Methoden - Strukturelle Bildgebung

Strukturelle Bildgebung

• „Statisches“ Bild; Messung bestimmter Aspekt der Anatomie

Fuktionelle Bildgebung

• „Dynamische“ Zeitreihe von Bildern; Messung bestimmter Aspekte der Gehirnfunktion

CT: Computertomographie

• Basiert auf Röntgenstrahlung

• Differentielle Absorption von Strahlung durch verschiedene Gewebetypen

• ❌Cormack & Hounsfield (Nobelpreis 1979)

• CT nutzt man für Charakterisierung von Läsionen, die nicht mit fMRT / MRT sichtbar gemacht werden können

MRT: Magnetresonanztomographie

Bestrahlung einer Schicht (360°)

Aufzeichnung der nicht-absorbierten Strahlung („Abschattung“) durch Röntgensensoren

❌Ggf. Kontrastmittel, um bestimmte Strukturen sichtbar zu machen

misst die Abschattung -> die nicht absorbierte Strahlung

In klinischer sehr wichtig, aber für neuro-Forschung erkennt man nicht genug

Vorteile von MRT gegenüber CT

• Keine ionisierende Strahlung nötig

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

• Bessere Unterscheidung zwischen grauer und weißer Substanz

• MRT ermöglicht auch funktionelle Messungen

Kernspintomographen (MRT-Scanner)

bei funktioneller Messung braucht man Stimulationsequipment

Tesla ist Maß für Magnetfeldstärke

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)

Das Proton rotiert um die eigene Achse wie ein Kreisel -> Spin

Rotierende Masse -> Drehimpuls

• ❌Hat Kraft, die senkrecht zur Rotationsebene wirkt (Drehimpuls)

Rotierende elektrische Ladung -> magnetisches Moment

• Magnetisches Moment -> magnetischer Dipol,  der bestimmte Richtung hat

Wenn sich der „Magnet“ bewegt, wird in der Empfangsspule eine Spannung induziert

• Wenn sich Magnet in Messspule bewegt, wird Strom erzeugt, den man messen kann -> ist das Signal beim MRT

Im Magentfeld

• Gibt zwei Zustände, die stabil sind: entlang des Magnetfelds oder genau umgekehrt (einfacher, sich entlang des Magnetfelds auszurichten)

• Dieses starke Magnetfeld hat man im Scanner

Wirkt auf eine rotierende Masse (z.B. Kreisel) eine äußere Kraft (Gravitation), macht die Achse eine rotierende Ausgleichbewegung (Präzession)

Das gleiche gilt für ein Proton mit Spin, das sich in einem Magnetfeld (B0) befindet

Magnetfeld wirkt als äußere Kraft auf die Protonen

Führt zu Ausgleichbewegung

Präzession: Im Magnetfeld rotiert die Spin-Achse relativ zur Ausrichtung des Magnetfeldes B0

Präzessionsfrequenz = Lamorfrequenz (in Mhz/Tesla) w0 = y x B0

Y = gyromagnetsiche Konstante (e nach Element), B0 Stärke des Magnetfeldes

Lamorfrequenz hängt ab vom Element und von der Stärke des äußeren Magnetfeldes

Frequenz, mit der Element Präzessionsbewegung durchführt, wird auch Larmorfrequenz genannt

❌Spin von Element ist immer gleich (hat keine zeitliche Abhängigkeit)

zeigen im Durchschnitt nach oben (sind nicht alle so entlang des Magnetfelds ausgerichtet)

Kann sich das vorstellen wie Gewicht an Wand (Abbildung rechts) -> zeigt, warum mehr parallel ausgerichtet sind

• Wahrscheinlichkeit ist höher, sich parallel auszurichten

Instabil -> weniger stabil

Wenn man das in instabilen Zustand bringen möchte, muss man Energie aufwenden

Wenn man das in den stabilen Zustand (aus dem instabilen Zustand) bringen möchte, wird Energie frei

Differenz der parallel und anti-parallel ausgerichteten Spins: Nettomagnetisierung M

durchschnittliche Anzahl an Spins, die in bestimmte Richtung ausgerichtet sind -> Verhältnis davon (Vektor)

• Uns interessiert nur dieser Vektor -> das ist das, was man am Ende misst

❌Bleibt stabil

Zeigt hier in die Richtung, weil mehr Spins in die stabile Richtung ausgerichtet sind

Nettomagnetisierung erhöht sich bei stärkerem Magnetfeld -> Differenz wird stärker

Je stärker B0 Magnetfeld, desto stärker auch MR Signal, das man misst (misst, wenn die umklappen)

❌Nettomagnetisierung wie wenn man Bogen spannt (guckt, wie viel Energie in der Probe ist?)

