Morphometrie. Christian Gaser Structural Brain Mapping Group Kliniken für Neurologie und Psychiatrie Universitätsklinikum Jena

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1 Morphometrie Christian Gaser Structural Brain Mapping Group Kliniken für Neurologie und Psychiatrie Universitätsklinikum Jena

2 Voxelbasierte Morphometrie Anzahl von Artikeln ISI Web of Knowledge Suche nach Voxel-Based Morphometry Große Beliebtheit vollautomatisch voxelweise Analyse des gesamten Gehirns ohne ROIs Teil von fmrt Paketen (SPM, FSL) leichter Umstieg von fmrt zu VBM

3 Segmentierung Partitionierung des Bildes in graue und weiße Substanz und CSF T1-MRT GM WM CSF Was wird verwendet? Helligkeitsinformation a priori Information (Wahrscheinlichkeitskarten)

4 Häufigkeit Helligkeitsinformation Hintergrund grau weiß Bildhelligkeit CSF

5 Segmentierung - Beispiel Schätzung für graue Substanz p=0.95 Ergebnis p=0.05 p=0.95 p=0.90 p=0.05 p=0.95 Wahrscheinlichkeitskarte graue Substanz

6 Morphometrische Verfahren Daten Verbesserung der Segmentierung Design Verlaufsmessungen (Longitudinales Design) Verbesserungen Analyse Oberflächenbasiert e Morphometrie

7 Morphometrische Verfahren Daten Verbesserung der Segmentierung Design Verlaufsmessungen (Longitudinales Design) Verbesserungen Analyse Oberflächenbasiert e Morphometrie

8 Zusätzlich zu SPM12 (Segment) Wahrscheinlichkeitskarten nur für initiale Segmentierung adaptives Maximum-A-Posteriori Verfahren Partialvolumen-Segmentierung Batchmode für longitudinale Daten Lokal-Adaptive Segmentierung Non-Local Means Filter Qualitätsmanagement Oberflächenbasierte Morphometrie Zusatzfunktionen (auch für fmrt-nutzer) interne Dartel-Normalisierung (auch auf EPI anwendbar) Einschränkung zu SPM12 keine multimodalen Daten CAT12 Toolbox Visualisierung der Stichproben-Homogenität Konvertierung von T/F-Karten zu (log.) P-Karten + Schwellenwerte für Clustergröße Overlay-Tools für Visualisierung Analyse auf der Kortexoberfläche

9 Partialvolumeneffekte Gleiche Helligkeit Reales Objekt Objekt mit niedrigerer räumlicher Auflösung abgetastet Pham et al., Ann Rev Biomed Eng 2000

10 Partial Volume Estimation (PVE) Kein PVE PVE

11 Non-local Means Filter 0% Rauschen 9% Rauschen NLM-Filter

12 PVE + NLM-Filter 0% Rauschen WM GM/WM GM GM/CSF 9% Rauschen CSF Standard (SPM8) PVE NLM NLM+PVE

13 Rauschminderung Daten von Eva Meisenzahl / Nikolaos Koutsouleris Vergleich 152 schizophrene Patienten vs. 150 Kontrollen

14 Lokal Adaptive Segmentierung

15 NIH MRI Study of Normal Brain Development Phase MR-Bilder Jahre Geschlecht Händigkeit IQ...

16 Wegfall von Wahrscheinlichkeitskarten + Wahrscheinlichkeit PVE T1 SPM12 CAT Erwachsener 0.00

17 Wegfall von Wahrscheinlichkeitskarten + Wahrscheinlichkeit PVE T1 SPM8 VBM Kind (2 Jahre alt) SPM12 CAT12

18 graue Substanz Erstellen von Templates für Kinderdaten weiße Substanz Liquor T1 5 Jahre Alter 18 Jahre Wilke et al. Neuroimage 2008 Template-O-Matic Toolbox

19 Lesion Segmentation Toolbox Lesion Segmentation Toolbox Läsionserkennung bei Multiple Sklerose oder bei T2- Hyperintensitäten gemeinsame Entwicklung mit TU München (P. Schmidt & M. Mühlau)

20 Morphometrische Verfahren Daten Verbesserung der Segmentierung Design Verlaufsmessungen (Longitudinales Design) Verbesserungen Analyse Oberflächenbasiert e Morphometrie

21 Londoner Taxifahrer und Hippocampus Maguire et al., PNAS 2000

22 Erster in vivo Nachweis struktureller Plastizität 12 Probanden 3 Monate Lernen einer 3-Ball- Kaskade danach 3 Monate kein Lernen 12 Kontrollen ohne Lernen Draganski et al., Nature 2004

23 Follow-up Studie zur Dynamik Driemeyer et al., PLoS 2008

24 Tierexperimente Laufradtraining (erhöhte motorische Aktivität) Angiogenese (Neubildung von Blutgefäßen) Akrobatisches Training ( enriched environment ) Synaptogenese (Neubildung Synapsen) Black et al., PNAS 1990

25 Gaser et al. Neuroimage 2013 rspm Toolbox

26 Morphometrische Verfahren Daten Verbesserung der Segmentierung Design Verlaufsmessungen (Longitudinales Design) Verbesserungen Analyse Oberflächenbasiert e Morphometrie

27 Motivation Vorteile oberflächenbasierter Verfahren Analyse zusätzlicher Parameter (kortikale Dicke, Gyrifizierung) Visualisierung Vorteile bei Registrierung Euklidischer vs. Geodätischer Abstand Filterung

28 Oberflächenrekonstruktion Vorverarbeitung: Entfernung anderer Gewebeklassen und Hintergrund Segmentierung (mit Biaskorrektur, Rauschminderung,...) Partitionierung in beide Hemisphären und Entfernung des Kleinhirns Füllen subkortikaler Bereiche Rekonstruktion von problematischen Bereichen: CSF in sulcalen Bereichen durch Partialvolumeneffekte Skelettierun g CSF

29 Partitionierung

30 Bestimmung der Dicke und Oberfläche Projection-based Thickness (PBT) - WM Abstandskarte CSF 5mm 4mm 3mm 2mm WM 1mm 0mm Dahnke et al. NeuroImage 2012

31 Oberflächenbasiertes Koordinatensystem

32 Topologiedefekte Ziel: Eulercharakteristik (EC) = 2 EC = Vertices - Edges + Faces Kugel 2 Torus 0 Doppeltorus -2

33 Gyrifizierungsindex Innere Kontour Äußere Kontour Traditioneller Gyrifizierungsindex Verhältnis zwischen innerer und äußerer Kontur (Länge) des Kortex in koronaren Schichten (Zilles et al. 1988) da bereits nach den ersten 5-7 Lebensjahren konstant -> sensitiver Marker für Hirnentwicklungsstörungen 3D Gyrifizierungsindex Verhältnis zwischen innerer und äußerer Oberfläche

34 3D-Gyrifizierungsindex Geschlechtseffekte Lüders et al., Neuroimage 2006 Williams Syndrom Gaser et al., Neuroimage 2006 Korrelation mit IQ Lüders et al., Cerebral Cortex 2007

35 Anwendung Zusammenfassung Alterung, psychiatrische/neurologische Erkrankungen, Plastizität Einschränkung für Läsionen und Tumore Daten Rauschverminderung durch NLM-Filter + PVE unabhängige Segmentierung durch Weglassen der a priori Wahrscheinlichkeitskarten Iterative Template-Erstellung (Dartel) Läsions-Segmentierung Design Verlaufsmessungen Oberflächenbasierte Morphometrie