thành học tập nghiên cứu khoa học Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến với thầy cô giảng dạy suốc thời gian học trường Tôi xin chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Trường Thanh Hải (University Montpellier, Montpellier city, France) tạo tiền đề hỗ trợ nhiệt tình giúp tơi thực luận văn Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy Lý Anh Tú, động viên, cung cấp kiến thức tận tâm hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Tôi xin phép gửi lời cảm ơn đến thầy cô hội đồng đọc, nhận xét giúp tơi hồn chỉnh luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè gia đình quan tâm, chia sẻ khó khăn, tạo điều kiện tốt để tơi hoàn thành luận văn tốt nghiệp, hoàn thành quãng đời học viên gian khổ cao đẹp trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp HCM Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019 Trần Thị Kim Lan iii ABSTRACT Quy trình xử lý ảnh ảnh cộng hưởng từ để nghiên cứu thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu Đau nửa đầu bệnh thần kinh phổ biến Nó khơng ảnh hưởng chất lượng sống cá nhân mà mang đến hạn chế kinh tế xã hội Nghiên cứu thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu hình ảnh cộng hưởng từ MRI thực giới Xác định bất thường chất trắng bệnh nhân đau nửa đầu giúp xác định mức độ nghiêm trọng, loại khoảng thời gian bệnh Hiện nay, phương pháp nghiên cứu chung thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu sử dụng hình ảnh cộng hưởng từ Kết nghiên cứu phương pháp chụp cộng hưởng từ cho thấy có thay đổi chất trắng tỷ lệ phần trăm thay đổi phụ thuộc vào tần suất đau nửa đầu lặp lặp lại Procedure of image processing on magnetic resonance image to study the change of white matter associated with migraine disease Migraine is a common neurological disorder It influences the quality of personal life and also brings economic and social drawbacks Studies on the change of white matter associated with migraine disease by magnetic resonance imaging (MRI) have been investigating in many places around the world Detection of the prevalence of white matter in migraine patients determines its correlation with migraine severity, type and duration At present, the general method of studying on the change of white matter associated with migraine disease is using magnetic resonance imaging The results of studies by magnetic resonance imaging method show that there are changes of white matter and the percentage of these changes depend on the frequency of the repeated migraine attacks iv MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CẢM ƠN iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH HÌNH VẼ vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT x LỜI CAM ĐOAN 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2 TỔNG QUAN 2.1 Đau nửa đầu 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Nguyên nhân 2.1.3 Phân loại 2.1.4 Chuẩn đoán 2.1.5 Sự phổ biến đau nửa đầu 2.2 Chất trắng 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Tình hình nghiên cứu thay đổi chất trắng giới 2.3 Hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân 12 14 2.3.1 Giới thiệu 14 2.3.2 Cấu tạo 16 2.3.3 Nguyên lý hoạt động 18 2.3.4 MRI chức (fMRI) 20 QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH TRÊN ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ ĐỂ NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI CHẤT TRẮNG LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH ĐAU NỬA ĐẦU 43 3.1 Tình hình nghiên cứu giới 43 3.2 Quy trình thực nghiên cứu thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu ảnh cộng hưởng từ 46 3.2.1 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu v 46 3.2.2 Lựa chọn giao thức hình ảnh 47 3.2.3 Phân tích liệu 48 3.2.4 Phân tích thống kê 49 3.3 Quy trình xử lý ảnh ảnh cộng hưởng từ để nghiên cứu thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu chương trình FSL 49 3.3.1 Giới thiệu chương trình FSL 49 3.3.2 Tiền xử lý ảnh ảnh cộng hưởng từ công cụ FEAT 54 3.3.3 Phân tích hình ảnh ReHo 62 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 80 vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình Tỷ lệ đau nửa đầu theo tuổi giới tính Dữ liệu từ Nghiên cứu Gánh nặng Bệnh tật Toàn cầu 2016 (GBD 2016) [1] Hình (a) Tỷ lệ mắc chứng đau nửa đầu toàn cầu