4. Sitzung - Bildgebende Verfahren

CT (Computertomographie)

• basiert auf Röntgenstrahlung;

  differentielle Absorption von Strahlung durch verschiedene Gewebetypen; Cormack & Hounsfield (Nobelpreis 1979)

• können über CT verschiedene Anatomische Aspekte sichtbar machen

• MRT: viel mehr sichtbar (weiße & graue Substanz, Faltungen des Cortex)

• auf T1 gewichteten Scan erscheint graue Substanz grau und weiße Substanz heller

• Röhre besteht aus Röntgensensoren

• kann über Abschattung mehr über Gewebe-Eigenschaften erfahren

• Hauptanwendung CT: akute Diagnose von Schlaganfall usw.

• Kontrastmittel: Stoffe, die sich in Gewebeklasse ansammeln -> mache z.B. Struktur von Blutergüssen besser sichtbar

CT Ergänzung Buch

• CT Scans werden entsprechend der Menge der Röntgenabsorption in verschiedenen Gewebearten erstellt

• Menge der Absorption hängt von der Gewebedichte ab: Knochen absorbieren am meisten (deshalb erscheinen Venrikel schwarz)

• Hirnsubstanz liegt dazwischen (erscheint grau)

• Bei CT werden Röntgenstrahlen verwendet ->Person geringen Strahlenbelastung ausgesetzt

• Werden typischerweise nur in klinischen Umgebungen verwendet, um Tumore zu diagnostizieren oder Blutungen und andere grobe Hirnanomalien zu identifizieren

• CT kann nicht wie MRT zwischen grauer und weißer Substanz unterschieden

• Kann nicht für funktionelle Bildgebungszwecke angepasst werden

Vorteile von MRT gegenüber CT:

• Keine ionisierende Strahlung nötig (absolut sicher, Personen können viele Male gescannt werden)

• Bessere räumliche Auflösung -> Faltung des Kortex in MRT sichtbar, in CT weniger

• Bessere Unterscheidung zwischen grauer und weißer Substanz (kann eine frühzeitige Diagnose einiger Pathologien ermöglichen)

• MRT ermöglicht auch funktionelle Messungen (Messungen der Hirnfunktion)

• MRT: kann für die Erkennung der Blutsauerstoffversorgung im Zusammenhang mit neuronaler Aktivität angepasst werden und wird in diesem Zusammenhang als Funktions-MRT (fMRI) bezeichnet

Kernspintomographen (MRT-Scanner)

MRT: Das Grundprinzip

• Grundlage des MR-Signals ist der Kernspin des Wasserstoffatoms (H)

• Wasserstoff besteht aus einem Proton (Atomkern) und einem Elektron

• H ist elektrisch neutral (Proton ist positiv, Elektron negativ)

-> Proton hat positive Ladung und rotiert

-> Drehimpuls durch rotierende Masse

• Pfeile = Richtungen von Drehimpuls und magnetischen Moment

• Ziel. Da sich Spin Achsen alle entlang des Magnetfelds ausrichten (rechte Abbildung)

B0 Magnetfeld: Kopf der Probanden wird bei Studie in dieses Magnetfeld reingesteckt

Ergänzung Buch

• MRT wird verwendet, um Bilder von Weichteilen des Körpers zu erstellen

• Meiste menschliche Gewebe basiert auf Wasser, Wassermenge in jedem Gewebetyp variiert

• Unterschiedliche Gewebearten verhalten sich daher leicht unterschiedlich, wenn sie stimuliert werden

• Kann verwendet werden, um dreidimensionales Bild des Layouts dieser Gewebe zu erstellen

Abfolge der Ereignisse bei Erfassung eines MRT Scans

• Zunächst wird starkes Magnetfeld über den zu scannenden Körperteil (zB. Gehirn) angelegt

• Einzelnen Protonen, die in Wassermolekülen im Körper vorkommen (die Wasserstoffkerne in H,O), haben schwache magnetfelder

• Anfangs sind diese Felder zufällig ausgerichtet, aber wenn starke externe Feld angelegt wird, wird ein kleiner Bruchteil sich daran ausrichten

• Das Externe Feld wird während des Scansvorgang ständig angelegt

• Wenn Protonen sich im ausgerichteten Zustand befinden, wird kurzer Hochfrequenzimpuls angelegt, der die Ausrichtung der ausgerichteten Protone um 90° vin ihre ursprüngliche Ausrichtung ersetzt

• Wenn sich Protone in diesem neuen Zustand drehen, erzeugen sie eine nachweisbare Änderung des Magnetfelds -> bildet die Grundlage des MR Signals

