Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3918
Es wird eine ausfuehrliche Darstellung von Verfahren zur
Bestimmung des Verlaufs von neuronalen Faserbahnen aus DT-Daten
("Fiber-Tracking") gegeben. Vorgestellt wird ein neuartiger Ansatz,
der in der Berechnung einer Diffusionsausbreitung fuer die
gemessenen Diffusionstensor-Daten besteht, wobei die Berechnung
vorzugsweise mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) erfolgt.
Auf diesem Ansatz basierende Tracking-Verfahren haben u.a.
den Vorteil, dass von ihnen Faserbuendel-Aufspaltungen
erkannt werden koennen.
Zudem wird ein neu entwickeltes und implementiertes
Tracking-Verfahren beschrieben, das auf der Berechnung von
Stromlinien beruht.
Im Rahmen der Promotion durchgefuehrte Diffusionsmessungen
haben nahegelegt, dass der gemessene Diffusionskoeffizient
von der gewaehlten Voxelgroesse abhaengt. Durch numerische und
analytische Rechnungen sowie experimentelle Untersuchungen konnte
dieser Effekt fuer homogene Diffusionsmedien ausgeschlossen werden
(homogen innerhalb von Voxeln). Der Fall von inhomogenen
Medien liesse sich anhand der angegebenen Ergebnisse
stoerungstheoretisch behandeln.
Fuer die Untersuchung des Effekts von Partial-Voluming,
also von Gewebe-Heterogenitaet innerhalb von Voxeln
auf die Diffusions-Tensor-Bildgebung wurde ein neues,
"MAD" (Multi-Angle Diffusion) genannten Verfahren entwickelt.
Messungen mit diesem Verfahren ergaben, dass das Partial-Voluming
im Mittel in der weissen Hirnsubstanz staerker ausgepraegt ist als
in der grauen.
Ein weiterer Gegenstand der Dissertation sind Vorarbeiten zum
Einsatz von Oberflaechengradientenspulen fuer Diffusionsmessungen.
Diese Spulen koennten evtl. eine direkte Visualisierung
elektrischer Hirnaktivitaet erlauben. Im Hinblick auf die
Verwendung starker (Diffusions-)Gradienten wurden
publizierte Ergebnisse aus der Porous-Media-Theorie
zusammengestellt.
Die Arbeit thematisiert auch die Anwendung neuerer
Netzwerk-Theorien auf neuroanatomische Konnektivitaetsdaten.
A major issue of this thesis are methods for determining
the course of neural fiber trajectories from DTI data
("fiber tracking"). A novel approach is presented, whose
main idea is the computation of diffusion processes for the
measured DTI data, where the computation is carried out preferably
by finite element methods (FEM). Tracking algorithms based
on this approach have the advantage (among others)
that they can detect the splitting of neural fiber bundles.
A further newly developed and implemented tracking algorithm
is described which relies on the computation of streamlines.
Diffusion measurements performed for the PhD project have
suggested that the measured diffusion coefficient
depends on the voxel size. By means of numerical and
analytical computations as well as experimental investigation
this effect could be ruled out for homogenous diffusion
media (homogenous on the voxel scale). With the given
results the case of inhmogenous media could be treated by
perturbation theory.
For the investigation of the effect of partial voluming,
i.e. of tissue heterogenity within voxels, on DTI a novel
method called MAD (multi angle diffusion) has been developed.
Measurements with this method have shown that partial voluming
effects are on average more apparent in white matter than in
grey matter.
A further topic of the thesis is preparatory work on the
employment of surface gradient coils for diffusion measurements.
These coils might allow a direct visualisation of electrical
brain activity. With regard to the use of strong (diffusion)
gradients a summary of published results from porous media
theory is given.
The dissertation also addresses the application of recently
developed network theories to neuroantomical connectivity
data.
Gembris, Daniel
Rekonstruktion neuronaler Konnektivität mittels kernmagnetischer Resonanz
278 S., 2001
Die Dissertation befasst sich mit Verwendung von
Kernspintomographie fuer die Untersuchung des Zusammenwirkens
von verschiedenen funktionalen Einheiten des (menschlichen)
Gehirns. Es werden insbesondere Verfahren fuer die
Diffusionstensor(DT)-Bildgebung und ihre Implementierung
beschrieben. Die DT-Bildgebung, verfuegbar seit 1994,
ist gegenwaertig die einzige Methode, die eine nicht-invasive
Untersuchung von neuronalen Faserverbindungen in vivo erlaubt.
Informationen ueber diese Strukturen wurden zuvor ueberwiegend
aus invasiven Studien an Tieren (hauptsaechlich Affen, Ratten und
Katzen) erhalten.
This dissertation is concerned with the use of magnetic resonance
tomography for the study of the interactions between different
functional units of the (human) brain. In particular,
methods for diffusion-tensor imaging (DTI) and their implementations
are described. DTI, available since 1994, is currently the only
method available which allows non-invasive studies of
neural fiber tracts in vivo. Such information have previously
been obtained mainly from invasive animal studies (primarily
on apes, rats and cats).
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