nam giới từ 15- 49 tuổi (b) Tỷ lệ mắc chứng đau nửa đầu toàn cầu phụ nữ từ 15- 49 tuổi [1] Hình Não người mổ xẻ bên phải cho thấy chất xám (các phần bên tối hơn), chất trắng (các phận bên màu trắng bật) Hình Chất trắng Myelin bao bọc cách điện sợi trục thần kinh kiểm sốt lan truyền xung điện theo cách ảnh hưởng đến việc xử lý thông tin [12] 10 Hình Một hệ thống nam châm lâm sàng siêu dẫn (Lịch sử Siemens) [2] .17 Hình Cấu tạo máy MRI 17 Hình Bằng cách điều chỉnh giá trị TR TE T1 T2, ta thu tương phản ảnh tương ứng với đặc tính mơ riêng biệt .19 Hình Chất trắng 24 Hình Biến động tự phát hoạt động não quan sát với hình ảnh cộng hưởng từ chức 25 Hình 10 Não [16] 26 Hình 11 Voxels [16] 27 Hình 12 Phản hồi BOLD [16] 28 Hình 13 Hiệu chỉnh chuyển động tối thiểu [16] 32 Hình 14 Hiệu chỉnh tín hiệu giả [16] .33 Hình 15 Tín hiệu giả phát Artifact Detection [16] 34 Hình 16 Hình ảnh cấu trúc tham chiếu hình ảnh chức [16] 35 Hình 17 Bình thường hóa 35 Hình 18 Hình ảnh làm mịn .36 Hình 19 FWHM .37 Hình 20 Mơ hình tuyến tính tổng quát 38 Hình 21 Các dạng tần số [16] 39 Hình 22 Bộ lọc thông cao [16] 40 Hình 23 Ước tính độ tương phản [16] .41 Hình 24 Thiết lập ngưỡng [16] 42 Hình 25 Hình ảnh não kích thích âm [16] .42 Hình 26 Logo FSL 50 Hình 27 Giao diện FSL 52 Hình 28 Hình cùng: ảnh chụp hình FSLView hiển thị hai đồ kích hoạt lớp phủ (được tô màu đỏ xanh lam) với mơ hình GLM chuỗi thời gian thơ phù hợp kết phân cụm Hình cùng: ảnh chụp hình kết xuất đồ họa dựa khuếch tán 3D FSLView [11] 53 Hình 29 Ví dụ GUI FEAT 55 Hình 31 GUI FEAT: Data .57 vii Hình 32 GUI FEAT: Pre-stats 59 Hình 33 Mạng lưới chế độ hoạt động phát phân tích ReHo [27] .63 Hình 34 Kích thước cụm voxel .63 Hình 35 Hình ảnh độ phân giải thấp FMRI ses-1_T1w hợp với hình ảnh có độ phân giải cao mẫu 66 Hình 36 Hình ảnh độ phân giải cao hợp với hình ảnh tiêu chuẩn (MNI 152) 66 Hình 37 Hỉnh ảnh độ phân giải thấp hợp với hình ảnh tiêu chuẩn (MNI 152) 66 Hình 38 MCFLIRT ước tính chuyển động quay .67 Hình 39 MCFLIRT ước tính chuyển động tịnh tiến 68 Hình 40 MCFLIRT ước tính chuyển vị trung bình 68 Hình 41 Ước tính phân tích thành phần 69 Hình 42 Bản đồ khơng gian .70 Hình 43 Thời gian trình phân tách ICA 70 Hình 44 Phổ lượng theo thời gian 71 Hình 45 Dữ liệu thơ IC đầu 71 Hình 46 Bản đồ xác suất 72 Hình 47 IC_1 Gaussian Mixture Model fit .72 Hình 48 Hình ảnh fMRI chuẩn hóa 73 Hình 49 Sự thay đổi bất thường chất trằng khoảng thời gian ba năm từ 2009 đến 2012 [8] .73 viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng Các phương pháp hình ảnh thần kinh 20 Bảng Các công cụ phần mềm FSL 50 ix creating report page done IC map 10 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 11 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 12 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 13 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 91 creating report page done IC map 14 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 15 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 16 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 17 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 92 creating report page done IC map 18 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 19 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 20 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 21 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 93 creating report page done IC map 22 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 23 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 24 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 25 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 94 creating report page done IC map 26 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 27 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 28 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 29 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 95 creating report page done IC map 30 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 31 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 32 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 33 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 96 creating report page done IC map 34 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 35 