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

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 T

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

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LÝ ANH TÚ

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại 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 của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

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:

1 Tổng quan lý thuyết về bệnh đau nửa đầu, chất trắng, hình ảnh cộng hưởng từ

2 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

3 Phân tích kết quả đạt được

4 Kết luận và 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

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trính học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, ngành Vật

Lý Kỹ Thuật, tôi đã được sự giảng dạy tận tình của các thầy cô Chính nơi đây đã cung cấp cho tôi kiến thức và giúp tôi trưởng thành trong học tập và nghiên cứu khoa học Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến với các thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốc thời gian học tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Trường Thanh Hải (University Montpellier, Montpellier city, France) đã tạo tiền đề và hỗ trợ nhiệt tình giúp tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Lý Anh Tú, đã động viên, cung cấp kiến thức và luôn tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tôi xin được phép gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và giúp tôi hoàn chỉnh luận văn

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã quan tâm, chia sẻ những khó khăn, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp, hoàn thành quãng đời học viên gian khổ nhưng cao đẹp tại trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG

Tp HCM

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019

Trần Thị Kim Lan

ABSTRACT

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 Đau nửa đầu là một bệnh thần kinh phổ biến Nó không chỉ ảnh hưởng chất lượng

cuộc sống cá nhân mà còn mang đến những hạn chế về kinh tế và xã hội Nghiên cứu

sự thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu bằng hình ảnh cộng hưởng từ MRI đang được thực hiện trên thế giới Xác định sự bất thường của chất trắng ở bệnh nhân đau nửa đầu giúp xác định mức độ nghiêm trọng, loại và khoảng thời gian bệnh Hiện nay, phương pháp nghiên cứu chung về sự thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu là sử dụng hình ảnh cộng hưởng từ Kết quả nghiên cứu bằng phương pháp chụp cộng hưởng từ cho thấy có những thay đổi của chất trắng và tỷ lệ phần trăm của những thay đổi này phụ thuộc vào tần suất của các cơn đau nửa đầu lặp đi 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

MỤC LỤC

2.3.4 MRI chức năng (fMRI) 20

3 QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH TRÊN ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ ĐỂ

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI CHẤT TRẮNG LIÊN QUAN ĐẾN BỆNH

3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 43

3.2 Quy trình thực hiện nghiên cứu sự thay đổi chất trắng liên quan đến bệnh đau nửa đầu bằng ảnh cộng hưởng từ 46

3.2.1 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 46

3.3.1 Giới thiệu chương trình FSL 49

3.3.2 Tiền xử lý ảnh trên ảnh cộng hưởng từ bằng công cụ FEAT 54

3.3.3 Phân tích hình ảnh bằng ReHo 62

5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74

DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1 Tỷ lệ đau nửa đầu theo tuổi và giới tính Dữ liệu từ Nghiên cứu Gánh nặng

Bệnh tật Toàn cầu 2016 (GBD 2016) [1] 7

Hình 2 (a) Tỷ lệ mắc chứng đau nửa đầu toàn cầu ở nam giới từ 15- 49 tuổi (b) Tỷ lệ mắc chứng đau nửa đầu toàn cầu ở phụ nữ từ 15- 49 tuổi [1] 8

Hình 3 Não người mổ xẻ bên phải cho thấy chất xám (các phần bên ngoài tối hơn), và chất trắng (các bộ phận bên trong và màu trắng nổi bật) 9

Hình 4 Chất trắng Myelin bao bọc và cách điện sợi trục thần kinh có thể kiểm soát sự lan truyền của các xung điện theo cách ảnh hưởng đến việc xử lý thông tin [12] 10

Hình 5 Một hệ thống nam châm lâm sàng siêu dẫn (Lịch sử của Siemens) [2] 17

Hình 6 Cấu tạo máy MRI 17

Hình 7 Bằng cách điều chỉnh các giá trị TR và TE của T1 và T2, ta thu được các tương phản ảnh tương ứng với một đặc tính mô riêng biệt 19

Hình 8 Chất trắng 24

Hình 9 Biến động tự phát trong hoạt động não quan sát với hình ảnh cộng hưởng từ chức năng 25

Hình 10 Não bộ [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 hiện bởi Artifact Detection [16] 34

Hình 16 Hình ảnh cấu trúc tham chiếu trên hình ảnh chức năng [16] 35

Hình 17 Bình thường hóa 35

Hình 18 Hình ảnh được làm mịn 36

Hình 19 FWHM 37

Hình 20 Mô 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 khi kích thích âm thanh [16] 42

Hình 26 Logo của FSL 50

Hình 27 Giao diện FSL 52

Hình 28 Hình trên cùng: ảnh chụp màn hình của FSLView hiển thị hai bản đồ kích hoạt lớp phủ (được tô màu đỏ và xanh lam) cùng với mô hình GLM chuỗi thời gian thô phù hợp và kết quả phân cụm Hình dưới cùng: ảnh chụp màn hình kết xuất đồ họa dựa trên khuếch tán 3D trong FSLView [11] 53

Hình 29 Ví dụ GUI FEAT 55

Hình 31 GUI FEAT: Data 57

Hình 32 GUI FEAT: Pre-stats 59

Hình 33 Mạng lưới chế độ hoạt động được phát hiện bởi 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 nhất với một hình ảnh có độ phân giải cao mẫu 66

Hình 36 Hình ảnh độ phân giải cao được hợp nhất với một hình ảnh tiêu chuẩn (MNI 152) 66

Hình 37 Hỉnh ảnh độ phân giải thấp hợp nhất với một 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 chính 69

Hình 42 Bản đồ không gian 70

Hình 43 Thời gian quá trình phân tách ICA 70

Hình 44 Phổ năng lượng theo thời gian 71

Hình 45 Dữ liệu thô IC đầu ra 71

Hình 46 Bản đồ xác suất 72

Hình 47 IC_1 Gaussian Mixture Model fit 72

Hình 48 Hình ảnh fMRI được chuẩn hóa 73

Hình 49 Sự thay đổi của bất thường chất trằng trong khoảng thời gian ba năm từ 2009 đến 2012 [8] 73

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1 Các phương pháp hình ảnh thần kinh 20 Bảng 2 Các công cụ của phần mềm FSL 50

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

fMRI Function Magnetic resonance

WMLs White matter lesion Tổn thương chất trắng

WMHs White matter hyperintensity Chất trắng cường độ cao trên

ảnh MRI

căng khuếch tán

BOLD Blood-oxygen-level-dependent Độ bão hòa ocy trong máu

FWHM Full width at half maximum Toàn bộ chiều rộng ở mức tối

đa một nửa

ILLs Infarct-like lesion Tổn thương nhồi máu

FLAIR Fluid-attenuated inversion recovery Phục hồi đảo ngược chất lỏng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Tp HCM, tháng 12 năm 2019

Học viên thực hiện

Trần Thị Kim Lan

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo WHO, chứng đau nửa đầu ảnh hưởng đến khoảng 15% dân số Đây là bệnh thần kinh phổ biến nhất và nó được xếp hạng thứ 12 ở phụ nữ và thứ 19 trong dân số nói chung về mức độ tàn tật mà nó gây ra Thông thường, chứng đau nửa đầu được coi là một rối loạn lành tính mà không gây hậu quả lâu dài cho não Các nhà thần kinh học thường đánh giá bệnh nhân bị đau nửa đầu để loại trừ nguyên nhân thứ phát của đau đầu

Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây điều tra mô hình kích hoạt của não khi đau nửa đầu tấn công và cũng chỉ ra những triệu chứng như sợ ánh sáng, sợ mùi và nhận thức đau với mục đích tìm ra cơ chế cơ bản Ngày càng có nhiều bằng chứng rằng có đau nửa đầu diễn ra bất thường và các cuộc tấn công lặp lại nhiều lần đang dẫn đến

sự thay đổi cấu trúc và chức năng não, từ đó có thể dẫn đến chứng đau nửa đầu mãn tính

