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Medizin_Gehirn (Fach) / mrt_7_dti_LklstnG (Lektion)

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  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - Prinzip: Signalstärke hängt ab von der Distanz, über die ein Wassermolekül pro Zeiteinheit aufgrund von Diffusion verschoben wird („diffusion-weighted imaging - DWI“).
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - Einsatz von,... Einsatz von zwei nacheinander geschalteten Gradientenimpulsen, die Feldgradienten gleicher Größe und Richtung erzeugen
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - Abfolge: (vier Punkte) zunächst erfolgt der 90°-Anregungsimpuls – Kippen der Magnetisierung in die XY-Richtung (beschleunigte) Dephasierung durch ersten Gradientenimpuls 180°-Impuls – Beibehaltung der Dephasierung – Umkehr der Richtung abermaliger, identischer Gradientenimpuls sorgt dafür, dass die Spins wieder in Phase kommen
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - "Probleme" (aber) aber: Rephasierung nur für unbewegte Moleküle bzw. Spins  bei zufälliger Diffusion ergibt sich ein maximaler Signalabfall Spins sind nicht am gleichen Ort, wenn die beiden Gradientenimpulse geschaltet werden die Wirkungen der Gradientenimpulse zu den Zeitpunkten 1 und 2 heben sich nicht auf
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - Bei Diffusion entlang des Gradienten ergibt sich... Bei Diffusion entlang des Gradienten ergibt sich eine Phasendifferenz, die zu der Strecke, die zwischen den beiden Gradientenimpulsen zurückgelegt wurde, proportional ist
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - Bei Diffusion entlang des Gradienten ist die Phasendifferenz.... Bei Diffusion entlang des Gradienten ist die Phasendifferenz proportional zu der Strecke, die zwischen den beiden Gradientenimpulsen zurückgelegt wurde.
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - was gibt Parameter b an: Parameter b gibt Diffusions-Sensitivität an - Signalverlust , der bei einer gegebenenDiffusionsrate zu erwarten ist – hängt ab von Amplitude, Dauer und Abstand der Gradientenimpulse
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - was ist Diffusions Sensitivität Parameter b Signalverlust , der bei einer gegebenen Diffusionsrate zu erwarten ist
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - Wovon hängt Parameter b ab? Diffusions-Sensitivität hängt ab von Amplitude, Dauer und Abstand der Gradientenimpulse
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen - wovon hängt das Signal ab? diffusionsabhängiges Signal
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  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen: -- am Ende sorgt ein identischer Gradientenimpuls dafür, dass die Spins wieder in Phase kommen. ABER: aber: Rephasierung nur für unbewegte Moleküle bzw. Spins
  • Diffusionsgewichtete Messequenzen: BEI... bei zufälliger Diffusion ergibt sich ein maximaler Signalabfall Spins sind nicht am gleichen Ort, wenn die beiden Gradientenimpulse geschaltet werden die Wirkungen der Gradientenimpulse zu den Zeitpunkten 1 und 2 heben sich nicht auf
  • Warum ergibt sich bei zufälliger Diffusion ein maximaler Signalabfall? Spins sind nicht am gleichen Ort, wenn die beiden Gradientenimpulse geschaltet werden die Wirkungen der Gradientenimpulse zu den Zeitpunkten 1 und 2 heben sich nicht auf
  • Diffusionsgewichtete Messsequenzen: Bei Diffusion entlang des Gradienten .... ergibt sich eine Phasendifferenz, die proportional ist zu der Strecke, zwischen den beiden Gradientenimpulsen die zurückgelegt wurde.
  • Diffusionstensormorphometrie - Analyse: (1.,2.,3.) sequentielle Aufnahme vieler Bilder (wie bei der funktionellen Bildgebung) Vorverarbeitung mit Bewegungskorrektur Dann wird für jedes Voxel der Diffusionstensor ermittelt, der Richtung(en) und Stärke der Diffusion angibt.