•  Protone werden schließlich in ihre ursprüngliche Ausrichtung mit dem Magnetfeld zurückgezogen (entspannen)

• Scanner wiederholt diesen Vorgang seriell, in dem er Radiowellen sendet, um nacheinander verschiedenen Hirnschichten anzuregen

• Aus unterschiedlichen Komponenten des MRT Signals können unterschiedliche Bildtypen erzeugt werden

• Variationen in der Geschwindigkeit, mit der die Protonen nach dem Hochfrequnezimpuls in den ausgerichteten Zustand zurückkehren (TI-Relaxationszeit), können verwendet werden, um zwischen verschiedene Gewebetypen zu unterscheiden

• Diese T1 gewichteten Bilder werde typsicherweise für Strukturbilder des gehirns verwendet

• Im fehlausgerichteten Zustand, bei 90° zum Magnetfeld, nimmt das MR Signal auch aufgrund lokaler Wechselwirkungn mit naheliegenden Molekülen ab (wird als T2 Komponente bezeichnet)

• Feldstärke um ein Vielfaches stärker als Erdmagnetfeld

• Spins richten sich entlang des Magnetfelds aus

• Signal = Summensignal von allen Protonen

• Magnetfeld hat eine räumliche Ausrichtung

• Kreisel steht nicht senkrecht

• Unten: Spin Achsen sind nicht senkrecht ausgerichtet, sondern führen Präzessionsbewegung aus

Larmorfrequenz:

• B0 Magnetfeld unterscheidet sich räumlich systematisch

MRT das Grundprinzip:

-> gelbe richten sich parallel aus, blaue antiparallel (mehr aber parallel)

-> routierende Masse in einem Kraftfeld —> macht Ausgleichsbewegung / Präzisionsbewegung

-> im Magnetfeld können Protonen 2 Ausrichtunhen haben: parallel oder antiparallel (etwas instabilerer Zustand)

Beispiel rechts: Gewicht auf das Kraft wirkt (Gravitation der Erde)

-> habe einen stabilen / instabilen Zustand

-> instabiler, denn wenn ich es antippe kippt es runter

-> aber definitiv einer der beiden Zustände

-> muss Energie investieren von stabilen in Instabilen Zustand

Energie wird wieder frei von Instabilen in stabilen Zustand

• zeigen nicht alle nach oben: stabilere Ausrichtung: parallel

• instabilere Zustand: richten sich genau umgekehrt aus (Spin Achsen)

• mehr Spins richten sich parallel aus, weil stabiler

• Magnete (unten rechts): habe bei Gewicht 2 Mögliche Ausrichtungen: entweder hängt runter oder Gewicht balanciert senkrecht (2 Möglichen Zustände, einer stabiler als der andere)

• muss bei stabilen Zustand Energie aufwenden um in instabilere Ausrichtung umzuklappen

• beide entlang es Magnetfelds ausgerichtet, nur entgegengesetzt

• Schwach: ein paar mehr richten sich parallel aus anstatt antiparallel

• je stärker das Magnetfeld desto größer ist Differenz in Parallelen und Antiparallelen Spins

• kann Spins durch Energieaufwendung „umklappen“ (von einem Zustand in andere überführen)

• Rückklappen: Energie wird wieder frei -> das ist das Signal das gemessen wird

• potenziell stärkere Signale, wenn ich stärkeres B0 Feld habe

Differenz wird imme rgrößer je stärker das Magnetfeld ist (Energiedifferenz steigt je stärker Magnetfeld)

-> mehr sind parallel als antiparallel ausgreichtet

-> Wenn RF Puls die Lamorfrequemz hat kann ich die Spins anregen (kann sie von parallel in antiparallelen bringen)

-> Puls ausmachen: klappen wieder zurück weil statisches Magnetfeld immer an ist -> Energie die ich eingestrahlt habe wird dann wieder freigesetzt (Relaxation)

• Pfeil (rechts): zeigen alle in die gleiche Richtung --> mehr parallel als antiparallel

• Nettomagnetisierung = Tatsache, das Differenz in Paralel und antiparallelen ausgreichteten Spins

• äußer Magnetfeld favorisiert parallele Ausrichtung

• Longitudinalmagnetisierung wird bei T1 Relaxation wiederhergestellt

• T1 Recovery = Zeit, bis die 63% wieder erreicht sind

• Zeitverlauf abhängig je nach Gewebe das ich untersuche (kann damit untersch. Gewebekalssen voneinander trennen -> T1 gewichtete Scans)