Việc sử dụng các kỹ thuật MRI đã chỉ ra chứng đau nửa đầu không chỉ đơn giản là một căn bệnh liên quan đến cơn đau xảy ra gián đoạn hoặc liên tục, mà là một quá trình theo thời gian hoặc ảnh hưởng đến chức năng hoặc cấu trúc não Trong thập

kỷ qua, một số thay đổi cơ bản đã được chứng minh xảy ra trong não của chứng đau nửa đầu bao gồm chức năng bất thường của các vùng và mạng não chính, thay đổi cấu trúc chất xám và chất trắng trong não và thay đổi hóa học não Các nghiên cứu

về hình ảnh thần kinh đang bắt đầu làm sáng tỏ các cơ chế cơ sở cho sự phát triển của chứng đau nửa đầu và các triệu chứng cụ thể của nó Điều này giúp cải thiện các phương pháp điều trị cũng như theo dõi hiệu quả điều trị theo cách khách quan và không xâm lấn

Đau nửa đầu là một yếu tố nguy cơ độc lập đối với các tổn thương chất trắng não (WMLs) và nguy cơ thầm lặng nhồi máu vòng tuần hoàn Sự hiện diện của các tổn thương này không tương quan với tuổi Cơ chế bệnh sinh của sự phát triển tổn thương không hoàn toàn được biết đến và các kết quả điều tra mô bệnh học của WMLs không có sẵn trong chứng đau nửa đầu Cả thời gian mắc bệnh và tần suất tấn công đều có vai trò quan trọng trong quá trình tiến triển của tổn thương và ảnh hưởng hôn

mê của bệnh cũng có thể dẫn đến sự phát triển của tổn thương Các cơ chế bệnh lý

liên quan đến sự tấn công khác nhau đã được xem xét trong việc hình thành WMLs Trong số này, các tác động của thay đổi huyết động nội sọ lặp đi lặp lại, bao gồm thiếu máu cục bộ và giảm tưới máu khu trú với thiếu máu cục bộ mô chỉ ra rằng WMH có thể là hậu quả của chấn thương do thiếu máu cục bộ vi mạch máu trong đau nửa đầu Số lượng, thể tích và vị trí của WMH cũng được điều tra trong cùng một nhóm bệnh nhân Các WMH xuất hiện thường xuyên nhất trong chất trắng sâu ở vùng tuần hoàn trước, chủ yếu ở thùy trước và thùy đỉnh, với kích thước WMH trung bình tương tự ở tất cả các thùy bán cầu

Kiểm tra sự thay đổi của chất trắng có liên quan đến bệnh nhân đau nửa đầu,

có thể thực hiện quan sát bằng kỹ thuật chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) và khuếch tán DTI vì đặc tính kỹ thuật cao và rất nhạy cảm thường được sử dụng để phát hiện những thay đổi chức năng và cấu trúc não trong hệ thống thần kinh trung ương Qua đó, hình ảnh thần kinh cung cấp những hiểu biết mới về chức năng não và cấu trúc từ đó có thể cung cấp các dấu hiệu khách quan của bệnh, quá trình chuyển đổi từ giai đoạn sang mãn tính đau nửa đầu và kháng thuốc Điều này giúp các nhà thần kinh học tìm ra các phương pháp trị liệu hiệu quả và theo dõi khách quan sự hiệu quả của phương pháp điều trị đó

ba trên thế giới Trong GBD2015, nó đã được xếp hạng nguyên nhân gây mất khả năng hoạt động cao thứ ba trên toàn thế giới ở cả nam giới và nữ dưới 50 tuổi Đau nửa đầu có đặc điểm bệnh lý cơ bản là: đau nửa đầu từng cơn, gặp nhiều ở tuổi thanh thiếu niên, ở nữ gặp nhiều hơn nam và đa số có yếu tố gia đình Đau nửa đầu điển

hình thường chỉ ảnh hưởng một bên đầu, nhức và kéo dài từ 4 đến 72 giờ đồng hồ; với những triệu chứng buồn nôn, nôn mửa, sợ ánh sáng (nhạy cảm với ánh sáng hơn),

và sợ âm thanh (nhạy cảm với âm thanh hơn) Khoảng một phần ba người bị chứng đau nửa đầu cảm nhận được cảm giác báo trước ('aura') - các triệu chứng thần kinh cục bộ: hình ảnh, mùi vị, hoặc một cảm nhận giác quan không bình thường báo hiệu cơn đau nửa đầu sắp diễn ra [14]

2.1.2 Nguyên nhân

Nguyên nhân của đau nửa đầu chưa rõ ràng; giả thuyết được chấp nhận phổ biến nhất là bệnh lý của hệ thống thần kinh sử dụng chất truyền đạt thần kinh serotonin Có một số loại đau nửa đầu khác nhau, một số bắt nguồn từ thân não (với

sự rối loạn vận chuyển ion canxi và kali) và một số là do di truyền Nghiên cứu các cặp song sinh cho thấy 60% đến 65% có sự ảnh hưởng của di truyền trong xu hướng phát triển bệnh đau nửa đầu Ngoài ra, thay đổi nồng độ hoóc môn cũng có liên quan đến đau nửa đầu: 75% bệnh nhân người lớn là phụ nữ, mặc dù tỉ lệ này ngang nhau đối với trẻ em nam và nữ tiền dậy thì; đau nửa đầu có xu hướng biến mất khi đang mang thai, nhưng một số phụ nữ lại bị đau nửa đầu nhiều hơn khi mang thai

2.1.3 Phân loại

Chứng đau nửa đầu có hai loại chính: chứng đau nửa đầu không có aura là một hội chứng lâm sàng đặc trưng bởi đau đầu với các đặc tính cụ thể và các triệu chứng liên quan, đau nửa đầu có aura được đặc trưng chủ yếu bởi các triệu chứng thần kinh khu trú thoáng qua thường đi trước hoặc đôi khi đi kèm với đau đầu Một số bệnh nhân cũng trải qua giai đoạn aura, xảy ra vài giờ hoặc vài ngày trước hoặc trong khi đau đầu Các triệu chứng sau khi ăn bao gồm tăng động, giảm hoạt động, trầm cảm, thèm ăn các loại thực phẩm cụ thể, ngáp lặp đi lặp lại, mệt mỏi và cứng cổ hoặc đau Một bệnh nhân có thể được chuẩn đoán và mã hóa bị tấn công bởi của cả hai dạng dựa vào các tiêu chí hoặc thuộc đâu nửa đầu mãn tính [14][15]

2.1.4 Chuẩn đoán

+ Chứng đau nửa đầu không có aura

Rối loạn đau đầu tái phát biểu hiện trong các cuộc tấn công kéo dài 4 giờ đến

72 giờ Đặc điểm điển hình của cơn đau đầu là diễn ra một bên đầu, tính chất đập nhịp nhàng, cường độ trung bình hoặc cao, trầm trọng hơn do hoạt động thể chất thông thường và liên quan đến buồn nôn, chứng sợ ánh sáng và chứng sợ âm thanh

Tiêu chuẩn chẩn đoán: [15]

A Ít nhất năm cuộc tấn công hoàn thành tiêu chuẩn B - D

B Các cơn đau đầu kéo dài 4 giờ đến 72 giờ (khi không được điều trị hoặc điều trị không thành công)

C Khi đau đầu có ít nhất hai trong bốn điều sau đây đặc điểm:

1 Đau một bên

2 Tính chất đập nhịp nhàng

3 Cường độ đau trung bình hoặc cao

4 Trầm trọng hơn do các hoạt động thể chất thông thường (ví dụ: đi bộ hoặc leo núi

cầu thang)

D Trong khi đau đầu có ít nhất một trong những điều sau đây:

1 Buồn nôn và nôn

2 Chứng sợ ánh sáng và chứng sợ âm thanh

E Không được giải thích tốt bởi chuẩn đoán ICHD-3 (liên quan đến chu kì kinh nguyệt)

+ Chứng đau nửa đầu có aura

Các cuộc tấn công tái phát, kéo dài vài phút, các triệu chứng đơn thuần hoàn toàn có thể đảo ngược hoàn toàn về thị giác, cảm giác hoặc hệ thần kinh trung ương khác thường phát triển dần dần và thường đi kèm với đau đầu và các triệu chứng đau nửa đầu liên quan

Tiêu chuẩn chẩn đoán: [15]

