DTYS

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ fMRI 1.1 Lịch sử đời 1.2 Giới thiệu chung fMRI 1.3 Ứng dụng fMRI 1.4 Ưu nhược điểm 1.5 Sử dụng y tế CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH CỘNG HƯỞNG TỪ 2.1 Nguyên lý tạo hình 2.2 Thu nhận xử lý tín hiệu 16 2.2.1 Tái tạo ảnh: 16 2.2.2 Biến đổi Fourier: 17 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH DỮ LIỆU 19 3.1 Dữ liệu thô 20 3.2 Tiền xử lý 20 3.3 Phân tích thống kê liệu 22 CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG CỘNG HƯỞNG TỪ 24 4.1 Nam châm 24 4.2 Gradient 24 4.3 Cuộn thu phát tín hiệu RF 26 4.4 Hệ thống tạo tín hiệu kích thích cho bệnh nhân 27 4.5 Hệ thống tái tạo hình ảnh 27 4.6 Hệ thống phần mềm 28 CHƯƠNG 5: CỘNG HƯỞNG TỪ CHỨC NĂNG NÃO 30 5.1 Hiệu ứng BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) 30 5.1.1 Sự tương phản phụ thuộc vào mức độ oxy hóa dịng máu 30 5.1.2 Tạo ảnh chức sử dụng hiệu ứng BOLD 31 5.1.3 Thiết kế mơ hình kích thích 33 CHƯƠNG 6: CÁC KỸ THUẬT HỖ TRỢ TẠO HÌNH CHỨC NĂNG NÃO 34 6.1 MR Diffusion weighted imaging (DWI) 35 6.2 Diffusion Tensor Imaging (DTI) 36 36 6.2.1 Nguyên lý 37 6.2.2 Diffusion Tensor MRI: thu nhận xử lý liệu 38 6.2.3 Thu nhận liệu DTI 38 6.2.4 Xử lý tín hiệu DTI 39 6.2.5 Lấy thông tin từ liệu DTI 39 6.2.6 Trung bình khuếch tán 39 6.2.7 Ứng dụng 40 6.2.8 Tổng kết DTI 42 CHƯƠNG 7: TỔNG KẾT 44 7.1 So sánh ưu điểm nhược điểm với phương pháp khác 44 7.1.1 PET SPECT 44 7.1.2 Phương pháp EEG 44 7.1.3 Siêu âm Doppler xuyên sọ chức 45 7.2 Thực tế ứng dụng fMRI Việt Nam 45 7.3 Hệ thống phần mềm phần cứng chụp cộng hưởng từ chức 47 7.3.1 Phần cứng 47 7.3.2 Phần mềm 50 7.4 Kết hợp với phương pháp khác 50 7.5 Kết luận 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 52 DANH MUC HÌNH ẢNH Hình1.1: Khảo sát vùng vận động Hình1.2:Ảnh fMRI não người tham gia Dự án Bộ gen Cá nhân Hình 2.1: Spin nguyên tử H thể người Hình 2.2: Chuyển động spin nguyên tử H tác dụng từ trường 10 Hình 2.3: Bệnh nhân nằm từ trường 11 Hình 2.4: Mo lệch góc α so với trục Y 11 Hình 2.5: Mối liên hệ voxel mô voxel ảnh 13 Hình 2.6: Sử dụng gradient để lựa chọn lát cắt 14 Hình 2.7: Dải tần phát độ dốc gradient định độ dày lát cắt 15 Hình 2.8: Quá trình thu nhận khối .15 Hình 2.9: Quá trình biến đổi liệu thu thành ảnh nhờ biến đổi Fourier 16 Hình 2.10: Mã hóa tín hiệu tái tạo ảnh 17 Hình 2.11: Các yếu tố ảnh hưởng đến hình ảnh 18 Hình 3.1: Trình tự phân tích liệu .19 Hình 3.2:Những hình ảnh fMRI từ nghiên cứu cho thấy phận não sáng lên nhìn thấy nhà cửa phận khác nhìn thấy khn mặt Các giá trị 'r' mối tương quan, với giá trị âm dương cao cho thấy mối quan hệ mạnh mẽ (tức kết phù hợp hơn) .22 Hình 4.1: Nam châm siêu dẫn hệ thống cộng hưởng từ 24 Hình 4.2 Khối gradient cộng hưởng từ 25 Hình 4.3: sơ đồ khối RF thu phát tín hiệu 26 Hình 4.4: Sơ đồ hệ hệ thống tạo tín hiệu kích thích cho bệnh nhân 27 Hình 4.5: Hệ thống tái tạo sử dụng server BLADE SUN với chip AMD Opteron 28 Hình 4.6: Kiểm tra hình ảnh fMRI .29 Hình 5.1: Phác thảo mơ não có chứa mao mạch thời gian nghỉ (trên) hoạt hóa (dưới) Vòng tròn màu đỏ xanh lam đại diện cho tế bào hồng cầu cung cấp oxy hoàn toàn (HbO2) khử oxy hoàn toàn (Hb), tương ứng Tín hiệu MRI bị suy giảm phía tĩnh mạch mao mạch tính nhạy cảm thuận từ HB hoạt động chất tương phản nội sinh (hiển thị tối hơn) Trong điều kiện bị kích thích, lưu lượng máu tăng lên làm cho Hb bị ngồi thay HbO2, gây tăng tín hiệu ĐẬM 31 Hình 5.2: Chọn giá trị TE tối ưu cho tỷ lệ thay đổi tín hiệu lớn với hiệu ứng BOLD .32 Hình 5.3: Dạng gradient dội EPI sử dụng trải rộng Gradient 33 Hình 6.1: Chuyển động khuếch tán phân tử nước 35 Hình 6.2 Hình ảnh chụp cộng hưởng từ khuếch tán DWI 36 Hình 6.3: DTI não bình thường, trung bình khuếch tán (thu từ dấu vết khuếch tán tensor) tương ứng với toàn dịch chuyển phân tử nước, giống với chất xám chất trắng Mặt khác, hệ số tỉ lệ thể tích, phản ánh khơng đẳng hướng, thay đổi mạnh với chất trắng chất xám Sự không đẳng hướng nhìn thấy chủ yếu dấu vết định hướng cao 40 Hình 6.4: Hình chiều khuếch tán tensor 42 Hình 6.5: Hợp ảnh cộng hưởng từ ảnh DTI .42 Hình 7.1: Siêu âm doppler xuyên sọ chức 45 Hình 7.2 Các tiến kỹ thuật cộng hưởng từ hình ảnh u não ứng dụng .47 Hình 7.3: phần cứng hỗ trợ tạo hình cộng hưởng từ thị giác 48 Hình 7.4: Bệnh nhân chụp cộng hưởng từ chức thị giác 48 Hình 7.5: Thiết bị hỗ trợ tạo hình cộng hưởng từ chức vùng thính giác 49 Hình 7.6 Thiết bị tạo phản xạ cho bệnh nhân thu lại đáp ứng bệnh nhân .49 Hình 7.7: Hình ảnh cộng hưởng từ chức DTI 50 BẢNG PHÂN CÔNG NGHIỆM VỤ Thời gian Nhiệm vụ Phân cơng 15/3 /2021 Tìm tài liệu FMRI ứng dụng FMRI Duy:Tìm tài liệu tiếng Việt Đạt :Tìm tài liệu tiếng Anh 17/3 /2021 Tìm hiểu ưu nhược điểm FMRI ứng dụng FMRI Làm việc riêng nhà 21/3 /2021 Thảo luận cấu trúc FMRI ứng dụng FMRI Làm việc riêng nhà 01/4/2021 Tìm kiếm cộng hưởng từ chức não Lên trường làm việc nhóm 10/4/2021 Tìm hiểu kỹ thuật hỗ trợ tạo hình chức não Lên trường làm việc nhóm 15/4/2021 Tổng hợp lại soạn báo cáo Làm việc riêng nhà 21/4/2021 Làm slide Làm việc riêng nhà Đề tài: FMRI Ứng dụng FMRI GVHD: TS Nguyễn Văn Phịng LỜI NĨI ĐẦU Khái niệm fMRI xây dựng dựa MRI trước đócơng nghệ qt khám phá đặc tính máu giàu oxy Chụp MRI não sử dụng từ trường tĩnh, mạnh, vĩnh viễn để xếp hạt nhân vùng não nghiên cứu Một từ trường khác, trường gradient, sau áp dụng để định vị hạt nhân khác không gian Cuối cùng, xung tần số vô tuyến (RF) phát để đẩy hạt nhân lên mức độ từ hóa cao hơn, với hiệu ứng tùy thuộc vào vị trí chúng Khi trường RF bị loại bỏ, hạt nhân quay trở lại trạng thái ban đầu chúng, lượng chúng phát đo cuộn dây để tái tạo vị trí hạt nhân Do đó, MRI cung cấp nhìn cấu trúc tĩnh vật chất não Lực đẩy trung tâm đằng sau fMRI mở rộng MRI để nắm bắt thay đổi chức não hoạt động tế bào thần kinh gây 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, 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 Từ năm 1890, người ta biết thay đổi lưu lượng máu oxy máu não (gọi chung huyết động học ) có liên quan chặt chẽ đến hoạt động thần kinh Khi tế bào thần kinh hoạt động, lưu lượng máu cục đến vùng não tăng lên máu giàu oxy (được cung cấp oxy) thay máu thiếu oxy (đã khử oxy) khoảng giây sau Điều tăng lên đến đỉnh điểm vòng 4–6 giây, trước giảm trở lại mức ban đầu (và thường giảm độ cao chút) Ôxy vận chuyển phân tử hemoglobin tế bào hồng