Neurobiologie. Workshop A. PET & fmrt. Diagnoseaufgabe. BR Arnsberg GY/GE. KQ-Gruppe Biologie

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1 Neurobiologie Workshop A PET & fmrt Diagnoseaufgabe

2 Experimentelle Aufgabe Dokumentationsaufgabe Analyseaufgabe Darstellungsaufgabe Überprüfungsformen.. Präsentationsaufgabe Bewertungsaufgabe Reflexionsaufgabe Beobachtungsaufgabe Beurteilungsaufgabe Optimierungsaufgabe

3 Konkretisierte Kompetenzerwartungen (Qualifikationsphase: Neurobiologie) Die Schülerinnen und Schüler stellen Möglichkeiten und Grenzen bildgebender Verfahren zur Anatomie und zur Funktion des Gehirns (PET und fmrt) gegenüber und bringen diese mit der Erforschung von Gehirnabläufen in Verbindung (UF4, UF1, B4). (LK) stellen aktuelle Modellvorstellungen zum Gedächtnis auf anatomisch-physiologischer Ebene dar (K3, B1), (LK;GK) ermitteln mithilfe von Aufnahmen eines bildgebenden Verfahrens Aktivitäten verschiedener Gehirnareale (E5, UF4). (GK) recherchieren und präsentieren aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse zu einer degenerativen Erkrankung (K2, K3). (LK;GK)

4 Aufgaben zur Lernstraße I Phänomen II Hypothesenbildung IIIa Beschreibung der Untersuchungsdaten IIIb Verfeinerung der Hypothesen IV Recherche zwecks Prüfung der Hypothesen V Prüfung und Erklärung VI Weiterführende Recherche zur Erkrankung

5 Ziele Die Fachlehrerinnen und Fachlehrer sind in der Lage, eine kompetenzorientierte Diagnoseaufgabe sowie Kriterien für die Feststellung der Kompetenzerreichung der Schülerin/des Schülers zu entwickeln, indem sie die konkretisierten Kompetenzerwartungen in die erforderlichen Teilkompetenzen untergliedern. den Teilkompetenzen Anforderungsbereiche zuordnen. den entsprechenden (Teil-)Kompetenzen erwartbare Leistungen zuordnen. die zur Verfügung stehenden Materialien sichten und eine geeignete Materialauswahl treffen. unter Berücksichtigung der zuvor erarbeiteten (Teil-)Kompetenzen entsprechende Aufgaben formulieren.

6 Arbeitsaufträge 1.Wählen Sie eine der vorliegenden konkretisierten Kompetenzerwartungen aus und ermitteln Sie die zu deren Erreichung notwendigen Teilkompetenzen. 2.Sichten Sie die Materialien vor dem Hintergrund der zuvor herausgestellten Teilkompetenzen. 3.Wählen Sie geeignete Materialien und formulieren Sie je eine Aufgabenstellung zur Diagnose mindestens zweier fokussierter Teilkompetenzen. Entwickeln Sie ein Kriterienraster für die Einschätzung der Kompetenzerreichung.

7 Magnetresonanztomographie (MRT) Sonographie (TCD) bildgebende Verfahren Computertomographie (CT) PET Konventionelles Röntgen (Schädel, Wirbelsäule) Digitale Subtraktionsangiographie (DSA)

8 Die Magnetresonanztomographie (Tomographie von griechisch Schnitt ) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Inneren des Körpers. Sie kann Schnittbilder des menschlichen Körpers in beliebigen Ebenen erzeugen. Aus den Daten können per Computer 3D-Datensätze berechnet werden. Die MRT hat im Vergleich zur Computertomographie (CT) u.a. eine bessere Weichteildarstellung.

9 ein Pendel wird angestoßen Nachbarpendel wird ebenfalls in Bewegung versetzt Es fließt die Energie ständig hin und her. besonders effektiv: Die Frequenzen beider Pendel stimmen überein. = Resonanz

10 Atomkerne, die von Null verschieden einen Spin haben, haben auch ein magnetisches Moment. Ein Kern mit einem Spin I kann in einem Magnetfeld 2I+1 verschiedene Orientierungen einnhemen, die sich durch die magnetische Quantenzahl m1 unterscheiden. große Masse der Kerne langsame Rotation der Kerne Erzeugung eines schwächeren Magnetfeldes

11 Funktionsprinzip des MRT Präzessionsbewegung Kernspin = Rotationsbewegung des Protons Proton mit seinem magnetischem Moment

12 Magnetfeld aus Feldlinien

13 Magnetfeld ein

14 In einem Feld von 1 Tesla ist für Protonen die Resonanzbedingung bei einer Strahlung von 42,578 MHz erfüllt. Kurze Impulse auf den Körper: Lamorfrequenz Radiowellen!

15 Folge für die Spins: Durch diesen Hochfrequenzimpuls (HF-Impuls) werden die Protonen synchronisiert, wobei einige um 180 gekippt werden. Der resultierende Vektor kippt dabei um 90 und dreht sich in der XY-Ebene. Anfangs kreisen die Protonen noch phasengleich, laufen aber durch verschiedene Energieabgaben an das umliegende Gewebe verschieden schnell auseinander (Dephasierung) und richten sich wieder dem Magnetfeld (Z-Achse) aus.

16 Auf das Umkippen folgt: T1- und T2-Relaxation T1-Relaxation - Längsmagnetisierung T2-Relaxation - Transversalmagnetisierung longitudinale Relaxation beschreibt das Zurückkippen des Vektors nach dem HF-Impuls zum Magnetfeld (niedrigerer Energiezustand) Energieabgabe an die Umgebung Zeit ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Gewebes transversale Relaxation beschreibt den Verlust der Phasengleichheit, wo die Protonen anfangs noch phasengleich kreisen durch die Inhomogenitäten des Magnetfeldes im Gewebe langsam dephasieren Atomkerne verlieren ihre phasensynchrone Kreiselbewegung. Das dauert Zeit!

17 T1-Relaxationszeit T2-Relaxationszeit G e w e b e schneller Wärmetransfer (z.b. Fettgewebe) langsamer Wärmetransfer Flüssigkeiten (z.b. Liquor,Blut) lange Aufrechterhaltung der Transversalmagnetisierung (z.b. Wasser) Hell Dunkel Hell Repetitionszeit Echozeit

18 fmrt - Das Blut macht s! einströmend oxigeniert H ä m o g l o b i n ausströmend desoxigeniert Abhängigkeit der Magnetisierbarkeit des Blutes vom Oxygenierungszustand des Hämoglobins diamagnetisch BOLD-Effekt (Blood Oxygenation Level Dependent), Nutzung zur Untersuchung der Gehirnaktivität paramagnetisch Verstärkung des Magnetfeldes

19 PET ist Szintigraphie besserer Qualität bei vergleichbarer Strahlenexposition vivo-bestimmung von Stoffwechselvorgängen und regionalen Blutflüssen. Funktionsweise Dazu wird dem Patienten eine radioaktiv markierte Substanz (Tracer) verabreicht, die je nach Art des Tracers einen bestimmten Stoffwechselvorgang im Körper begleitet und sich in bestimmten Strukturen anreichert. Die Verteilung des Tracers kann anhand der gemessenen Aktivität bestimmt werden. Über Bildrekonstruktionsverfahren der Computer-Tomographie (CT) wird die dreidimensionale Aktivitätsverteilung im Körper errechnet und in Schichtbildern dargestellt (tomographisches Verfahren).