A Ít nhất hai cuộc tấn công đáp ứng tiêu chí B và C

B Một hoặc nhiều hào quang có thể đảo ngược hoàn toàn sau đây

C Ít nhất ba trong sáu đặc điểm sau:

1 ít nhất một triệu chứng hào quang lan rộng dần trong 5 phút

2 hai hoặc nhiều triệu chứng hào quang xảy ra liên tiếp

3 mỗi triệu chứng hào quang cá nhân kéo dài 5 đến 60 phút

4 ít nhất một triệu chứng hào quang ở một bên đầu

5 ít nhất một triệu chứng hào quang rõ ràng

6 hào quang được đi kèm, hoặc theo sau trong vòng 60 phút, bởi đau đầu

D Không được giải thích tốt bởi chuẩn đoán ICHD-3 (liên quan đến chu kì kinh nguyệt)

2.1.5 Sự phổ biến của đau nửa đầu

Tỷ lệ mắc chứng đau nửa đầu bị ảnh hưởng đáng kể bởi tuổi tác và giới tính

Ở trẻ sơ sinh, tỷ lệ hiện mắc khoảng 3-7% không có sự khác biệt đáng kể giữa bé trai

và bé gái Từ 10 tuổi-14 tuổi, tỷ lệ mắc bệnh ở nữ cao gấp hai đến ba lần so với nam giới Sự khác biệt giới tính tối đa là giữa tuổi 30 và 45 (Hình 1) khi tỷ lệ mắc chứng đau nửa đầu lên đến đỉnh điểm ở cả nam và nữ [12 cạn16] Sau tuổi 50, tỷ lệ lưu hành giảm ở cả hai giới, rõ rệt nhất là phụ nữ Bệnh đau nửa đầu mới sau 50 tuổi rất hiếm

gặp ở cả hai giới Tỷ lệ mắc chứng đau nửa đầu khác nhau ở các châu lục với các số liệu cao nhất ở Úc, Châu Âu và Bắc Mỹ và thấp nhất ở Châu Phi, Trung / Nam Mỹ

và Đông Nam Á (Hình 1.2a, b) Số lượng nam giới và phụ nữ mắc chứng đau nửa đầu tăng tỷ lệ thuận với sự gia tăng dân số

Hình 1 Tỷ lệ đau nửa đầu theo tuổi và giới tính Dữ liệu từ Nghiên cứu Gánh nặng

Bệnh tật Toàn cầu 2016 (GBD 2016) [1]

Hình 2 (a) Tỷ lệ mắc chứng đau nửa đầu toàn cầu ở nam giới từ 15- 49 tuổi (b) Tỷ

lệ mắc chứng đau nửa đầu toàn cầu ở phụ nữ từ 15- 49 tuổi [1]

2.2 Chất trắng

2.2.1 Giới thiệu

Đại não – thành phần chính của não, được chia thành hai phần chính: bán cầu não phải và trái Mỗi bán cầu được chia thành bốn thùy chính - thùy trán, thùy đỉnh, thùy thái dương và thùy chẩm Bề mặt của đại não chứa hàng tỷ các tế bào neuron thần kinh và các tế bào đệm tạo thành vỏ não Vỏ não có màu nâu xám màu được tạo thành từ chất xám được sắp xếp theo lớp Nó dày từ 2 đến 4 milimét (0,079 đến 0,125 in) Bề mặt của não có các nếp nhăn gập sâu để mang lại vẻ ngoài phức tạp Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học đã khám phá ra các chức năng chuyên biệt của các vùng khác nhau của não bộ Bên dưới vỏ não hay bề mặt của não bộ, các sợi trục

có bao myelin liên kết các neuron thần kinh với nhau tạo nên một vùng màu trắng được gọi là chất trắng Chất trắng của não chiếm khoảng một nửa tổng khối lượng não Bộ não sống rất mềm, có độ đặc giống như gel tương tự như đậu phụ mềm

Hình 3 Não người mổ xẻ bên phải cho thấy chất xám (các phần bên ngoài tối hơn),

và chất trắng (các bộ phận bên trong và màu trắng nổi bật)

Chất trắng là một trong ba thành phần rắn chính của hệ thần kinh trung ương

Mô chất trắng mới cắt của não màu trắng khi nhìn bằng mắt thường do có thành phần chủ yếu là lipid Hai thành phần khác của não là chất xám và chất đen (provia nigra) [3] Chất trắng chiếm một nửa bộ não con người và thường không được xem trọng trong nghiên cứu bệnh lý Quan điểm đó có thể thay đổi Các nghiên cứu hình ảnh và

tế bào và phân tử đang tiết lộ tính dẻo của chất trắng với những tác động có thể có đối với chức năng nhận thức bình thường và rối loạn tâm lý

Chất trắng, nằm bên dưới vỏ chất xám, bao gồm hàng triệu bó sợi trục (dây thần kinh) kết nối các tế bào thần kinh ở các vùng não khác nhau thành các mạch chức năng Màu trắng từ vật liệu cách điện (myelin) bao phủ sợi trục (Hình 2) Nó được hình thành bởi các tế bào nonneuronal, oligodendrocytes, bao bọc tới 150 lớp màng tế bào nén chặt quanh sợi trục Myelin rất cần thiết cho việc truyền các xung điện tốc độ cao, và thiệt hại của nó có thể làm giảm dẫn truyền và do đó, các chức năng cảm giác, vận động và nhận thức Chất trắng ảnh hưởng tới hoạt động học và hoạt động não, điều biến sự phân bố của thế động tác, đóng vai trò như một rơ le và điều phối giao tiếp giữa các vùng não khác nhau

Chất trắng là một trong ba thành phần rắn chính của hệ thần kinh trung ương

Mô chất trắng mới cắt của não màu trắng khi nhìn bằng mắt thường do có thành phần chủ yếu là lipid Hai thành phần khác của não là chất xám và chất đen (provia nigra) Chất trắng chiếm một nửa bộ não con người và thường không được xem trọng trong nghiên cứu bệnh lý Quan điểm đó có thể thay đổi Các nghiên cứu hình ảnh và tế bào

và phân tử đang tiết lộ tính dẻo của chất trắng với những tác động có thể có đối với chức năng nhận thức bình thường và rối loạn tâm lý

Chất trắng, nằm bên dưới vỏ chất xám, bao gồm hàng triệu bó sợi trục (dây thần kinh) kết nối các tế bào thần kinh ở các vùng não khác nhau thành các mạch chức năng Màu trắng từ vật liệu cách điện (myelin) bao phủ sợi trục (Hình 2) Nó được hình thành bởi các tế bào nonneuronal, oligodendrocytes, bao bọc tới 150 lớp màng tế bào nén chặt quanh sợi trục Myelin rất cần thiết cho việc truyền các xung điện tốc độ cao, và thiệt hại của nó có thể làm giảm dẫn truyền và do đó, các chức năng cảm giác, vận động và nhận thức chất trắng ảnh hưởng tới hoạt động học và hoạt động não, điều biến sự phân bố của thế động tác, đóng vai trò như một rơ le và điều phối giao tiếp giữa các vùng não khác nhau

Hình 4 Chất trắng Myelin bao bọc và cách điện sợi trục thần kinh có thể kiểm soát

sự lan truyền của các xung điện theo cách ảnh hưởng đến việc xử lý thông tin [12]

Bệnh đa xơ cứng (MS) là một trong những bệnh phổ biến nhất ảnh hưởng đến chất trắng Trong tổn thương MS, lá chắn myelin xung quanh sợi trục đã bị phá hủy

do viêm hay rượu có liên quan đến việc giảm khối lượng chất trắng Các nghiên cứu trên động vật cho thấy rượu có thể gây mất chất trắng bằng cách làm hỏng oligodendrocytes, tế bào thần kinh đệm chịu trách nhiệm duy trì myelin Những thay đổi trong chất trắng có liên quan đến bệnh Alzheimer và các bệnh thoái hóa thần kinh khác Chấn thương chất trắng ("cắt sợi trục") có thể hồi phục, trong khi tái sinh chất xám ít có khả năng Tăng mật độ chất trắng thường xuất hiện nhiều hơn với chứng mất trí nhớ và bệnh Binswanger được coi là một tình trạng thiếu máu cục bộ mãn tính liên quan đến bệnh lý do vi mạch máu Sự giảm khối lượng của chất trắng có thể liên quan đến việc giảm sút sự chú ý, chức năng điều khiển, trí thông minh và thành tích học tập