• Wie groß die ist, hängt davon ab, wie stark Magnetfeld ist -> je stärker, desto größer ist Differenz in Ausrichtung der Spins

Wenn man Puls ausmacht, ist das wie Pfeil, den man loslässt -> guckt, wie viel Energie frei wird (das misst man)

Je größer die Feldstärke, desto stärker die Signale?

Radiofrequenz-Puls (RF-Puls)

Wenn der RF-Puls die Lamorfrequenz (Resonanzfrequenz) des Elements hat, werden die Spins „angeregt“ -> Übergang einiger Spins von paralleler in anti-parallel Ausrichtung

Relaxation: Das Spin-System geht in den Zustand vor dem RF-Puls zurück

Zeeman-Effekt: Signal hängt von B0 ab

oben Ruhezustand

Kann Spins anregen -> Spins von einem Zustand in den anderen überführen -> wenn Radioimpuls genau die  Lamorfrequenz hat

Wenn man den wieder ausmacht, klappen die wieder zurück -> wollen in den favorisierten Zustand der paralleln Ausrichtung gehen (im Durchschnitt)

Was passiert, wenn die wieder zurückklappen, ist das MR-Signal

Energie, die aufgewendet wird, ist die Radiofrequenz (wird absorbiert)

Einstrahlen der Signale und Messen passiert in der Spule

Abbildung

• Von rechts nach links lesen

• Jeder Pfeil ist ein Spin (rotieren)

• Wie lang der Pfeil ist, hängt davon ab, wie stark Magnetfeld ist

• Roter Pfeil ist Nettomagnetisierung -> zeigt im Normalzustand Richtung Magnetfeld

• Wenn man RF-Puls reinstrahlt, ist Nettomagnetisierung 0 (alle umgeklappt)

• Spins präzisieren entland der Ebene (nicht mehr z-Achse)

• Hat dann keine Magnetisierung -> System geht danach langsam vom linken Zustand in den rechten Zustand -> Magnetisierung baut sich wieder auf

• Nennt man T1-RElaxation (700ms-1s)

• Hat der Effekt, der sich mit der Zeit aufbaut

T1-Relaxation -> Spins „klappen zurück“ (longitudinale Relaxation)

• Grund: äußeres Magnetfeld favorisiert die parallele Ausrichtung der Spins

• Eingestrahlte Energie wird dabei wieder freigegeben und induziert Spannung in der Messspule

T1-Relaxationszeit (T1 Recovery)

• Längsmagnetisierung erreicht 63% des Ausgangswertes -> ist die Dauer, bis das wieder erreicht wird (wurde einfach so festgesetzt)

• Abhängig von Feldstärke und Molekularbewegung (-> Gewebeabhängig)

  • Unterscheidet sich je danach, was für Gewebe in der Probe ist

T1-gewichtet = T1-weighted = T1-dependent -> Signalintensitäten in Bildvoxeln hängen von den T1-Werten ab

Intensität der Voxel hängt von T1-Werten der Bildpunkte ab -> sind unterschiedlich farblich dargestellt / schattert

Passiert deutlich schneller als T1

Liegt zeitlich noch vor Nullpunkt von T1 (ganz linker Punkt bei T1)

Hat zusätzlich, dass sich Präzessionsphasen synchronisieren -> laufen zu Beginn alle parallel -> hat Nettomagnetisierung, die in der Ebene rotiert

Dann dephasieren die Spins wieder (jeder rotiert unabhängig von den anderen)

Spins stoßen sich gegenseitig an, bremsen sich ab/beschleunigen sich

Hat hier Effekt, der mit der Zeit weggeht

T2-Relaxation -> Spins dephasieren (transversale Relaxation)

• Grund: Spin-Spin Interaktion

• Dephasieren schneller, als man es erwarten würde

  • B0 Magnetfeld wird durch anatomische Eigenschaften auch noch verzerrt, z.B. durch Sauerstoffsättigung im Blut

  • Beeinflusst, wie schnell die Abnahme passiert

  • Deswegen kann man funktionelle Messungen machen

• ❌Bei Dephasierung wird Energie freigesetzt

T2-Relaxationszeit (T2-Decay)

• Absinken der Transversalmanetisierung auf 37% des Ausgangswertes, abhängig u.a. vom Wassergehalt

• Ist die Dauer bis dahin

T2*-Relaxationszeit (BOLD-fMRT)

• T2 Relaxation + zusätzliche Dephasierung durch Magnetfeldinhomogenitäten, T2* < T2