cầu Hemoglobin khử oxy (dHb) có nhiều từ tính ( thuận từ) hemoglobin oxy hóa (Hb), có khả chống lại từ tính ( nghịch từ ) Sự khác biệt dẫn đến tín hiệu MR cải thiện máu nghịch từ gây nhiễu tín hiệu MR từ Sự cải thiện lập đồ để hiển thị tế bào thần kinh hoạt động thời điểm SVTH:Lương Văn Đạt – Phạm Minh Duy Trang Đề tài: FMRI Ứng dụng FMRI GVHD: TS Nguyễn Văn Phòng fMRI sử dụng nghiên cứu, mức độ thấp hơn, công việc lâm sàng Nó bổ sung cho biện pháp sinh lý não khác EEG NIRS Các phương pháp cải thiện độ phân giải không gian thời gian nghiên cứu phương pháp chủ yếu sử dụng dấu ấn sinh học khác với tín hiệu BOLD Một số công ty phát triển sản phẩm thương mại máy phát nói dối dựa kỹ thuật fMRI, nghiên cứu không cho đủ phát triển để thương mại hóa rộng rãi SVTH:Lương Văn Đạt – Phạm Minh Duy Trang Đề tài: FMRI Ứng dụng FMRI GVHD: TS Nguyễn Văn Phòng CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ fMRI 1.1 Lịch sử đời Vào cuối kỷ 19, Angelo Mosso phát minh “cân tuần hồn người”, đo lường phân phối lại máu cách khơng xâm phạm hoạt động tình cảm trí tuệ Năm 1890, chi tiết hoạt động xác cân thí nghiệm mà Mosso thực với chưa biết đến phát gần thiết bị gốc báo cáo Mosso Stefano Sandrone đồng nghiệp Năm 1890, Charles Roy Charles Sherrington lần thực nghiệm liên kết chức não với lưu lượng máu nó, Đại học Cambridge BOLD độ tương phản MRI dHb, phát vào năm 1990 Ogawa Trong nghiên cứu năm 1990 dựa cơng trình trước Thulborn cộng sự, Ogawa đồng nghiệp quét loài gặm nhấm từ trường mạnh (7,0 T) chụp cộng hưởng từ Vào năm 1900, nhà vật lý học Seiji Ogawa phát máu nghèo oxy bị ảnh hưởng từ trường khác với máu giàu oxy Dữ liệu cho thấy máu nghèo oxy máu giàu oxy chênh lệch 20% Các phần hoạt động não chứa nhiều máu giàu oxy hơn, kiến thức bắt đầu nghiên cứu quét fMRI Ba nghiên cứu vào năm 1992 nghiên cứu khám phá cách sử dụng độ tương phản BOLD người Bandettini đồng nghiệp sử dụng EPI 1,5 T thấy kích hoạt vỏ não vận động chính, vùng não giai đoạn cuối mạch điều khiển chuyển động tự nguyện Từ trường, chuỗi xung quy trình kỹ thuật sử dụng nghiên cứu ban đầu sử dụng nghiên cứu fMRI ngày 1.2 Giới thiệu chung fMRI Cộng hưởng từ chức (functional MRI) kỹ thuật hình ảnh MRI khảo sát hoạt động não, nhờ vào phát thay đổi huyết động não đáp ứng kích thích thần kinh Các hoạt động thần kinh làm tăng mức tiêu thụ Oxygen tăng dịng chảy mạch máu não Lúc đó, vùng não hoạt động tăng tương đối lượng oxyhemoglobin so với deoxyhemoglobin Việc giảm tương đối nồng độ deoxyhemoglobin chỗ có tác động thuận từ làm tăng thống qua tín hiệu T2*, SVTH:Lương Văn Đạt – Phạm Minh Duy Trang Đề tài: FMRI Ứng dụng FMRI GVHD: TS Nguyễn Văn Phịng điều phát MRI Đây nguyên tý tương phản lệ thuộc mức oxygen máu (BOLD/ Blood Oxygenation Level Dependent) dùng khảo sát MRI chức Cộng hưởng từ chức thường dùng chuỗi xung khảo sát nhanh (GEEPI) với kích thước ma-trận nhỏ Tương phản lệ thuộc mức oxygen máu thường thấp Để xử lý hình cần lập lại nhiều lần việc thu hình với mẫu thực hành kích thích não khác Các mẫu kích thích não khảo sát thường chứa mẫu tham khảo mẫu kích thích liên quan với vùng chức muốn khảo sát Ví dụ, để khảo sát vùng chức hoạt động, mẫu tham