Hình ảnh não người sử dụng hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) đã tiết lộ những thay đổi cấu trúc trong chất trắng khi nghiên cứu các nhiệm vụ phức tạp Điều này đặt ra câu hỏi liệu chất trắng có phản ứng với trải nghiệm theo cách ảnh hưởng đến chức năng tế bào thần kinh trong các trường hợp thông thường, do đó ảnh hưởng đến quá trình xử lý thông tin và hiệu suất Ở tuổi trưởng thành có thể quan sát được những thay đổi của cấu trúc chất trắng như những phần của bộ não chưa được myelin hóa hoàn toàn, cấu trúc chất trắng tăng lên ở vùng não quan trọng đối với việc kiểm soát thị giác hay khả năng đọc Không giống như chất xám, đỉnh cao trong sự phát triển ở tuổi đôi mươi của một người, chất trắng tiếp tục phát triển và đạt đỉnh ở tuổi trung niên

Nghiên cứu về chất trắng đã được tiến hành với kỹ thuật hình ảnh thần kinh gọi là diffusion tensor imaging (DTI) được sử dụng trong máy cộng hưởng từ (MRI) Một bài báo năm 2009 của Jan Scholz và các đồng nghiệp đã sử dụng hình ảnh DTI

để chứng minh sự thay đổi về khối lượng chất trắng là kết quả của việc học một nhiệm

vụ vận độn

2.2.2 Tình hình nghiên cứu sự thay đổi chất trắng trên thế giới

Nghiên cứu liên kết hoạt động giữa hai bán cầu não khi khái niệm thần kinh

cổ điển là một bán cầu ưu thế chịu trách nhiệm về khả năng ngôn ngữ và xử lý Tuy nhiên, dù nhiệm vụ có đơn giản đến đâu, không có hoạt động nào chỉ liên quan đến một bán cầu mà không có bán cầu kia [12]

Tổn thương chất trắng là do bệnh mạch máu não nhỏ, đặc biệt là do xơ cứng động mạch Xơ cứng động mạch bao gồm một thành dày trong suốt với hậu quả là hẹp lòng mạch máu động mạch và thiếu máu cục bộ mô Xơ cứng động mạch liên quan đến tăng huyết áp, và các tổn thương thiếu máu não khác (lacunar infarcts, có triệu chứng hoặc không có triệu chứng) Các yếu tố kích thích trong sinh bệnh học của bệnh xơ cứng động mạch và do đó các tổn thương chất trắng, tuy nhiên, vẫn còn khó nắm bắt Hầu hết các lý thuyết được chấp nhận hiện nay là sự phá vỡ hàng rào máu não do rối loạn chức năng nội mô Do đó, các phương thức hình ảnh mới, như hình ảnh phân tử và những hiểu biết mới về sinh học nội mô có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về cơ chế bệnh sinh của bệnh xơ cứng động mạch [3][12]

Khi tuổi tăng, nhiều người già nhiễm HIV đang bắt đầu phát triển những thay đổi liên quan đến lão hóa trong cấu trúc não, bao gồm cả tổn thương chất trắng Do ảnh hưởng đã biết của các tổn thương chất trắng trong dân số nói chung, các tổn thương này cũng có khả năng có tác động quan trọng đối với các cá nhân nhiễm HIV huyết thanh dương tính Những tổn thương này, chiếm ưu thế hơn ở những người lớn tuổi, thường liên quan đến các yếu tố nguy cơ mạch máu như tăng huyết áp và tiểu đường Hơn nữa, sự hiện diện của các tổn thương chất trắng là một yếu tố nguy cơ đã biết để phát triển suy giảm nhận thức và mất trí nhớ Ví dụ, khi so sánh với những người cao tuổi bình thường, những người bị lacunar infarcts có điểm số thấp hơn trong các bài kiểm tra nhận thức và có nguy cơ mắc chứng mất trí nhớ trong tương lai cao gấp đôi Mối quan hệ giữa tăng cường chất trắng và hiệu suất nhận thức trong nhiễm HIV là một lĩnh vực hoạt động tích cực của nghiên cứu đang diễn ra Liên kết giữa sự hiện diện của cường độ chất trắng và hiệu suất kém hơn trong các bài kiểm tra tốc độ tâm thần và trí nhớ bằng lời nói đã được thiết lập Các nghiên cứu khác cho

thấy chứng mất trí nhớ trong nhiễm HIV có liên quan đến việc giảm khối lượng chất trắng, cho thấy rằng trong dân số này, việc mất chất trắng có thể góp phần làm suy giảm nhận thức Một số nhà nghiên cứu chứng minh rằng khối lượng tổn thương chất trắng trong nhiễm HIV có tương quan với mức độ teo vỏ não, một chất nền tiềm ẩn cho sự suy giảm nhận thức và chứng mất trí

Chất trắng đóng vai trò quan trọng bởi sự tham gia của nó vào một loạt các trạng thái bệnh lý Trong nhiễm HIV-1 của não, chất trắng đã bị ảnh hưởng ở giai đoạn đầu của quá trình bệnh Cho dù tổn thương chất trắng là một tác động trực tiếp hay gián tiếp trong nghiện ma túy vẫn chưa được làm sáng tỏ Cho đến nay, các phân tích có hệ thống về chất trắng trong các trạng thái bệnh này đang bị tụt lại rất xa Nhiều nghiên cứu vẫn còn phải được thực hiện Trong nỗ lực này, phải tập trung vào việc đánh giá sự thay đổi của các protein myelin khác nhau sự thay đổi của oligodendrocytes, vai trò của trao đổi chéo astrocyte-oligodendrocyte và thay đổi trong quá trình chuyển đổi tín hiệu khi hoạt động trong chất trắng Các phân tích có

hệ thống sử dụng các mảng biểu hiện gen, proteomics và chất chuyển hóa sẽ cung cấp manh mối mới để làm sáng tỏ các cơ chế gây bệnh dẫn đến thay đổi chất trắng

Chỉ riêng tại Hoa Kỳ, hơn 50000 cá nhân được điều trị hàng ngày trong các đơn vị chăm sóc đặc biệt (ICU) Khoảng 50-80% bệnh nhân ICU bị mê sảng với hơn một nửa các trường hợp này dẫn đến tổn thương hoạt động của não vĩnh viễn Điều này cho thấy rằng bệnh hiểm nghèo có thể dẫn đến những thay đổi bệnh lý lâu dài trong hệ thống thần kinh trung ương (ví dụ Alzheimer) Các nhà nghiên cứu chứng liên quan đến những thay đổi giữa chất trắng liên quan đến bệnh hiểm nghèo Cụ thể,

họ tập trung vào cả những thay đổi cấp tính và xa trong chất trắng có thể do một số yếu tố bao gồm nhiễm trùng nặng, teo tế bào thần kinh đệm, suy giảm dị hướng phân đoạn sợi trục (FA) và giảm tưới máu toàn cầu Bằng chứng từ một số lĩnh vực của khoa học thần kinh (mô hình động vật, hình ảnh thần kinh, nghiên cứu trường hợp, v.v.) cho thấy mê sảng có thể là một dấu hiệu của những thay đổi lâu dài hơn đang xảy ra trong CNS Kết hợp lại với nhau, bằng chứng hiện tại cho thấy bệnh hiểm nghèo có thể liên quan đến sự gián đoạn các chất trắng trong não cuối cùng dẫn đến

thiếu hụt lâu dài trong hoạt động nhận thức Chương này kết luận bằng cách nêu bật một số thách thức về phương pháp luận trong việc nghiên cứu các giả thuyết này cùng với các định hướng trong tương lai trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học thần kinh và bệnh nghiêm trọng

