عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی تصویر برداری MRI تشدید مغناطیسی از نانو ذرات
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق- مهندسی پزشکی - بیوالکتریک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده برق و کامپیوتر شماره ثبت: E1362;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 36654;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 1362
- تاریخ دفاع
- ۲۵ آذر ۱۳۸۶
- دانشجو
- علیرضا محمدی نژادکیسمی
- استاد راهنما
- حمید سلطانیان زاده, غلامعلی حسین زاده دهکردی
- چکیده
- تصویربرداری تشدید مغناطیسی از سلول های برچسب گذاری شده توسط نانوذرات ابرپارامغناطیسی اکسیدآهن یکی از زمینه های جدید تحقیقاتی است که اخیرا برای تشخیص بهتر بیماری های مختلف در کاربردهای کلینیکی به وجود آمده است. یکی از موضوعات مطرح در این زمینه، یافتن پارامترهای بهینه برای تشخیص سلول های برچسب گذاری شده می باشد. برای ارزیابی حساسیت رشته پالس های تصویربرداری و همچنین دستیابی به پارامترهای بهینه آنها در تصویربرداری مولکولی، ما در این تحقیق به تهیه یک شبیه ساز پرداختیم. با تغییرات ایجاد شده در این شبیه ساز، ما قادر به مدل کردن شیء (بافت) در مقیاس میکروسکوپی شدیم تا تاثیر توزیع فضایی و غلظت نانوذرات را نیز مورد مطالعه قرار دهیم. در این زمینه ما رشته پالس های گرادیان اکو، و را مورد بررسی قرار دادیم. از نظرحساسیت تشخیص، رشته پالس های گرادیان اکو و در میدان ثابت 5/1 به بالا قادر به تشخیص سلول های برچسب گذاری شده شدند. ما سپس یک مطالعه سیستماتیک را برای بهبود پارامترهای بهینه از قبیل شدت میدان، نوع رشته پالس، میزان اکسیدآهن مورد نیاز برای برچسب گذاری، زمان اکو، زمان تکرار، نسبت سیگنال به نویز، تاثیر محل سلول برچسب گذاری شده داخل واکسل، تاثیر تقسیم سلول برچسب گذاری شده در داخل یک واکسل و رزولوشن انجام دادیم. نتایج شبیه سازی های ما این مسئله را تصدیق می کند که رشته پالس حساس ترین رشته پالس نسبت به وجود اینگونه ناهمگنی ها در داخل جسم می باشد. بعد از آن، رشته پالس های گرادیان اکو و در رده های بعدی قرار دارند. این نتایج همچنین نشان می دهند که اگر ما قادر به تصویربرداری در رزولوشن های مکانی در حدود 40) باشیم، قادر به تشخیص سلول های برچسب گذاری شده حتی در دستگاه های کلینیکی (0/3 تسلا) و برای جرم آهن 0/1 خواهیم بود که با افزایش میزان اکسید آهن تا حدود 30، رزولوشن مکانی را می توان تا حد 280) نیز کاهش داد. همچنین نشان داده شد که کانترست بهینه برای حضور سلول های برچسب گذاری شده هنگامی بهینه است که این سلول ها در مرکز واکسل تصویربرداری قرار بگیرند و نشان داده شد که فرآیند تقسیم سلول برچسب گذاری شده نیز بر روی کانترست ایجاد شده تاثیر چندانی ندارد. همچنین نشان دادیم که کلیه نتایج به برچسب گذاری شده نیز بر روی کانترست ایجاد شده تاثیر چندانی ندارد. همچنین نشان دادیم که کلیه نتایج به دست آمده برای هنگامی که تصویر دارای نویزی گوسی با انحراف معیاری برابر با 15/0، 2/0 و 25/0 میانگین فضای باشد نیز صادق هستند. نتایج به دست آمده در این تحقیق را می توان در آزمایش های عملی سلول های برچسب گذاری شده توسط رشته پالس های گرادیان اکو، و بکار گرفت. علاوه بر آن، ما نشان دادیم که برای ارزیابی و درک بهتر اثر ، می توانیم از شبیه سازی بهره جوییم. برای مطالعه و بررسی اثر ما یک فانتوم تولید کردیم تا به وسیله آن به بررسی پارامتر های مختلفی از جمله میزان اکسیژن موجود در هموگلوبین خون، تاثیر میزان هماتوکریت در داخل سلول های قرمز، قطر رگ و همچنین مکان رگ در داخل واکسل پرداختیم. سپس با تولید تصاویر برای حالت های فعال و غیرفعال به بررسی این عوامل پرداختیم
- Abstract
- Magnetic Resonance Imaging (MRI) of labeled cells with Superparamagnetic Iron Oxide (SPIO) nanoparticles is one of the recent investigations for better disease detection in clinical applications. A major step in this direction would be the improvement of labeled- cell detection by optimizing the imaging protocols and parameters. To evaluate the sensitivity and specificity of MR acquisition methods and to determine optimal imaging parameters for molecular imaging, we extended an MRI simulator (SIMRI simulator). By modifying this simulator, we succeded to model object (tissue) in microscopic level in order to study the effect of spatial distribution and concentration of nanoparticles. Using this tool, we studied Gradient-Echo (GE), True-FISP, and Echo-Planar Imaging (EPI) pulse sequences. In terms of sensitivity of detection, GE and True-FISP pulse sequences detected individual labeled cells in fields with more than 1.5 T strengths. We then conducted a systematic study in terms of the main field strength, pulse sequence, cell iron load for the labeling, echo time, repetition time, signal to noise ratio, effect of the position of SPIO within the voxel, effect of labeled cell division within a voxel, and resolution. Our simulation results establish that the True-FISP pulse sequence is more sensitive than the GE and EPI pulse sequences in detecting the SPIO labeled cells. At 3T field, with 200?m3 and 280?m3 voxel sizes and iron mass of 10 pg, the background signal fluctuations are 3.9% and 3.3%, respectively. In these conditions, considering the cell-induced signal loss as a function of the iron mass, iron masses of 25 pgs and 30 pgs, respectively, are necessary for single cell detection. By contrast, at the 40?m3 resolution, the cell-induced signal loss is well above the Weber ratio even at the iron masses lower that we studied in this work, i.e., 1 pg. Our results show a strong reduction in fractional signal loss when the labeled cell is away from the center of the voxel. Also, our simulation results show that, as long as the divisions happen in the same voxel, the signal loss does not decrease. The results of this simulation study provide a basis for planning experiments aimed at single cell detection with GE, EPI and True-FISP sequences. Furthermore, we showed that for evaluating and realizing BOLD effect, MRI simulation can be used. For studying the BOLD effect we made a digital phantom in order to show the effect of the magnitude of fractional oxygenation (Y), hematocrit (Hct) values in red blood cells, the diameter of vessels, and also the position of blood vessel within the voxel. Then we created echo planar imaging (EPI) images of the phantom under resting and activated states using the simulator and studied these parameters.