• T2* ist eigentlich das, was man misst

• Kobiniert die Zeitpunkte, wenn man anregt und die Zeitpunkte, wenn man das ausliest -> guckt, welcher Anteil des Signals auf was zurückgeführt werden kann

  • Minimiert damit Einfluss des Signals, das einen nicht interessiert

T2-gewichtet = T2-weighted = T2-dependent -> Signalintensitäten in Bildvoxeln hängen von den T2-Werten ab

Bildintensitäten hängen davon ab, wie schnell dder D2-Decay passiert

In der Messspule wird durch die Relaxation eine Spannung induziert -> dies ist das gemessene MR-Signal

Relaxationszeiten unterscheiden sich für verschiedene Gewebetypen -> so können verschiedene Strukturen differenziert werden (graue Substanz, weiße Substanz, CSF, Knochen)

• Können sich auch ähneln -> muss mit Bildern Weiterrechnen, um das trennen zu können

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?

Wie findet Ortskodierung statt?

Zusätzlcihe Magnetfeldgradienten werden schichtweise zugeschaltet und ermöglichen die Ortskodierung des Signals

Schaltet zu statischem Magnetfeld B0 noch Gradientenmagnetfelder, die in bestimmte Raumrichtung laufen und daduch hat man teilweise leicht stärkeres Magnetfeld

Rechnung: B0 ist nicht überall gleich -> dadurch, dass man unterschiedliche B0s hat,kann man selektiv einzelne Schichten anregen -> weiß dann, wo B0 unterschiedlich stark ist und kann dann zuordnen, aus welcher Schicht das Sinal bekommt

❌Muss das für jeden Voxel einzeln machen

❌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

• TR (repetition time): Das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden RF-Pulsen (in Sekunden)

  • Zeitintervall zwischen Anregungen

• TE (echo time): Das Zeitintervall zwischen dem RF-Puls und dem Auslesen der Daten (in Millisekunden)

  • Zeitintervall zwischen Anregung und Auslesung

Möchte hier T1 maximieren

T1

• kann gucken, zu welchem Zeitpunkt sich die Kurven oben maximal unterscheiden (ist der Graf unten)

• Wenn man ganz lange wartet, bis man wieder anregt, oder direkt anregt, hat man keinen Unterschied -> nicht sensitiv für Signal

T2

• Guckt sich da auch Differenz an und wie viele Milisekunden nach Anregung Differenz zwischen den Kurven maximal ist

Möchte aber Anteil an T1 hier maximieren und Anteil T2 minimieren

• Stellt TR dann so ein, dass T1 maximiert wird und Echozeit so, dass T2 minimiert wird

Hat immer beides drin, aber kann die Anteile entsprechend steuern

möchte hier T2 maximieren

Schiebt repition-time nach hinten und Echozeit zu dem Punkt, wo Kontrast in T2 maximal ist

Hat so T1-Kontrast minimiert und T2-Kontrast maximiert

Kann immer nur T1 oder T2 machen -> entscheidet sich vorher

• ❌Braucht Kreuzdiagnose, weil manche Sachen in T1 ein helles Signal machen und in T2 ein dunkles -> kann dann gucken, was vorliegt (Tumor, Blutung etc.)

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)

• Kann das Signal verzerren

In der kognitiven Neurowissenschaft wird strukturelle Bildgebung hauptsächlich genutzt um

Lästionen in Patienten bzw. Patientengruppen mit Hirnschädigungen zu lokalisieren

Läsionslokalisation mit funktionellen Defiziten zu assoziieren

Variabilität in der Hirnstruktur mit Verhaltensmaßen zusammenzubringen

bei den ersten beiden hat man Pathologische Veränderungen, beim dritten geht es um individuelle Unterschiede in Hirnmorphologie

Läsionslokalisation durch visuelle Inspektion -> in der klinischen Praxis und bei Einzelfällen üblich

Guckt sich eigentlich immer einzelne Scans und Einzelfälle an

Wo hat eine Patientengruppe überlappende Hirnschädigung?

• Gehirne müssen in den gleichen „Raum“ gebracht werden (Normalisierung)

  • T1 Bilder sind sonst sehr unterschiedlich (Größe, Faltung etc.)