Tần suất rối loạn thần kinh cơ di truyền trong dân số người được ước tính là khoảng 1: 3500 trên toàn thế giới Trong một số các rối loạn này có sự liên quan của

sự tham gia của hệ thần kinh cơ và thần kinh trung ương (CNS) Lời giải thích có thể

là trong một quá trình sai lầm trong việc thể hiện thông tin di truyền vào cấu trúc của các protein quan trọng, đóng vai trò chính trong cả chức năng cơ bắp và não Trong các rối loạn đa cơ quan này, chứng loạn dưỡng cơ hoặc bệnh thần kinh ngoại biên có thể được kết hợp với tổn thương chất trắng hoặc các bất thường cấu trúc khác của não, mắt và các cơ quan khác, và sự kết hợp này có thể dẫn đến phổ các kiểu hình lâm sàng bất thường Các tác giả nghiên cứu tập trung vào các rối loạn thần kinh cơ

di truyền quan trọng này với sự liên quan đến chất trắng ở bệnh nhân nhi, đặc biệt là trẻ em mắc các dạng loạn dưỡng cơ bẩm sinh khác nhau Họ trình bày hầu hết các báo cáo trường hợp thú vị và bất thường của bệnh nhân của chúng tôi để chứng minh những khó khăn và cạm bẫy trong chẩn đoán các rối loạn hiếm gặp này Tổn thương chất trắng là một dấu hiệu chẩn đoán rất quan trọng và có giá trị, và cũng có thể có tác động nghiêm trọng đến việc quản lý và tiên lượng bệnh nhân bị rối loạn thần kinh

Trong 30 năm tiếp theo, NMR đã được phát triển thành một công cụ mạnh mẽ

để phân tích cấu trúc hóa học của vật liệu trong dung dịch và ở dạng rắn Vào giữa những năm 1970, khả năng NMR tạo ra hình ảnh không gian của các phân tử nước

đã được phát hiện và điều này dẫn đến phương thức hình ảnh mà ngày nay gọi là chụp cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) MRI bắt đầu được dùng để chẩn đoán bệnh từ năm

1982 Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân bắt đầu được 2 tác giả Bloch và Purcell phát hiện năm 1952 Sự khác nhau cơ bản giữa chụp cộng hưởng từ và chụp X quang

là năng lượng dùng trong chụp X quang là năng lượng phóng xạ tia X còn trong chụp cộng hưởng từ là năng lượng vô tuyến điện

Đã có không dưới 8 giải thưởng Nobel được trao cho các nhà khoa học đã đóng góp cho sự phát triển của MRI và các công nghệ liên quan của nó, một dấu hiệu cho thấy tầm quan trọng của phương thức này đã trở nên quan trọng như thế nào Chỉ trong 40 năm kể từ khi phát triển ban đầu, khi hình ảnh mờ của các vật thể như trái cây được tạo ra, tiếp theo là hình ảnh mờ đầu tiên của cơ thể người, MRI đã trở thành một phương thức chẩn đoán hình ảnh quan trọng cung cấp cho bác sĩ rất nhiều thông tin về sức khỏe con người Nó cũng là một công nghệ chính cho nghiên cứu sinh học cho phép các nhà khoa học nghiên cứu rất chi tiết chức năng của các hệ thống sống

từ thực vật nhỏ, động vật, đến con người Quét MRI được thực hiện theo bất kỳ hướng nào và gần như trong thời gian thực và có thể tạo ra hình ảnh cực kỳ chi tiết của cơ thể Vì MRI không sử dụng bức xạ ion hóa, nên nó rất an toàn và chúng ta có thể quét nhiều lần nếu cần

MRI không chỉ cung cấp thông tin về cấu trúc vật lý của cơ thể mà còn có thể

sử dụng để đo các kết nối chức năng giữa các bộ phận khác nhau Ví dụ có thể đo các mạng lưới nơ-ron trong não, hình dung các tĩnh mạch và động mạch và phát hiện các vùng bị bệnh mô như trong đột quỵ, đa xơ cứng và ung thư

Hình ảnh cộng hưởng từ (MRl) sử dụng từ trường mạnh để tạo ra hình ảnh của

mô sinh học Độ mạnh của từ trường tĩnh được tạo bởi máy quét MRl được biểu thị bằng đơn vị Tesla (một Tesla tương đương 10000 Gauss) Các máy quét được sử dụng cho fMRI thường có ít nhất 1,5 Tesla (1,5 T) và các máy quét có cường độ

trường từ 3 T trở lên hiện đang phổ biến Để so sánh, từ trường của Trái đất là khoảng 0,00005 Tesla Để tạo hình ảnh, máy quét sử dụng một loạt các gradient từ tính thay đổi và các trường điện từ dao động, được gọi là chuỗi xung Tùy thuộc vào tần số của các trường điện từ, năng lượng có thể được hấp thụ bởi các hạt nhân nguyên tử Đối với MRl, máy quét được điều chỉnh theo tần số của hạt nhân hydro, phổ biến nhất trong cơ thể con người do sự phổ biến của chúng trong các phân tử nước Sau khi được hấp thụ, năng lượng điện từ sau đó được phát ra bởi các hạt nhân và lượng năng lượng phát ra phụ thuộc vào số lượng và loại hạt nhân hiện diện Phụ thuộc vào chuỗi xung được sử dụng, máy quét MRI có thể phát hiện các đặc tính mô khác nhau và phân biệt giữa các mô các loại Ví dụ, MRI của đầu gối có thể tiết lộ liệu dây chằng còn nguyên vẹn hay bị rách hay không, và MRI của não có thể phát hiện sự khác biệt giữa chất xám và chất trắng Các chuỗi xung khác nhau có thể được xây dựng để tạo

ra hình ảnh nhạy cảm với các khối u, bất thường trong các mạch máu, tổn thương xương và nhiều tình trạng khác Khả năng kiểm tra nhiều tính chất của mô sinh học làm cho MRI trở thành một công cụ lâm sàng cực kỳ linh hoạt và mạnh mẽ [9]

2.3.2 Cấu tạo

Trong khi các thiết bị chụp cộng hưởng từ hiện đại (MRI) khác nhau đáng kể

về thiết kế và thông số kỹ thuật, tất cả các máy quét MRI bao gồm một số thành phần thiết yếu Đầu tiên, để tạo ra từ hóa spin hạt nhân ròng trong đối tượng cần quét, cần phải có từ trường phân cực Từ trường chính này thường không đổi theo thời gian và không gian và có thể được cung cấp bởi nhiều loại nam châm Khi có từ hóa spin hạt nhân ròng, từ hóa này có thể được xử lý bằng cách áp dụng nhiều loại từ trường thứ cấp với thời gian cụ thể và / hoặc phụ thuộc không gian Chúng thường có thể được phân loại thành từ trường biến thiên, giới thiệu các biến đổi không gian xác định trong

từ trường phân cực, B0 và chiếu xạ tần số vô tuyến (RF), cung cấp từ trường B1 cần thiết để tạo ra từ hóa spin hạt nhân có thể quan sát được Từ trường biến thiên B0 thường được tạo ra bằng cách đặt một dòng điện được cung cấp bởi các bộ khuếch đại gradient cho một tập hợp cuộn dây điện từ trong từ trường chính Tương tự, chiếu

xạ RF được áp dụng cho đối tượng bằng một hoặc nhiều ăng ten hoặc cuộn dây phát

được kết nối với một bộ tổng hợp, bộ suy giảm và bộ khuếch đại được gọi chung là một máy phát Dưới ảnh hưởng của từ trường chính, từ trường biến thiên và chiếu

xạ RF, các hạt nhân trong đối tượng tạo ra tín hiệu RF yếu trong một hoặc nhiều cuộn dây thu sau đó được khuếch đại, lọc và số hóa bởi máy thu Cuối cùng, tín hiệu số hóa được hiển thị và xử lý bởi máy chủ lưu trữ máy quét [2]

Hình 5 Một hệ thống nam châm lâm sàng siêu dẫn (Lịch sử của Siemens) [2]

MRI là một thiết bị hiện đại, có cấu tạo phức tạp, và nguyên tắc tạo ảnh tương đối khó Về mặt phần cứng, thiết bị MRI thường gồm các bộ phận chủ yếu như Hình 9

Hình 6 Cấu tạo máy MRI

từ trường đó

Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ qua bước cơ bản sau:

- Đặt người bệnh vào một từ trường mạnh làm các proton đang có mô men từ phân tán trở nên định hướng song song và đối song song