  • Diffusionstensormorphometrie - Analyse Quantifizierung z.B. als... fraktionelle Anisotropie (FA) – gibt das Maß an, in dem die Diffusion allgemein richtungsabhängig ist
  • Diffusionstensormorphometrie - Analyse - was gibt die FA an? Quantifizierung fraktionelle Anisotropie (FA) – gibt das Maß an, in dem die Diffusion allgemein richtungsabhängig ist
  • Diffusionstensormorphometrie - Analyse: FA spiegelt.... + ... aber nicht den Tensor als Ganzes wider, also auch nicht die spezifische Richtung Zusätzlich ist deshalb noch die Orientierung des Diffusionstensors wichtig, die parallel zu den Fasern der weißen Substanz verläuft
  • Diffusionstensormorphometrie - Analyse: Weshalb ist zusätzlich noch die Orientierungdes Diffusionstensors wichtig? Weil die fraktonelle Anisotropien (FA) nicht den Tensor als Ganzes widerspiegelt , also auch nicht die spezifische Richtung
  • Diffusionstensormorphometrie - Analyse - wie ist die Orientierung des Diffusionstensors? verläuft parallel zu den Fasern der Weißen Substanz
  • Diffusionstensormorphometrie - Analyse : Farbkarten zur... Darstellung der Organisation der weißen Substanz im Gehirn in 2-D Schnittbildern
  • Diffusionstensormorphometrie - Analyse : Farbkarten zur Darstellung der Organisation der weißen Substanz im Gehirn in 2-D Schnittbildern: rot, grün, blau rot : rechts-links grün: anterior - posterior blau: superior - inferior
  • „white matter tractography“: Entdeckung räumlicher Muster im Diffusionstensorfeld
  • Entdeckung räumlicher Muster im Diffusionstensorfeld „white matter tractography“
  • „white matter tractography“ - definierter Startpunkt = „Seed“ Region
  • „white matter tractography“ - „Seed“ Region definierter Startpunkt
  • „white matter tractography“ : Entdeckung räumlicher Muster im Diffusionstensorfeld: ABLAUF definierter Startpunkt - „Seed“ Region Bestimmung der Richtung des Faserverlaufs Wiederholung für neue Lokalisation entlang des Pfads, bis der Pfad vollständig beschrieben ist
  • Wofür ist die diffusionsgewichtete Bildgebung auch geeignet? Warum? Beispiel Auch zum Einsatz in der Diagnostik ist die diffusionsgewichtete Bildgebung geeignet. Effekte eines Schlaganfalls können schon in den ersten Stunden nach dem Ereignisdiagnostiziert werden. Diffusion ist zunächst gestört, was zu einem geringeren diffusionsbedingten Signalverlust führt – betroffene Areale sind hell dargestellt. Nach einigen Tagen kehrt sich der Kontrast um. Die Diffusion wird erleichtert und derSignalverlust größer – betroffene Areale sind dunkler.
  • neuronales Korrelat der Fehlerverarbeitung? ACC Anteriorer Cigulärer Cortex
  • diffusionsgewichtete Bildgebung -- Beispielstudie 1: Kombination aus Traktographie, Läsionsanalyse und EEG
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  • diffusionsgewichtete Bildgebung : Beispielstudie 1 -- Worum gehts? Fehlerverarbeitung bei Patienten mit Thalamus-Läsionen – warum? Anteriorer Cingulärer Cortex als neuronales Korrelat der Fehlerverarbeitung Projektionen vom Thalamus zum ACC
  • diffusionsgewichtete Bildgebung : Beispielstudie 1 -- Hypothese Reduktion der „Error-related Negativity“ bei Patienten mit Läsionen in den Teilen des Thalamus, die zum ACC projizieren
  • diffusionsgewichtete Bildgebung : Beispielstudie 1 -- Aufbau -- 1.: (Stichprobe, wozu, ...) 1. Studie mit 16 jungen gesunden Probanden zur Ermittlung der strukturellen Konnektivität zwischen Thalamus und ACC DTI: 3T, TR/TE 12 s/100 ms, b = 1000 s/mm 2 , 60 Diffusionsrichtungen “anterior mid-cingulate cortex” (a MCC) als “Seed”, thalamische Kerne VA/VLa als Zielregion Umkehrung der Richtung im zweiten Schritt Ermittlung des Anteils der in der “Seed”-Region entspringenden Fasern, die das Zielgebiet erreichen signifikant stärkere Verbindung von aMCC mit VA/VLa als mit anderen thalamischen Regionen
  • diffusionsgewichtete Bildgebung: Beispielstudie 1:-- ERGEBNIS signifikant stärkere Verbindung von aMCC mit VA/VLa als mit anderen thalamischen Regionen
  • VA/ VLa, a MCC Ventral Anterior/Lentral Lateral -thalamische Kerne ; anterior mid-Cingulate Cortex
  • diffusionsgewichtete Bildgebung : Beispielstudie 1 -- Aufbau -- 2.: (Stichprobe, wozu, ...) Seifert et al. (2011): Fehlerverarbeitung bei Patienten mit Thalamus-Läsionen 2) Einteilung von Patienten mit Thalamusläsionen in zwei Gruppen: mit und ohne VA/VLa-Schädigung
  • diffusionsgewichtete Bildgebung : Beispielstudie 1: Ablauf -- 3.: 3) Untersuchung der Fehlerverarbeitung mit einer Flankeraufgabe (s.o.)
