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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 Connectomics Patrick Stern Stephan Weinwurm Connectomics

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

3 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 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 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 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

7 Connectomics

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

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

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

11 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

12 Connectomics

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

17 Connectomics

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

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

20 Connectomics

21 Connectomics

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

24 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

25 Connectomics

26 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

27 Connectomics

28 Connectomics

29 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

30 Connectomics

31 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

32 Connectomics

33 Connectomics

34 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

35 Connectomics

36 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

37 Connectomics

38 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 Connectomics Arten der Connectivity Einführung – DTI – Traktographie – Visualisierung – Gehirnnetzwerke – Anwendung

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

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

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

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


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