Links:

• kein roter Pfeil

• RF Puls reingestrahlt (Elektromagnetische Energie)

• Links nach rechts baut sich roter Pfeil (Nettomagnetisierung) wieder auf

• Klappen nicht alle sofort und zeitlich parallel zurück

T1 Relaxation

• Spins klappen mit der Zeit wieder zurück

• Weil äußere Magnetfeld parallele Ausrichtung favorisiert

• Zeitverlauf: Zeitraum von mehreren 100 Millisekunden

• Unten Links: Zeitpunkt 0

• Rechts oben: ca. 2 Sekunden nach Einstrahlung

• Zeitverlauf der T1 Relaxation

• Zeit die es braucht bis Spins sich wieder zurückklappen abhängig von Gewebe/Substanz

T1 gewichtete Scans

• Voxel = Volumeneinheit (Pixel in 3D)

T2 Relaxation

-> Spins interagieren miteinander bis sie unabhängig voneiuander routieren

-> T2 Relaxation = Abnahme der Transversalmagnetisierung; danacjh baut sich Longitudinalmagnetisierung wieder auf

-> Schnelligkeit hängu auch wiedef von Gewebe ab (z.B. wie viel Wasser in der Probe enthalten ist); und wie homogen Magnetfeld in Probe ist (abhängig wiederum von Sauerstoffgehalt im Blut -> fMRT)

• Rechts: Situation direkt nach Einstrahlung des 90Grad RF Puls

• was passiert kur vor diesem Effekt?

• Am Anfang werden Spins synchronisiert (einmal) -> habe Nettomagnetisierung, die sich in der Ebene befindet

• kurzer Effekt (baut sich schnell ab nach wenigen Millisekunden)

• schnell ablaufende Dephasierung

• Durch Interaktion der Spins baut sich transversal Magnetisierung schnell wieder ab

• Spins interagieren und verlangsamen sich gegenseitig

• exponentieller Abfall

• Zeit seit der Anregung aufgetragen in Millisekunden

• Abnahme der Transversalmagnetisierung

• wie schnell das passiert ist abhängig von dem Gewebe in der Probe (Wassergehalt usw.)

• T2 Relaxation: nicht nur von Interaktion abhängig,  zusätzlich auch davon wie homogen das Magnetfeld ist -> Magnetfeld überall gleich: keinen Einfluss auf Spins; Unterscheidet sich: Spins werden unterschiedlich Dephasiert in verschiedenen Bereichen

• Hoch homogenes Feld: Dephasierung schneller

-> Unten Links: Signal das ich messe (Y Achse: Spannung)

-> Bewegende ABbildung (Auf Screenshot nicht erkennbar)

-> t1 Relaxataion beschreibt wie sich Longit.. wieder aufbaut

-> je nach Gewebetyp untersch. Summenpotential

• T1 Effekt: Longitudinale Magnetisierung baut sich langsam wieder auf

• T2 Decay: schneller Abbau, u.a. aufgrund der Interaktion der Spins untereinander

• Die rotierende Transversalmag. lößt in der Empfangsspule ein Signal aus/ In der Messspule wird durch die Relaxation eine Spannung induziert -> dies ist das gemessene MR-Signal

• Relaxationszeiten unterscheiden sich für verschiedene Gewebetypen àso können verschiedene Strukturen differenziert werden (graue Substanz, weiße Substanz, CSF, Knochen)

• Ggf. werden unterschiedliche Messtechniken (MR-Sequenzen) für die Messung verschiedener Aspekte der Hirnstruktur bzw. Funktion benutzt (T1, T2, T2* usw.)

• Bisher haben wir über das Signal an einer „Position“ gesprochen – aber wie können Signale lokalisiert werden?

Lamorfrequenz = Frequenz die ich brauche um Spins anzuregen

-> auch abhängig von B0 Magnetfeld

MRT Puls-Sequenzen

• Durch Veränderungen in den RF-Pulsen (zur Anregung der Spins) und dem Zeitpunkt der Messung können spezifische Puls-Sequenzen erstellt werden, die für die verschiedenen Kontraste (T1, T2, T2*,...) empfindlich sind.

Hierbei werden insbeosndere zwei Parameter variiert:

• TR (repetition time): Das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden RFPulsen (in Sekunden) (mit welchem Abstand ich Spins anrege -> wie viele Sekunden warte ich bis ich wieder anrege (in Sec)

• TE (echo time): Das Zeitintervall zwischen dem RF-Puls (den ich einstrahle) und dem Auslesen der Daten (in Millisekunden) (wie lange ich warte bis ich Signal auslese nach Anregung

• Grüne Kurve Differenz zwischen rot und blau

• gestrichelt: Zeit wenn ich wieder anrege

T2 Kontrast

MRT – Sicherheit

• Statisches Magnetfeld (zur Ausrichtung der Spins) ist immer an

• Vorsicht mit ferromagnetischen Gegenständen im Scannerraum!