  • über lineare Prozesse

• Transformation der Bilder: „Passung“ auf ein Standardgehirn

  • Nicht-lineare Transformationen

Gehrn im Hintergrund ist ein Standardgehirn -> im Mittel geringste Abweichung zu den Gehirnen der Patientengruppe -> legt darauf Läsionsmasken der einzelnen Patient*innen

• 1 -> nur eine einzelne Person hat da eine Läsion; 7 -> alle 7 Personen haben da eine Läsion

interessiert sich meistens für größere Gruppe an Personen -> möchte quantifizieren, wie groß Überlappung ist

Talairach-Space (Talairach & Tournoux, 1988): Atlas der auf der post-mortem Analyse des Gehirns einer 60jährigen Frau basiert

• Brodman-Areale, aber keine Histologie

• Haben eine Hemisphäre einer Person post-mortem untersucht und im Hinblick auf Brodman-Areale klassifiziert

• Sehr ungenau, weil es nur eine Person ist -> wird nicht mehr wirklich genutzt

Montreal-Neurological-Institute (MNI)-Space („mittleres“ Gehirn einer Kohorte von 152 bzw. 305 Probanden)

• Wird heutzutage eher verwendet

• Wird in SPM, der populärsten Bildgebungssoftware, verwendet

• Hat oben links der mittlere T1-gewichtete Scan -> die Person, die am ähnlichsten ist zu der Gruppe

• ❌Gibt dazu zytoarchitektonische Karten

  • Kann dann Wahrscheinlichkeitsaussagen darüber machen, welches Hirnareal etwas ist

Voraussetzungen: relativ große Patientenstichprobe; ausreichend Varianz in Läsionslokalisation

• Kann gucken, welche Schädigung zu welchem Verhaltensdefizit führt

• Kann gucken, wie sich Läsion in Voxel im Verhalten widerspiegelt -> guckt dann bei allen Personen, die Lästion in bestimmtem Voxel haben

• Guckt man dann für jedes Voxel

• Muss die Läsionen pro Voxel vorher selbst bestimmen

Immer neue Patientengruppen werden für jedes Voxel gebildert (Läsion ja / nein); Gruppenvergleich mittels t-Test / nicht-parametrischem Verfahren

• Bildet dann immer neue Subgruppen von den Patient*innen

Korrektur für multiple Vergleiche evtl. rechenintensiv

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

Gruppenvergleich dieser „Dichte“-Karten oder Korrelation mit Verhaltensmaßen

Geht hier nicht um Personen mit Läsionen, sondern gesunde Personen oder um psychiatrische Erkrankungen

Macht man über Segmentierung: schneit die weiße Substanz raus

Kann Anhand Signalintensitäten in der grauen Substanz abschätzen, wie hoch die Dichte in einem Voxel ist

Basierend auf dem Histogramm der Intensitätswerte des T1-gewichteten Bildes werden Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Gewebearten geschätzt (tissue probabilities)

Ist ein Histogramm der Bildintensitäten

❌Y: wie viele Voxel, x: Bildintensität

❌Legt da unterschiedliche Normalverteilungen rein

Bekommt so Info darüber, welche  Gewebeklasse in einem bestimmten Voxel vorliegt

Kann sein, dass man mehrere mit hoher Intensität bekommt, obwohl es anderes Gewebe ist -> nutzt dafür anatomische Infos

Die Gewebeart, die man nicht möchte, wird vorher rausgekickt? -> Bereiche, bei denen man erwartet, dass da anderes Gewebe ist

Basiert auf segmentierten T1-gewichteten Bildern

Abstand zwischen Grenzen CSF/graue Substanz und Grenze graue Subtanz/weiße Substanz wird gemessen

Kann versuchen, entlang der Falrungen des Kortex Grenze zwischen grauer Subtanz und weißer Substanz und grauer Substanz und Liquor zu schätzen

• Abstand der beiden Schätzer sagt etwas darüber aus, wie dick der Kortex in dem Bereich ist

Bekommt Karten, die in jedem Bereich für Voxel aussagen, wie dick der Kortex ist

Kann das in Zusammenhang bringen mit Veränderungen in Entwicklung, Substanzmissbrauch oder psychiatrischen Krankheiten

Curvature: Krümmung der Oberfläche

Thickness: „Dicke“ des Kortex

Depth: Tiefe kortikaler Faltungen

Kann das alles auf Gehirn projizieren und Gruppenunterschiede oder Korrelationen mit Verhalten untersuchen

Darstellung der Orientierung von Fasertrakten

• Visualisiert Faserorientierungen

Basiert auf der Einschränkung der Diffusion von Wassermolekülen durch Axone mit bestimmter Orientierung —> Gruppenvergleiche; Tract-tracing (Faserverbindungen abschätzen zwischen verschiedenen Arealen), …

Sieht farblich kodiert die Richtung, in der abgeschätzt wird, in die die Fasern verlaufen