- Phát sóng radio vào bệnh nhân: mục đích phát sóng radio vào bệnh nhân để kích thích các proton đang ở vị trí định hướng song song hoặc đối song song, và đang quay đảo theo hướng từ trường ngoài “đẩy” các vector thành một vector tổng hợp theo hướng ngang (vuông góc với hướng của từ trường ngoài của máy) Hiện tượng này gọi là hiện tượng “từ hoá ngang” Sóng radio làm giảm hiện tượng từ hoá dọc và tạo mới hiện tượng từ hoá ngang

- Khi ngắt xung RF, từ hóa ngang là trạng thái không ổn định và nhanh chóng phân rã, vectơ từ hoá lại khôi phục trở về vị trí dọc ban đầu Khi momen từ của các proton khôi phục trở lại vị trí dọc ban đầu, chúng sẽ bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu tần số vô tuyến Các tín hiệu này sẽ được cuộn thu nhận tín hiệu (receiver coil) của máy ghi lại (tín hiệu ảnh T1) Các proton đang đảo theo hướng ngang sẽ dần trở lại hướng dọc của từ trường ngoài khi tắt sóng radio Từ hoá ngang giảm dần về không, gọi là thư duỗi ngang, thể hiện bằng khoảng thời gian T2, các tín hiệu nó phát

ra được ghi lại để tạo ảnh T2

- Sau khi tắt sóng radio, các tín hiệu dòng điện thu được cũng giảm dần về không Định vị các tín hiệu này dựa vào tình trạng chênh lệch từ lực dọc theo khung máy Độ dày của các bước chênh lệch từ trường chính là độ dày của lớp cắt

- Bằng cách điều chỉnh các giá trị TR và TE của T1 và T2, ta thu được các tương phản ảnh tương ứng với một đặc tính mô riêng biệt

Hình 7 Bằng cách điều chỉnh các giá trị TR và TE của T1 và T2, ta thu được các

tương phản ảnh tương ứng với một đặc tính mô riêng biệt

- Thời gian thư dãn theo trục dọc (longitudinal relaxation time) (T1) là thời gian cần thiết để hiện tượng từ hóa dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó

- Thời gian cần thiết để 63% giá trị từ hoá ban đầu bị phân rã gọi là thời gian thư dãn theo trục ngang (transverse relaxation time) (T2)

- TR (Time of Repetition) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn dọc đến khi mức độ từ hoá của mô được đo để tạo ra tương phản ảnh Xác định giá trị TR là xác định thời điểm chụp ảnh

- TE (Time of Echo event) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu dãn ngang đến khi mức độ từ hoá của mô được đo để tạo ra tương phản ảnh Các giá trị kết hợp giữa

TE và TR được chọn qua các bảng tuỳ thuộc vào từng loại mô

- PD (Proton Density) là ảnh khảo sát mật độ proton Số lượng proton có trong

tế bào và mô, không liên quan với thời gian T1 và thời gian T2 Mô nào có đậm độ proton càng cao thì tín hiệu cộng hưởng từ càng mạnh

Đối với sự tương phản hình ảnh fMRI, T2* là sự kết hợp của T2 và các chất khác trong từ trường Máy quét có thể được lập trình để loại bỏ ảnh hưởng của những điểm không đồng nhất này hoặc nhấn mạnh chúng Nó là cơ sở của BOLD fMRI

2.3.4 MRI chức năng (fMRI)

Phần lớn kiến thức của con người về bộ não đã đến từ nghiên cứu về cấu trúc của MRI, đáng chú ý là do các rối loạn thần kinh liên quan đến các mô hình chấn thương não gây ra chúng Tuy nhiên, các nghiên cứu về cấu trúc bị hạn chế ở chỗ chúng không thể tiết lộ những thay đổi sinh lý ngắn hạn liên quan đến hoạt động tích cực của não Các nghiên cứu về thần kinh chức năng có thể giúp khắc phục giới hạn này bằng cách xác định các phần khác nhau của não nơi xảy ra các quá trình tâm thần

cụ thể và bằng cách mô tả các mô hình kích hoạt não liên quan đến các quá trình đó Trong thực tế, các nghiên cứu về thần kinh thị giác thành công xây dựng các bản đồ liên kết kích hoạt não với chức năng thần kinh Các hành vi hoặc đặc điểm tính cách phức tạp có liên quan đến các vùng não rời rạc, các nhà nghiên cứu hiện đại nhận định lại rằng nhiều chức năng dựa trên các mạng phân tán và một vùng não duy nhất

có thể tham gia nhiều hơn một chức năng

Bảng 1 Các phương pháp hình ảnh thần kinh

Hình ảnh cấu trúc não Hình ảnh chức năng não

Hình ảnh cấu trúc não liên quan đến

việc nghiên cứu cấu trúc não và chẩn

đoán bệnh và chấn thương

Hình ảnh não chức năng có thể được

sử dụng để nghiên cứu cả quá trình nhận thức và tình cảm

- Computed axial tomography (CAT) - Positron emission tomography (PET),

- Magnetic resonance imaging (MRI) - Functional magnetic resonance (fMRI)

- Positron emission tomography (PET) - Magingelectroencephalography (EEG)

- Magnetoencephalography (MEG)

Chức năng thần kinh đã đuợc nghiên cứu bằng nhiều phương pháp trước khi fMRI đạt được sự nổi bật trong thập kỷ qua (Bảng 1) Trước đó, kỹ thuật thần kinh chức năng được sử dụng phổ biến nhất là chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), dựa trên việc tiêm chất đánh dấu phóng xạ để đo lường sự thay đổi trong não, như lưu lượng máu hoặc chuyển hóa glucose Sử dụng PET, các nhà nghiên cứu có thể xác định các phần của bộ não có liên quan về mặt chuyển hóa với chức năng nhận thức, vận động hoặc nhận thức nhất định, như nhìn thấy khuôn mặt, di chuyển bàn tay phải hoặc đọc thuộc lòng Tuy nhiên, hình ảnh PET bị một số nhược điểm Những điều này bao gồm sự xâm lấn của việc tiêm phóng xạ, chi phí tạo ra các đồng vị phóng xạ

và tốc độ chậm mà hình ảnh thu được Sự phát triển của fMRI đã dẫn đến một sự bùng nổ của sự quan tâm đến hoạt động thần kinh chức năng Hầu hết các nghiên cứu fMRI đo lường sự thay đổi oxy hóa máu theo thời gian Bởi vì nồng độ oxy trong máu thay đổi nhanh chóng sau hoạt động của các tế bào thần kinh trong một vùng não, fMRI cho phép các nhà nghiên cứu định vị hoạt động của não trên cơ sở từng giây và trong phạm vi milimet gốc Và, bởi vì những thay đổi trong quá trình oxy hóa máu xảy ra nội tại (nội sinh) như là một phần của sinh lý não bình thường, fMRI là một kỹ thuật không xâm lấn có thể được lặp đi lặp lại nhiều lần khi cần thiết trong cùng một cá nhân Vì những ưu điểm này, fMRI đã nhanh chóng được áp dụng như một công cụ điều tra chính bởi hàng ngàn nhà nghiên cứu tại hàng trăm tổ chức [9]

Chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) là một kỹ thuật để đo hoạt động của não Nó hoạt động bằng cách phát hiện những thay đổi trong oxy máu và lưu lượng máu xảy ra để đáp ứng với hoạt động thần kinh Bộ não của có khả năng rất nhiều điều đáng kinh ngạc Nhưng vì không có gì từ không có gì, nó cần rất nhiều năng lượng để duy trì chức năng của nó, và hoạt động gia tăng tại một địa điểm làm tăng mức tiêu thụ năng lượng cục bộ dưới dạng oxy (O2) được mang theo bởi máu Do

đó, chức năng tăng dẫn đến tăng lưu lượng máu đến vị trí tiêu thụ năng lượng Ngay sau khi hoạt động thần kinh, mức oxy trong máu giảm do tiêu thụ năng lượng địa phương Tiếp theo đó là sự gia tăng lưu lượng máu mới và giàu oxy đến khu vực tiêu thụ năng lượng Sau 4 - 6 giây, mức oxy trong máu đạt được Sau khi không còn kích hoạt nơ-ron nữa, tín hiệu sẽ giảm trở lại và thường không hoạt động, trước khi tăng trở lại mức cơ bản [16]

