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19.12.2011 Connectomics
Patrick SternStephan Weinwurm
Connectomics
19.12.2011 Connectomics
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
Das Gehirn1011 Neuronen
1015 Fasern
1350 cm³
Vergleich - Genom
109 Basenpaare
19.12.2011 Connectomics
Connectomics
o Neuer Zweig der Hirnforschung
o High Throughput Anwendung
o Ziel:„Architektur und Funktion des Gehirns basierend auf bildgebenden Verfahren verstehen“
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
19.12.2011 Connectomics
Connectomics
o Microscale: mikroskopische Strukturen
o Macroscale: makroskopische Strukturen und ihre Verbindungen
o Mesoscale: kombiniert Macroscale mit zusätzlichen Informationen über Funktion
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
19.12.2011 Connectomics
Connectomics
o Microscale: mikroskopische Strukturen
o Macroscale: makroskopische Strukturen und ihre Verbindungen
o Mesoscale: kombiniert Macroscale mit zusätzlichen Informationen über Funktion
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
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Diffusion Tensor Imaging
o Spezialisierte Form der Magnetresonanztomographie
o MR misst die Menge an Wasserstoffteilchen
oDTI misst die Bewegung der H-Teilchen
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Diffusion Tensor Imaging
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
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Diffusion Tensor Imaging
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
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Diffusion Tensor Imaging
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
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Diffusion Tensor Imaging
o DTI Aufnahmen aus mehreren Richtungen (min 7)
o Fourier Transformation von Diffusionsraum in Ortsraum
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
19.12.2011 Connectomics
19.12.2011 Connectomics
State of the Art - DTI
o DTI weit verbreitet
o einfache Geräte nötig
o schnell (nur 7 Aufnahmen nötig)
o Schlechtes Signal / Rausch Verhältnis
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
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State of the Art - HARDI
o Verbesserung gegenüber DTI
o Zusätzlicher Berechnungsschritt
oRechenaufwändig
o Verbesserte Winkelauflösung
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State of the Art - DSI
o 515 Diffusionsrichtungen ( bzw. 257 / 129)
o Sehr gute Winkel- und Raumauflösung
o Lange Aufnahmezeit
o Hohe Anforderung an MR-Geräte
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Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
State of the Art - Vergleich
DTI HARDI DSI
# Aufnahmen > 7 > 7 ~515
Dauer ~ wenige Minuten ~ wenige Minuten ~ 40 – 50 min
Signal / Rausch V. ↓ ↓ ↑
Winkelauflösung ↓ ~ ↑
Sonstiges Zusätzlicher Berechnungsschritt
Hohe Anforderungen an MR
19.12.2011 Connectomics
19.12.2011 Connectomics
Zukunft
o Verbesserte Winkel – und Raumauflösung
o Verbessertes Signal / Rauschverhältnis
o Verkürzte Aufnahmezeit
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
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Traktographie
o Berechnung der Fasernverläufe
o viele verschiedene Algorithmen
o Ergebnis sehr abhängig von Bildqualität
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State of the Art
o Viele verschiedene Algorithmen
o Oftmals spezialisiert auf DTI/HARDI/DSI
o Faserkreuzungen problematisch
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Zukunft
o HARDI im Vormarsch
o Bessere Erkennung von Faserkreuzungen und Kiss-Crossings
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Visualisierung
o Sehr große Datenmengen
o Übersichtliche Darstellung
o Echtzeitinteraktion
o klinische Anwendung vs. Forschung
o Clustering
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Visualisierung
3D / 2D Kombination
o Übersichtliche Darstellung
o Echtzeitinteraktion
o klinische Anwendung vs. Forschung
A Novel Interface for Interactive Exploration of DTI Fibers Exploring 3D DTI Fiber Tracts with Linked 2D Representations
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Visualisierung
spezialisierte 3D Darstellung
o mehr Visualisierung als Interaktion
o sehr vielseitig einsetzbar
Depth-Dependent Halos: Illustrative Rendering of Dense Line Data
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Visualisierung
2D Darstellung
o Simple Repräsentation
o Räumliche Darstellung schwer vorstellbar
o Orientiert sich an Anatomiebüchern
Fiber Stippling: An Illustrative Rendering for Probabilistic Diffusion Tractography
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Visualisierung
DTI / HARDI kombiniert
o „Best of both Worlds“ - Ansatz
o Unterschiedliche Algorithmen
o abhängig von Voxel
Fused DTI/HARDI Visualization
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Visualisierung
Real-Time Visualisierung
o Ergebnis wird während der DTI - Aufnahme gerendert
o jedes neue DTI Bild verbessert Ergebnisbild
o speziell für klinischen Einsatz
Real-time MR diffusion tensor and Q-ball imaging using Kalman filtering
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Der Schritt zu Gehirnnetzwerken
Faserverlauf zwischen Hirnregionen
o Keine Standardregionen (Struktur vs Funktion)
o Kriterien für Konnektivität
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19.12.2011 Connectomics
Arten der Connectivity
Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung
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Motivation für Analyse
o Quantifizieren:Gehirnnetzwerks
o Zusammenhang:Strukturelle & Funktionale Verbindungen
o Diagnose:Neurologische und psychiatrische Fehlstörungen
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Eigenschaften von (Gehirn-)Netzwerken
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Small-World Netzwerke
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Arten der Connectivity
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Anwendung zur Diagnose
o fMRI: Small-World Netzwerke gestört
o EEG: Clustering und Pfadlänge wie in zufälligen Netzwerken
o Strukturales MRI: Hierarchie in anatomischen Netzwerk flacher
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Wir danken herzlichst für eure Aufmerksamkeit!
Connectomics
Patrick SternStephan Weinwurm
![Glas Srpske [broj 12702, 19.12.2011]](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/577d23601a28ab4e1e99a4dd/glas-srpske-broj-12702-19122011.jpg)