  • diffusionsgewichtete Bildgebung Beispielstudie 1: ZUSAMMENFASSUNG DER ENDERGEBNISE Veränderung der Fehlerverarbeitung, gemessen mit EEG, nur bei Patienten mit Läsionen in VA/VLa  DTI als Rechtfertigung für die Klassifikation der Läsionen Hypothese bzgl. der Rolle des Thalamus beruhte auf anatomischen Faserverbindungen zwischen Thalamus und ACC
  • diffusionsgewichtete Bildgebung -- Beispielstudie 2: Das menschliche Konnektom- Unterschiede zwischen Männern & Frauen
  • diffusionsgewichtete Bildgebung -- Beispielstudie 2: Hypothese Hypothese: Männer und Frauen unterscheiden sich hinsichtlich der inter- & intra-hemisphärischen Verbindungen ( strukturelles Konnektom - SC )
  • diffusionsgewichtete Bildgebung -- Beispielstudie 2: Stichprobe - N = 949 (davon m = 428; w = 521)- Alter: 8 -22 ( M = 15.11; SD = 3.5)
  • diffusionsgewichtete Bildgebung -- Beispielstudie 2: METHODE diffusionsgewichtete Bildgebung mit3T, TR/TE 8100 ms, 82 ms, b = 1000 s/mm 2 95 Regionen (68 kortikal) 64 Diffusionsrichtungen 95 x 95 Matrix (W) spiegelt Stärke der Verbindungen zwischen Regionen wider T-Tests zwischen Geschlechtsgruppen – ergibt T-Matrix
  • diffusionsgewichtete Bildgebung -- Beispielstudie 2:: Ergebnisse Männer: stärkere intrahemisphärische Verbindungen Frauen: stärkere interhemisphärische Verbindungen außer Cerebellum: dort zeigt sich ein umgekehrtes Muster ausgeprägtes System für koordiniertes Handeln und für Wahrnehmungs-Handlungs-Assoziationen bei Männern System zur besseren Integration analytischer und intuitiver Verarbeitung bei Frauen
  • DTI kann eingesetzt werden, um... Aufschluss über Verbindungen im normalen, gesunden Gehirn zu erhalten und daraus Hypothesen über funktionelle Interaktionen zwischen Arealen und Defizitmuster nach Läsionen abzuleiten
  • DTI eignet sich aber auch, um... Dabei... strukturelle Unterschiede im Gehirn zwischen Probandengruppen zu untersuchen Dabei können Aussagen über die Stärke von Faserverbindungen zwischen Regionen getroffenwerden
  • Ergebnisse von VBM-Studien und Studien mit funktioneller Bildgebung werden.... typischerweise in MNI-Koordinaten (Standard-Gehirn des Montreal-Neurological Institute) angegeben
  • Wie wird von den MNI Koordinaten ausgehend die anatomische Struktur bestimmt? 1) 1) Referenz zum Talairach-Gehirn Transformation  der MNI-Daten in Talairach-Daten Bestimmung der Struktur (bei Kortikalen Arealen des Brodmannareals) in Bezug auf das Talairach-Gehirn NACHTEIL: Daten basiern nur auf einem Standardgehirn, interindividuelle Varianz wird nicht berücksichtigt nur scheinbare Genauigkeit
  • Wie wird von den MNI Koordinaten ausgehend die anatomische Struktur bestimmt? 2) 2) anatomische Wahrscheinlichkeitskarten Die Arbeitsgruppe von Prof. Karl Zilles und Prof. Katrin Amunts (Düsseldorf und Jülich) hat, basierend auf vielen Post-Mortem-Gehirnen bzw. hochauflösenden MRT-Bildern, Wahrscheinlichkeitskarten für verschiedene kortikale und subkortikale neuronale Strukturen entwickelt. Mit Hilfe dieser Karten kann für eine gegebene Koordinate die Wahrscheinlichkeit bestimmt werden, mit der sie in einer spezifischen Struktur liegt.
  • Lokalisation im Gehirn wichtig!! Plausibilität der Angaben muss immer geprüft werden eigene anatomische Kenntnisse erforderlich

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