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 36 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 37 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 97 creating report page done IC map 38 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 39 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 40 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 41 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 98 creating report page done IC map 42 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 43 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 44 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 45 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 99 creating report page done IC map 46 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 47 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 48 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 49 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 100 creating report page done IC map 50 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 51 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 52 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 53 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 101 creating report page done IC map 54 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 55 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 56 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 57 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 102 creating report page done IC map 58 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 59 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 60 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done IC map 61 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 103 creating report page done IC map 62 calculating mixture-model fit re-scaling spatial maps thresholding alternative hypothesis test at p > 0.5 creating report page done Writing results to : filtered_func_data.ica/melodic_IC filtered_func_data.ica/melodic_Tmodes filtered_func_data.ica/melodic_mix filtered_func_data.ica/melodic_FTmix filtered_func_data.ica/melodic_PPCA filtered_func_data.ica/melodic_ICstats filtered_func_data.ica/mask done To view the output report point your web browser at filtered_func_data.ica/report/00index.html finished! /usr/local/fsl/bin/fslmaths filtered_func_data -Tmean mean_func /bin/rm -rf prefiltered_func_data* 104 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG BẢN THÂN Họ tên: TRẦN THỊ KIM LAN Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 16/01/1995 Nơi sinh: Long An Dân tộc: Kinh Tôn giáo: Không Địa thường trú: 87/14 Hồ Thị Kỷ, Phường 1, Quận 10, TPHCM Địa liên lạc: 497 Hòa Hảo, Phường 7, Quận 10, TPHCM Điện thoại: 0962048463 Email: kimlantran.bme@gmail.com Nghề nghiệp, nơi làm việc: Học viên cao học trường ĐH Bách Khoa TPHCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Thời gian đào tạo Từ tháng 08 năm ĐẠI HỌC 2013 đến tháng 04 năm 2018 Từ tháng 10 năm CAO HỌC 2018 đến Loại hình đào tạo Chính quy Chính quy Ngành học Trường Vật lý Kỹ thuật Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Vật lý Kỹ thuật Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Danh mục báo khoa học: [1] Nguyễn Anh Duy, Trần Thị Kim Lan, Lý Anh Tú “The Application of PenH Simulation on Proton Imaging,” in Proc ISAS, 2019 [2] Trần Thị Kim Lan, Lý Anh Tú, Nguyễn Trường Thanh Hải “Overview: Study the change of white matter associated with migraine disease by magnetic resonance imaging,” Southeast-Asian J of Sciences, Vol 7, No 2, December 2019 105 ... Tổng quan lý thuyết bệnh đau nửa đầu, chất trắng, hình ảnh cộng hưởng từ Quy trình xử lý ảnh ảnh cộng hưởng từ để nghiên cứu thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu Phân tích kết đạt... TRÊN ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ ĐỂ NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI CHẤT TRẮNG LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH ĐAU NỬA ĐẦU 43 3.1 Tình hình nghiên cứu giới 43 3.2 Quy trình thực nghiên cứu thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh. .. Quy trình xử lý ảnh ảnh cộng hưởng từ để nghiên cứu thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu Đau nửa đầu bệnh thần kinh phổ biến Nó khơng ảnh hưởng chất lượng sống cá nhân mà mang đến