• Kontraindikationen: Metallteile im Körper, Herzschrittmacher, usw; aber auch: Klaustrophobie (enge Röhre)

Strukturelle Bildgebung in der Forschung

In der kognitiven Neurowissenschaft wird strukturelle

Bildgebung hauptsächlich genutzt um

1. Läsionen in Patienten bzw. Patientengruppen mit Hirnschädigung zu lokalisieren

2. Läsionslokalisation mit funktionellen Defiziten zu assoziieren

3. Variabilität in der Hirnstruktur mit Verhaltensmaßen zusammenzubringen

• Messen Signalauffälligkeiten

• Messen bei Läsionslokalisation diese Arten (Tabelle) von Auffälligkeiten

  
  

Läsionsüberlappung in Patientengruppen

-> Abweichung von Standardgehirn und gemessenen Scan minimieren

• individuelle Scans werden auf standard Gehirn transformiert

• sind später alle im gleichen anatomischen Raum

• über Verschiebung (lineare Transformation)

• anatomischer Atlas

• wird heute kaum noch benutzt

• Collin 27: repräsentativste Gehirn -> können andere Gehirne darauf projizieren

Voxel-based Lesion-Symptom Mapping

• Vorraussetzungen: relativ große Patientenstichprobe; ausreichend Varianz in Läsionslokalisation

• Immer neue Patientengruppen werden für jedes Voxel gebildet (Läsion ja/nein); Gruppenvergleich mittels T-Test/nichtparametrischem Verfahren

• Korrektur für multiple Vergleiche evtl. rechenintensiv

• Patienten mit linkshemisphärischer Läsion

• wie stark Neurosymptomatik ist

Voxel-basierte Morphometrie (VBM)

• Mittels VBM wird die „Dichte“ der grauen und weißen Substanz in jedem Voxel anhand des strukturellen MRT Scans (üblicherweise T1-gewichtet) abgeschätzt

• Gruppenvergleich dieser „Dichte-“Karten oder Korrelation mit Verhaltensmaßen

• Verteilung für versch. Gewebeklassen

• BAsierend auf Verteilung kann ich abschätzen welche Bildpunkte weiße/ graue Substanz sind Kann Segmentierung für Scans machen

• X Achse: Intensität des Bildes

• Y Achse: wie viele Voxel ich habe die so eine Bildintensität haben

• Verteilung der Intensität -> Mischung aus verschiedenen Normalverteilungen

• Programme helfen mir Segmentierung (weiße/graue Substanz) abzubilden

• WM = Weiße Substanz, GM = graue Substanz

• anhand der Intensitäten und zusätzlich anatomische Vorannahmen

Priors = Vorerwartung

Cortical thickness:

• Distanz der abegschätzten Grenzte der weißenj und der grauen Substanz von CSF

• Sagtz.b. was daraüber aus wie fortgeschritten Demenzerkrankung ist

• 2. Abbildung: T1

• kann Abschätzen wo Außengrenze der grauen zur weißen Substanz ist

• Abstand ist Schätzer für Dicke des Kortex

• Dicke des Koretx abschätzen über T1 Bilder

Diffusions-Tensor Bildgebung (DTI)

-> kann Richtung von Fasertrakten darstellen

Ergänzung Buch

• Kleine Unterschiede in der Organisation und Konzentration von weißer und grauer Substanz können jetzt nichtinvasiv mit MRT analysiert werden

• Dies liefert wichtige Hinweise darauf, wie individuelle Unterschiede in der Gehirnstruktur mit individuellen Unterschieden in der Kognition zusammenhängen

• Zwei wichtige Methoden: VBM ( unterteilt das gehirn in Zehntausende kleine Regionen mit einer Größe von mehreren Kubikmillimetern (=Voxel), die Konzentartion von weißer/grauer Substanz wird in jedem Voxel geschätzt)

• Abbildung:  Visualisierung einer DTI Messung eines menschlichen gehirns; Dargestellt sind rekonstruierte Faserbahnen, die durch die mediale Sagittalebene verlaufen

Voxel

= eine volumenbasierte Einheit; in der bildgebenden Forschung wird das Gehirn in viele tausend davon unterteilt