khảo giai đoạn nghỉ mẫu kích thích giai đoạn cử động ngón tay Mẫu kích thích phức tạp khảo sát chức tế nhị hơn, chức cao cấp ngơn ngữ, tiếng nói, suy nghĩ… Có thể khảo sát đồng thời nhiều kích thích khác để đánh giá nhiều chức lúc Khoa chẩn đốn hình ảnh, tạo sử dụng nhiều mẫu kích thích khác để khảo sát vùng vận động, cảm giác, thính giác, thị giác, vùng ngơn ngữ, tiếng nói… Hình 1.1: Khảo sát vùng vận động Các đồ họa hình ảnh tạo MRI fMRI dễ dàng đọc, quan sát, phức tạp trao đổi chất, tượng vật lý kỹ thuật khó nhận Các chi tiết thực tế MRI mơ tả xác thơng qua học lượng tử, nhìn chung tảng phưởng pháp sử dụng với cơng cụ vật lý cổ điển cách sử dụng phương trình đơn giản Kích hoạt chức não phát với MRI thơng qua phép đo trực tiếp lưu thông máu, khối lượng máu thay đổi, thay đổi nồng độ oxi Cơ chế ngược lại với mức độ phụ thuộc oxi máu (BOLD) - sở ch việc chụp não người SVTH:Lương Văn Đạt – Phạm Minh Duy Trang Đề tài: FMRI Ứng dụng FMRI GVHD: TS Nguyễn Văn Phòng Các yếu tố quan trọng xác định thông số fMRI cho việc rút kết luận nghiên cứu não tín hiệu đặc trưng độ phân giải theo thời gian khơng gian Tín hiệu đặc trưng đảm bảo đồ tạo phản ánh thay đổi thần kinh thực tế, độ phân giả thời gian không gian lại xác định khả để phân biệt đơn vị mạng lưới kích hoạt tất nhiên thời gian kiện thần kinh khác nhau, tương ứng Việc giải thích liệu BOLD fMRI phụ thuộc nhiều vào thiết kế thử nghiệm sử dụng Các thuộc tính khơng gian thời gian fMRI bao gồm số chi tiết thơng tin bổ sung Tóm lại, độ phân giải không gian tăng với sức mạnh từ trường ngày tăng cho từ trường định tối ưu hóa cách sử dụng chuỗi xung nhạy cảm với tín hiệu từ bên xung quanh mạch lớn Độ phân giải không gian thời gian gia tăng với việc tối ưu hóa chuỗi xung, cải thiện cộng hưởng, ứng dụng từ trường cao, phương pháp tiến tạo hình ảnh song song (ví dụ hãng GE có tạo hình song song ASSET, làm tang tốc độ chụp lên gấp lần mà chất lượng hình ảnh khơng bị suy giảm q nhiều) Nhiều nghiên cứu ban đầu sử dụng thiết kế khối Những thiết kế sử dụng phương pháp trung bình thời gian tích hợp, thường phân tích liệu phương tiện phương pháp loại trừ Ý tưởng trung tâm để so sánh nhiệm vụ thiết kế để đặt nhu cầu cụ thể vào não với trạng thái kiểm soát xác định Dưới điều kiện này, việc cải tiến giảm sút tín hiệu fMRI quan sát Trong nghiên cứu fMRI nhận thức ban đầu, thiết kế khối hành loại trừ nhận thức, với nhấn mạnh vào thiết kế loại trừ nối tiếp Những thiết kế dựa nhiều vào đưa vào túy, khẳng định q trình nhận thức đơn đưa vào nhiệm vụ mà không ảnh hưởng đến phần lại, giả định q thường xun khơng đứng vững Thậm chí thiết kế thí nghiệm đáp ứng giả định mức độ nhận thức giả định bị cho thất bại mức độ thuyết minh thần kinh tự nhiên phi tuyến cao hầu hết trình não Để khắc phục loại vấn đề đảm bảo giải thích tốt liệu chụp não, việc thực phân tích nhiệm vụ chi tiết để xác định thành phần loại trừ tương tác chúng cần thiết Phương pháp fMRI tốc độ cao có khả chụp tồn não với độ phân giải thời gian vài giây, cho phép việc sử dụng gọi kiện liên quan đến thiết kế Một khoảng thời gian phản ứng thí nghiệm gần gũi với hoạt động thần kinh SVTH:Lương Văn Đạt – Phạm Minh Duy Trang