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19.12.2011 Connectomics Patrick Stern Stephan Weinwurm Connectomics.

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Präsentation zum Thema: "19.12.2011 Connectomics Patrick Stern Stephan Weinwurm Connectomics."—  Präsentation transkript:

1 19.12.2011 Connectomics Patrick Stern Stephan Weinwurm Connectomics

2 19.12.2011 Connectomics Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung Das Gehirn 10 11 Neuronen 10 15 Fasern 1350 cm³ Vergleich - Genom 10 9 Basenpaare

3 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

4 19.12.2011 Connectomics Connectomics o Microscale: o Microscale: mikroskopische Strukturen Macroscale: o Macroscale: makroskopische Strukturen und ihre Verbindungen Mesoscale: o Mesoscale: kombiniert Macroscale mit zusätzlichen Informationen über Funktion Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

5 19.12.2011 Connectomics Connectomics o Microscale: o Microscale: mikroskopische Strukturen Macroscale: o Macroscale: makroskopische Strukturen und ihre Verbindungen Mesoscale: o Mesoscale: kombiniert Macroscale mit zusätzlichen Informationen über Funktion Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

6 19.12.2011 Connectomics Diffusion Tensor Imaging o o Spezialisierte Form der Magnetresonanztomographie o MR misst die Menge an Wasserstoffteilchen o DTI misst die Bewegung der H-Teilchen Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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8 19.12.2011 Connectomics Diffusion Tensor Imaging Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

9 19.12.2011 Connectomics Diffusion Tensor Imaging Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

10 19.12.2011 Connectomics Diffusion Tensor Imaging Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

11 19.12.2011 Connectomics Diffusion Tensor Imaging o o DTI Aufnahmen aus mehreren Richtungen (min 7) o Fourier Transformation von Diffusionsraum in Ortsraum Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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13 19.12.2011 Connectomics State of the Art - DTI o 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

14 19.12.2011 Connectomics State of the Art - HARDI o o Verbesserung gegenüber DTI o Zusätzlicher Berechnungsschritt o Rechenaufwändig o Verbesserte Winkelauflösung Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

15 19.12.2011 Connectomics State of the Art - DSI o o 515 Diffusionsrichtungen ( bzw. 257 / 129) o Sehr gute Winkel- und Raumauflösung o Lange Aufnahmezeit o Hohe Anforderung an MR-Geräte Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

16 19.12.2011 Connectomics Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung State of the Art - Vergleich

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18 19.12.2011 Connectomics Zukunft o o Verbesserte Winkel – und Raumauflösung o Verbessertes Signal / Rauschverhältnis o Verkürzte Aufnahmezeit Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

19 19.12.2011 Connectomics Traktographie o o Berechnung der Fasernverläufe o viele verschiedene Algorithmen o Ergebnis sehr abhängig von Bildqualität Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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22 19.12.2011 Connectomics State of the Art o o Viele verschiedene Algorithmen o Oftmals spezialisiert auf DTI/HARDI/DSI o Faserkreuzungen problematisch Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

23 19.12.2011 Connectomics Zukunft o o HARDI im Vormarsch o Bessere Erkennung von Faserkreuzungen und Kiss-Crossings Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

24 19.12.2011 Connectomics Visualisierung o o Sehr große Datenmengen o Übersichtliche Darstellung o Echtzeitinteraktion o klinische Anwendung vs. Forschung o Clustering Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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26 19.12.2011 Connectomics 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 Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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29 19.12.2011 Connectomics Visualisierung spezialisierte 3D Darstellung o mehr Visualisierung als Interaktion o sehr vielseitig einsetzbar Depth-Dependent Halos: Illustrative Rendering of Dense Line Data Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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31 19.12.2011 Connectomics 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 Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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34 19.12.2011 Connectomics Visualisierung DTI / HARDI kombiniert o Best of both Worlds - Ansatz o Unterschiedliche Algorithmen o abhängig von Voxel Fused DTI/HARDI Visualization Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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36 19.12.2011 Connectomics 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 Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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38 19.12.2011 Connectomics Der Schritt zu Gehirnnetzwerken Faserverlauf zwischen Hirnregionen o Keine Standardregionen (Struktur vs Funktion) o Kriterien für Konnektivität Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

39 19.12.2011 Connectomics Arten der Connectivity Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

40 19.12.2011 Connectomics Motivation für Analyse o Quantifizieren: Gehirnnetzwerks o Zusammenhang: Strukturelle & Funktionale Verbindungen o Diagnose: Neurologische und psychiatrische Fehlstörungen Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

41 19.12.2011 Connectomics Eigenschaften von (Gehirn-)Netzwerken Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

42 19.12.2011 Connectomics Small-World Netzwerke Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

43 19.12.2011 Connectomics Arten der Connectivity Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

44 19.12.2011 Connectomics 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 Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

45 19.12.2011 Connectomics Wir danken herzlichst für eure Aufmerksamkeit! Connectomics Patrick Stern Stephan Weinwurm


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