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Moderne nicht-invasive Methoden zur Erforschung des menschlichen Gehirns Priv.-Doz. Dr. Carsten Wolters Dr.rer.nat. Harald Kugel Dr.med. Gabriel Möddel.

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Präsentation zum Thema: "Moderne nicht-invasive Methoden zur Erforschung des menschlichen Gehirns Priv.-Doz. Dr. Carsten Wolters Dr.rer.nat. Harald Kugel Dr.med. Gabriel Möddel."—  Präsentation transkript:

1 Moderne nicht-invasive Methoden zur Erforschung des menschlichen Gehirns Priv.-Doz. Dr. Carsten Wolters Dr.rer.nat. Harald Kugel Dr.med. Gabriel Möddel Priv.Doz. Dr. med. Christoph Kellinghaus Priv.-Doz. Dr. Carsten Wolters Dr.rer.nat. Harald Kugel Dr.med. Gabriel Möddel Priv.Doz. Dr. med. Christoph Kellinghaus Vorlesung, 15.Oktober 2013

2 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Outline General planning for this lecture (language? date/time? required knowledge? Participants- -List!) Literature for this lecture Introduction to the lecture (Part 1) General planning for this lecture (language? date/time? required knowledge? Participants- -List!) Literature for this lecture Introduction to the lecture (Part 1)

3 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Aktuelle Vorlesungsplanung 15.Oktober: Vorbesprechung und Motivation (Wolters) 22.Oktober: Einführung Magnetresonanztomographie (MRT) (Kugel) 29.Oktober: Medizinische Grundlagen zur Elektro- (EEG) und Magnetoencephalography (MEG) (Wolters) 5.Nov.: Mathematisch-physikalische Modellierungsgrundlagen zu EEG und MEG, Teil 1 (Wolters) 12.Nov.: Mathematisch-physikalische Modellierungsgrundlagen zu EEG und MEG, Teil 2 (Wolters) 19.Nov.: Grundlagen von Epilepsie und EEG (Kellinghaus) 26.Nov.: Epileptische Anfälle und ihre Behandlung (Kellinghaus) 3.Dez.: Registrierung von MRT: Teil 1 (Wolters) 10.Dez3.: Registrierung von MRT: Teil 2 (Wolters) 17.Dez.: Segmentierung von MRT (Wolters) 7.Jan.: Mathematik des EEG/MEG Vorwärtsproblems, Teil 1 (Wolters) 14.Jan.: Mathematik des EEG/MEG Vorwärtsproblems, Teil 2 (Wolters) 21.Jan.: Mathematik des EEG/MEG inversen Problems, Teil 1 (Wolters) 28.Jan.: Mathematik des EEG/MEG inversen Problems, Teil 2 (Wolters) 4.Feb.: Epilepsiechirurgie, Teil 3 (Möddel) 15.Oktober: Vorbesprechung und Motivation (Wolters) 22.Oktober: Einführung Magnetresonanztomographie (MRT) (Kugel) 29.Oktober: Medizinische Grundlagen zur Elektro- (EEG) und Magnetoencephalography (MEG) (Wolters) 5.Nov.: Mathematisch-physikalische Modellierungsgrundlagen zu EEG und MEG, Teil 1 (Wolters) 12.Nov.: Mathematisch-physikalische Modellierungsgrundlagen zu EEG und MEG, Teil 2 (Wolters) 19.Nov.: Grundlagen von Epilepsie und EEG (Kellinghaus) 26.Nov.: Epileptische Anfälle und ihre Behandlung (Kellinghaus) 3.Dez.: Registrierung von MRT: Teil 1 (Wolters) 10.Dez3.: Registrierung von MRT: Teil 2 (Wolters) 17.Dez.: Segmentierung von MRT (Wolters) 7.Jan.: Mathematik des EEG/MEG Vorwärtsproblems, Teil 1 (Wolters) 14.Jan.: Mathematik des EEG/MEG Vorwärtsproblems, Teil 2 (Wolters) 21.Jan.: Mathematik des EEG/MEG inversen Problems, Teil 1 (Wolters) 28.Jan.: Mathematik des EEG/MEG inversen Problems, Teil 2 (Wolters) 4.Feb.: Epilepsiechirurgie, Teil 3 (Möddel)

4 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Outline Literature for this lecture Introduction to the lecture (Part 1) Literature for this lecture Introduction to the lecture (Part 1)

5 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Literature for this lecture Lecture webside:

6 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Outline Literature for this lecture Introduction to the lecture (Part 1) Literature for this lecture Introduction to the lecture (Part 1)

7 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Basics of clinical EEG and MEG

8 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Electro- (EEG) and Magneto-encephalography (MEG) 275 channel axial gradiometer whole-cortex MEG128 channel EEG 275 channel axial gradiometer whole-cortex MEG128 channel EEG

9 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Spatial and temporal resolution of brain imaging methods [Gazzaniga, Ivry & Mangun, Cognitive Neuroscience, 2nd ed., W.W.Norton & Company, 2002]

10 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Grundlagen klinischer EEG und MEG Anwendungen => Warum also MEG? EEG ist Standard in der klinischen Praxis MEG ist kostenintensiv (Gerätekosten, Wartung, Heliumkühlung…) Datenauswertung ist komplex (wie auch für EEG, fMRT, …) In Deutschland bisher keine Vergütung durch die Krankenkassen EEG ist Standard in der klinischen Praxis MEG ist kostenintensiv (Gerätekosten, Wartung, Heliumkühlung…) Datenauswertung ist komplex (wie auch für EEG, fMRT, …) In Deutschland bisher keine Vergütung durch die Krankenkassen