Tóm lại, fMRI là một trong những công cụ có sẵn cho các nhà thần kinh học Đây là một kỹ thuật đo lường có thể cung cấp thông tin về chuyển hóa não ở những người khỏe mạnh Các kỹ thuật đo lường cung cấp một hướng của quan hệ nhân quả: rằng một hành vi cụ thể (hoặc nhận thức hoặc suy nghĩ) gây ra một sự thay đổi cụ thể (hoặc thay đổi) trong chức năng não Các kỹ thuật điều khiển cung cấp hướng nhân quả khác, cho thấy những thay đổi cụ thể trong chức năng não gây ra những thay đổi

cụ thể trong cơ thể Thông thường, các kỹ thuật thao tác làm hỏng não theo một cách nào đó, dẫn đến sự thay đổi đột ngột trong hành vi Do đó, hai lớp kỹ thuật này có cách sử dụng bổ sung và sự kết hợp của chúng cung cấp một cách tiếp cận mạnh mẽ

để nghiên cứu về nhận thức của con người

2.3.4.1 Lịch sử phát triển và đặc tính độ tương phản BOLD

Trong khi nghiên cứu cấu trúc phân tử của hemoglobin vào năm 1936, nhà hóa học người Mỹ và người đoạt giải Nobel Linus Pauling và sinh viên Charles Coryell

đã phát hiện ra một thực tế đáng chú ý về bản chất: phân tử hemoglobin có tính chất

từ tính khác nhau tùy thuộc vào việc có hay không nó liên kết với oxy Hb nghịch từ

nó không có các electron chưa ghép cặp và moment từ không Ngược lại, dHb thuận từ; nó có cả các electron chưa ghép cặp và moment tử Máu khử oxy hoàn toàn có độ nhạy từ tính lớn hơn khoảng 20% so với máu giàu oxy Pauling và Coryell lưu ý một cách gượng gạo rằng thực tế này đã trốn tránh các nhà nghiên cứu trước đó, bao gồm nhà vật lý vĩ đại thế kỷ 19 Michael Farada chỉ bởi vì họ không tách máu động mạch (chỉ chứa Hb) từ máu tĩnh mạch (có chứa cả Hb và HbO) Bởi vì các cường độ từ trường khác nhau và do đó sẽ bắt đầu ở các tần số khác nhau, dẫn đến sự phân rã từ tính ngang nhanh hơn (nghĩa là một T2 * ngắn hơn) Do đó, các chuỗi xung MR nhạy

với T2 * sẽ hiển thị nhiều tín hiệu MR hơn khi máu khử oxy cao và dự đoán này đã được xác minh bằng thực nghiệm vào đầu những năm 1980 bởi Thulborn và các đồng nghiệp, người đã phát hiện ra rằng sự phân rã của từ hóa ngang phụ thuộc vào tỷ lệ hemoglobin oxy hóa trong ống nghiệm máu Lưu ý rằng cường độ của hiệu ứng này tăng theo bình phương cường độ của từ trường tĩnh Ở cường độ trường thấp (tức là, dưới 0,5T), có rất ít sự khác biệt về máu, nhưng ở các trường cao hơn (tức là 1,5 T hoặc cao hơn), giá trị của chúng khác nhau đáng kể Vì vậy, từ trường tĩnh mạnh là cần thiết để chụp ảnh MR độ tương phản có trọng số T2 * trong máu Những kết quả này cho thấy, về nguyên tắc, sự thay đổi oxy trong máu có thể được đo bằng MRI

Độ tương phản BOLD: vào cuối những năm 1980, Seiji Ogawa, một nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bell, đã điều tra khả năng kiểm tra sinh lý não bằng MRI Ogawa và các đồng nghiệp đã nhận ra rằng MRI không phù hợp để kiểm tra trực tiếp các quá trình sinh lý Do tương phản MRI chuẩn dựa trên các sản phẩm của hydro, nên tính phổ biến của hydro trong nước trong cơ thể ngăn cản việc phát hiện những thay đổi rất tinh tế về nồng độ liên quan đến hầu hết các phản ứng trao đổi chất Để MRI có ích trong việc đo lường sinh lý, nó cần phải nhạy cảm với một

số biện pháp chuyển hóa gián tiếp Một khả năng là lưu lượng máu, vì các quá trình trao đổi chất đòi hỏi oxy được cung cấp thông qua huyết sắc tố trong hồng cầu Dựa trên công trình trước đây của Thulbom và các đồng nghiệp, Ogawa đã đưa ra giả thuyết rằng việc thao túng tỷ lệ oxy trong máu sẽ ảnh hưởng đến khả năng hiển thị của các mạch máu trên hình ảnh có trọng lượng T2 * Trong một nghiên cứu năm

1990, Ogawa và các đồng nghiệp đã kiểm tra giả thuyết này bằng cách quét các loài gặm nhấm gây mê bằng cách sử dụng MRI trường cao (7,0T trở lên) Họ đã thay đổi

tỷ lệ oxy mà động vật thở Khi loài gặm nhấm hít thở oxy nguyên chất, hình ảnh của chúng chỉ cho thấy sự khác biệt về cấu trúc giữa các mô Nhưng khi loài gặm nhấm hít thở không khí bình thường (21% oxy), hình ảnh mang một đặc điểm rất khác Các vạch tối mỏng có thể nhìn thấy trên toàn bộ vỏ não và nếu hàm lượng oxy giảm tới 0%, các đường này càng trở nên nổi bật hơn Họ gán các đường mỏng này cho các hiệu ứng cảm biến từ tính của máu khử oxy trong các mạch máu Ngược lại, khi huyết sắc tố liên kết với oxy, nó nghịch từ và ít ảnh hưởng đến từ trường xung quanh Để

xác minh sự giải thích này, họ đã đặt các ống nghiệm có máu được oxy hóa hoặc khử oxy vào một vật chứa chứa đầy nước muối và tạo ra hình ảnh bằng cách sử dụng cả chuỗi xung spin-echo và gradient-echo Hình ảnh spin-echo phần lớn không nhạy cảm với hiệu ứng T2 *, trong khi hình ảnh gradient-echo bị biến dạng bởi sự phân rã của T2 * Những kết quả đã chứng minh một cách dứt khoát rằng máu khử oxy làm giảm tín hiệu MR đo được trong hình ảnh T2 * Ogawa và các đồng nghiệp đã suy đoán rằng sự tương phản phụ thuộc mức oxy hóa máu này có thể xác định các khu vực hoạt động não tăng lên Họ đưa ra giả thuyết hai cơ chế không thể kết luận Đầu tiên, hoạt động của tế bào thần kinh có thể làm tăng mức tiêu thụ oxy, điều này sẽ làm tăng lượng hemoglobin bị khử oxy, do lưu lượng máu không đổi Ngoài ra, lưu lượng máu tăng lên trong trường hợp không có nhu cầu trao đổi chất tăng có thể làm giảm lượng huyết sắc tố khử oxy Độ tương phản BOLD phụ thuộc vào tổng lượng HbO có trong một vùng não, do đó phụ thuộc vào sự cân bằng giữa mức tiêu thụ oxy

và cung cấp oxy Khi hoạt động của tế bào thần kinh tăng lên, người ta có thể dự đoán rằng mức tiêu thụ oxy cũng sẽ tăng lên, dẫn đến HbO nhiều hơn và hình ảnh MR tối hơn [9]

Mức oxy trong máu chính xác là những gì đo được với fMRI Máy quét MRI

có thể đo lường sự thay đổi của từ trường gây ra bởi sự khác biệt về tính mẫn cảm từ tính của máu oxy hóa (nghịch từ) và deoxygenated (thuận từ) Do đó, tín hiệu được gọi là phản ứng phụ thuộc nồng độ oxy trong máu (BOLD)