11 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Grundlagen - MEG MEG registriert nicht-invasiv magnetische Felder neuronaler Aktivität Ähnlich dem EEG: Ableitung neuronaler Aktivität MEG und EEG messen Aktivität derselben Generatoren PET oder fMRT: Indirekte Erfassung neuronaler Aktivität 4D Neuroimaging, San Diego, CA, USA

12 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Magnetische Abschirmkammer

13 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster MEG Interna

14 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Erfassung des magnetischen Flusses Magnetometer Axiales Gradiometer Planares Gradiometer Papanicolaou (Ed.): Clinical Magnetoencephalography and Magnetic Source Imaging Superconducting quantum interference device (SQUID)

15 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster MEG-System am IBB, Uni Münster Finite Elemente Knoten für die MEG Sensor-Beschreibung [Lanfer, diploma thesis, 2007]

16 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Epileptic activity as measured with EEG and MEG

17 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Source analysis in presurgical epilepsy diagnosis 0.5%-1% of world population suffers from epilepsy0.5%-1% of world population suffers from epilepsy 70-80% of patients successfully treated with drugs70-80% of patients successfully treated with drugs For those who are still pharma-resistent after 2-3 drugsFor those who are still pharma-resistent after 2-3 drugs –Probability of success of a further different drug: 6% (Wiebe et al 2001) –Probability of success of a surgical treatment: 50% (Wiebe et al 2001) Indispensable prerequisite for surgery: Focal epilepsy->LocalizationIndispensable prerequisite for surgery: Focal epilepsy->Localization –Gold standard: Video-monitoring and visual inspection of the EEG (Wilson 1996) –MRI: Identification of an underlying lesion –PET and Neuropsychology: Localization of a functional deficit –Source analysis of EEG seizure (ictal) activity (Plummer et al., 2008)EEG seizure (ictal) activity (Plummer et al., 2008) EEG/MEG interictal activity: irritative zone (Stefan et. al., 2003)EEG/MEG interictal activity: irritative zone (Stefan et. al., 2003)

18 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Epileptic spikes in EEG and MEG Clear spike in EEG Nearly no/no signal in MEG

19 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Epileptic spikes in EEG and MEG Clear spike in EEG Nearly no/no signal in MEG Deep source Strongly radially oriented source

20 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster MEG registers mainly tangential source components: Sulci-walls: tangential pyramidal cells -> High amplitudes Diagonal orientation -> Medium amplitude Radial sources hardly produce an MEG: Depth and crown of sulci: radial pyramidal cells -> Low contribution Sensitivity for radial and tangential sources

21 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Epileptic spikes in EEG and MEG Clear signal in MEG, poor signal in EEG Explanation?

22 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Sensitivity Sensitivity EEG > MEG in deep areas But: Sensitivity MEG > EEG in superficial areas Goldenholz et al., 2009

23 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Spikes in EEG and MEG Iwasaki et al., 2005 What should we use? MEG instead of EEG? Only EEG?

24 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Combined EEG and MEG 275 channel axial gradiometer whole-cortex MEG128 channel EEG 275 channel axial gradiometer whole-cortex MEG128 channel EEG

25 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Source analysis of interictal spikes in presurgical epilepsy diagnosis

26 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Averaged interictal EEG spikes Measure EEG and/or MEG [Wolters & Kellinghaus, 2006]

27 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Results of combined EEG/MEG dipole fit Inverse method: Single current dipole [Wolters & Kellinghaus, 2006] EEG data and (transparent) cortex MEG data and (transparent) cortex

28 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Results of combined EEG/MEG L1 norm current density reconstruction Inverse method: L1 norm current density [Wolters & Kellinghaus, 2006] EEG data and (nontransparent) cortex MEG data and (nontransparent) cortex

29 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Source analysis of seizure (ictal) spikes in presurgical epilepsy diagnosis

30 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Typical EEG signals [Gazzaniga, Ivry & Mangun, Cognitive Neuroscience, 2nd ed., W.W.Norton & Company, 2002] Delta ( Hz): Traumlose Tiefschlafphase Gamma(30-70Hz): Starke Konzentr., Lernphase Alpha (8-13Hz): Entspannte Wachheit Theta (4-7Hz): Leichte Schlafphasen Beta (14-30Hz): Hellwach, gute Intelligenzleistung

31 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster EEG Preprocessing [Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

32 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster T1 MRI segmentation [Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

33 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster FE mesh generation [Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

34 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Brain conductivity anisotropy modeling FA map on T1-MRI Original DTI data FA map after registration Effective medium approach model (DTI CTI): Model DTI Conductivity Tensor Image (CTI) [Tuch et al., Ann. NYAS, 1999] Linear model DTI CTI [Tuch et al., PNAS, 2001] Validation of DTI CTI model in silk yarn phantom [Oh et al., ISMRM, 2006] [Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

35 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Presurgical EEG source analysis Goal function scan MNLS Dipole fit (Hämäläinen & Ilmoniemi, 1984) (Mosher, 1992; Knösche, 1997) (Scherg and von Cramon, 1985) sLORETA (Pascual-Marqui, 2002) Result: Behind the lesion in lateral premotor cortex [Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

36 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Validation: Intracranial EEG (iEEG) [Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

37 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster CT and iEEG electrode positions [Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

38 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Validation result (localization) sEEG Dipole fit result iEEG peaking electrodes [Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

39 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Validation result (orientation) sEEG dipole fit result: Source orientation away from the lesion towards the epileptogenic tissue (Salayev et al., 2006; Plummer et al., 2008) [Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

40 Carsten Wolters, IBB, WWU Münster Thank you for your attention!


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