Hình 8 Chất trắng

Do tín hiệu BOLD phải được đo nhanh, độ phân giải của hình ảnh chức năng thường thấp hơn (2-4mm) so với độ phân giải của hình ảnh cấu trúc (0,5-1,5mm) Nhưng điều này phụ thuộc mạnh mẽ vào cường độ của từ trường trong máy quét, ví dụ: 1,5T, 3T hoặc 7T Trong một hình ảnh chức năng, chất xám được xem là sáng và chất trắng là màu tối, điều này hoàn toàn ngược lại với hình ảnh cấu trúc

Trong thí nghiệm fMRI đơn giản nhất, một đối tượng xen kẽ giữa các giai đoạn thực hiện một nhiệm vụ cụ thể và trạng thái điều khiển, chẳng hạn như các khối

30 giây nhìn vào một kích thích thị giác xen kẽ với các khối 30 giây khi nhắm mắt

Dữ liệu fMRI được phân tích để xác định các vùng não trong đó tín hiệu MR có mô hình thay đổi phù hợp và các vùng này được lấy để kích hoạt bởi kích thích (trong ví

dụ này, vỏ thị giác ở phía sau đầu)

Hình 9 Biến động tự phát trong hoạt động não quan sát với hình ảnh cộng hưởng

từ chức năng

2.3.4.2 Thu nhận dữ liệu MRI

Hình 10 Não bộ [16]

Bộ não chiếm không gian, vì vậy khi thu thập dữ liệu về cách nó lấp đầy không gian Tất cả dữ liệu thể tích cần thiết để tạo ra hình ảnh 3D hoàn chỉnh của não được ghi ở một mốc thời gian duy nhất Dữ liệu được đo bằng voxels, giống như các pixel được sử dụng để hiển thị hình ảnh trên màn hình của bạn, chỉ ở chế độ 3D Mỗi voxel

có một kích thước cụ thể, trong trường hợp này là 1mm x 1mm x 1mm: một khối lập phương, do đó, nó có cùng kích thước từ mọi phía (đẳng hướng) Mỗi voxel chứa một giá trị đại diện cho tín hiệu trung bình được đo tại vị trí đã cho

Một thể tích giải phẫu tiêu chuẩn, với độ phân giải voxel đẳng hướng 1mm chứa gần 17 triệu voxels, được sắp xếp theo ma trận 3D 256 x 256 x 256 voxels Hình

8 cho thấy một lát cắt - một lớp của ma trận 3D lớn - thông qua một thể tích não và lưới xếp chồng hiển thị hai chiều còn lại của các voxels

Hình 11 Voxels [16]

Khi máy quét có thể đo được toàn bộ thể tích cùng một lúc, nó phải đo từng phần của bộ não theo thời gian Điều này được thực hiện bằng cách đo một mặt phẳng của não (nói chung là mặt phẳng ngang) sau mặt phẳng khác Một mặt phẳng như vậy cũng được gọi là một lát Do đó, độ phân giải của dữ liệu thể tích đo được phụ thuộc vào độ phân giải trong mặt phẳng (kích thước của hình vuông trong hình trên), số lát

và độ dày của chúng (có bao nhiêu lớp) và bất kỳ khoảng trống nào có thể có giữa các lớp

Chất lượng của dữ liệu đo được phụ thuộc vào độ phân giải và các tham số sau: + Thời gian lặp lại (TR): thời gian cần thiết để quét một tập

+ Thời gian thu thập (TA): thời gian cần thiết để quét một lát TA = TR - (TR / số lát)

+ Trường quan sát (FOV): xác định phạm vi của một lát, ví dụ: 256mm x 256mm

Máy quét MRI xuất dữ liệu thần kinh của chúng ở định dạng dữ liệu thô mà hầu hết các gói phân tích không thể hoạt động DICOM là một định dạng hình ảnh y

tế thô, chuẩn, phổ biến ngoài ra định dạng PAR / REC từ máy quét Philips Dữ liệu thô được lưu ở định dạng k-space và nó cần được chuyển đổi thành định dạng mà các gói phân tích có thể sử dụng Định dạng thường xuyên nhất cho dữ liệu mới được tạo

ra được gọi là NIfTI Nếu bạn đang làm việc với các bộ dữ liệu cũ hơn, bạn có thể

gặp dữ liệu ở định dạng Analyze Các định dạng dữ liệu MRI sẽ có một hình ảnh và một phần tiêu đề Đối với định dạng NifTI, chúng ở cùng một tệp (.nii-file), trong khi

ở định dạng Analyze cũ hơn, chúng ở trong các tệp riêng biệt (.img và hdr-file)

+ Hình ảnh là dữ liệu thực tế và được biểu thị bằng ma trận 3D có chứa một giá trị (ví dụ: giá trị màu xám) cho mỗi voxel

+ Tiêu đề chứa thông tin về dữ liệu như kích thước voxel, voxel mở rộng theo từng chiều, số điểm thời gian đo, ma trận biến đổi đặt ma trận 3D từ phần hình ảnh trong hệ tọa độ 3D, v.v

Đối với fMRI, ngay sau khi hoạt động thần kinh, mức oxy trong máu giảm do tiêu thụ năng lượng địa phương Tiếp theo đó là sự gia tăng lưu lượng máu mới và giàu oxy đến khu vực tiêu thụ năng lượng Sau 4 - 6 giây, mức oxy trong máu đạt được Sau khi không còn kích hoạt nơ-ron nữa, tín hiệu sẽ giảm trở lại và thường không hoạt động, trước khi tăng trở lại mức cơ bản

Hình 12 Phản hồi BOLD [16]

Do tín hiệu BOLD phải được đo nhanh, độ phân giải của hình ảnh chức năng thường thấp hơn (2-4mm) so với độ phân giải của hình ảnh cấu trúc (0,5-1,5mm)

Nhưng điều này phụ thuộc mạnh mẽ vào cường độ của từ trường trong máy quét, ví dụ: 1,5T, 3T hoặc 7T Trong một hình ảnh chức năng, chất xám được xem là sáng và chất trắng là màu tối, điều này hoàn toàn ngược lại với hình ảnh cấu trúc

Tùy thuộc vào mô hình, chúng tôi nói về các thiết kế liên quan đến related, block or resting-state designs

event-Event-related design: các kích thích được cung cấp cho các đối tượng trong máy quét trong một thời gian ngắn Các kích thích chỉ được quản lý ngắn gọn và nói chung theo thứ tự ngẫu nhiên Kích thích thường là thị giác, nhưng kích thích có thể nghe được hoặc hoặc kích thích hợp lý khác cũng có thể được sử dụng Điều này có nghĩa là phản hồi BOLD bao gồm các đợt hoạt động ngắn, biểu hiện dưới dạng các cực đại và sẽ trông giống hoặc ít hơn giống như dòng được hiển thị trong biểu đồ bên trên

Block design: Nếu nhiều kích thích có tính chất tương tự được hiển thị trong một khối hoặc pha, trong 10-30 giây, đó là thiết kế khối Thiết kế như vậy có những

ưu điểm là đỉnh trong tín hiệu BOLD không chỉ đạt được trong một khoảng thời gian ngắn mà được nâng lên trong một thời gian dài hơn, tạo ra một cao nguyên trong biểu

đồ Điều này giúp dễ dàng phát hiện sự gia tăng kích hoạt cơ bản

Resting-state design: Thiết kế trạng thái nghỉ có được dữ liệu trong trường hợp không có kích thích Các đối tượng được yêu cầu nằm yên và nghỉ ngơi trong máy quét mà không ngủ Mục tiêu của việc quét như vậy là ghi lại kích hoạt não trong trường hợp không có nhiệm vụ bên ngoài Điều này đôi khi được thực hiện để phân tích kết nối chức năng của não

2.3.4.3 Phân tích hình ảnh fMRI

Có nhiều bước khác nhau liên quan đến phân tích hình ảnh thần kinh và không chỉ có một thứ tự để thực hiện chúng Tùy thuộc vào nhà nghiên cứu, mô hình trong tay hoặc phương thức được phân tích (sMRI, fMRI, dMRI), thứ tự có thể khác nhau Một số bước có thể xảy ra sớm hơn hoặc muộn hơn hoặc có thể bị bỏ lại hoàn toàn Tuy nhiên, quy trình chung để phân tích fMRI có thể được chia thành ba bước sau: [16]