Visualisierung von Nervenbahnen

 

Visualisierung von Nervenbahnen (Health Informatics)

 

MRT T1 Bild mit überlagertem LIC-Ergebnis (grün, blau) bei einem Tumor (rot), der die Pyramidenbahn infiltriert hat (gelber Pfeil).

MRT T1 Bild mit überlagertem LIC-Ergebnis (grün, blau) bei einem Tumor (rot), der die Pyramidenbahn infiltriert hat (gelber Pfeil).

3D Rekonstruktion des optischen Trakts (gelb) ohne (links) und mit Regularisierung (rechts).

3D Rekonstruktion des optischen Trakts (gelb) ohne (links) und mit Regularisierung (rechts).

In der kernspintomographischen Diffusionsbildgebung wird die Diffusion von Wassermolekülen im Gewebe gemessen. Die prinzipiell ungerichtete (isotrope) Diffusion wird im Bereich von Nervenfasern durch die Myelinscheide eingeschränkt, so daß eine gerichtete (anisotrope) Diffusion entsteht, deren Ausmaß und Richtung prinzipiell mit einer räumlichen Auflösung von ca. 2,0 mm * 2,0 mm * 2,0 mm ermittelt werden kann. Aus den Meßdaten kann durch Verfahren des Fasertrackings der Verlauf von Nervenbahnen rekonstruiert und dreidimensional visualisiert werden. Hinderlich für den klinischen Einsatz der Methodik ist das schlechte Signal-zu-Rausch Verhältnis der Meßdaten sowie die mangelnde räumliche Auflösung. Letzteres führt im Bereich von sich kreuzenden, verzweigenden oder berührenden Faserbündeln zu nicht eindeutigen Richtungsinformationen.

Das Competence Center Health Informatics entwickelt Methoden zur Rauschminderung und Regularisierung 3D Rekonstruktion des corpus callosum (rot), des fascilus longitudinalis (grün) und der Pyramidalbahnen (blau) nach Regularisierung.ng von Diffusionsprofilen sowie Algorithmen zur Visualisierung von Nervenbahnen. Dabei wird insbesondere auf angulär hochauflösenden Meßtechniken, wie z.B. dem Q-Ball Imaging aufgebaut. Die Arbeiten erfolgen in enger Kooperation mit der MR-Gruppe der Abt. für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie des Universitätsklinikums Tübingen (Prof. Dr. Klose) .

3D Rekonstruktion des corpus callosum (rot), des fascilus longitudinalis (grün) und der Pyramidalbahnen (blau) nach Regularisierung.

3D Rekonstruktion des corpus callosum (rot), des fascilus longitudinalis (grün) und der Pyramidalbahnen (blau) nach Regularisierung.

Für die Visualisierung der Diffusionsdaten wurde ein Verfahren entwickelt, das auf dem Line Integral Convolution (LIC) Algorithmus für die Visualisierung von Vektorfeldern aufbaut. Der Algorithmus wurde dahingehend abgeändert und ergänzt, dass (1) mehr als eine anisotrope Diffusionsrichtung in einem Voxel berücksichtigt werden kann (z.B. bei sich kreuzenden oder verzweigenden Nervenbahnen) und (2) als Input ein hochaufgelöstes Spotpattern verwendet wird. Das Spotpattern wird durch

MRT T1 Bild mit überlagertem LIC-Ergebnis (grün, blau) bei einem Ataxie-Patienten mit klar erkennbarer Verminderung anisotroper Diffusion im Bereich der Pyramidalbahnen des Hirnstamms (gelbe Pfeile).

MRT T1 Bild mit überlagertem LIC-Ergebnis (grün, blau) bei einem Ataxie-Patienten mit klar erkennbarer Verminderung anisotroper Diffusion im Bereich der Pyramidalbahnen des Hirnstamms (gelbe Pfeile).

einen Traktographie-Algorithmus erzeugt und bildet bereits Eigenschaften der Diffusionsdaten ab und erlaubt es, den Kontrast der erzeugten LIC-Bilder so sehr zu steigern, dass der Betrachter Verläufe von Nervenfasern auch bei komplexen geometrischen Verhältnissen (Kreuzungen, Berührungen, Verzweigungen von Nervenbahnen) eindeutig erkennen kann. Zudem wurde ein Farbkodierungsverfahren entwickelt, mit dessen Hilfe ein anatomisches MRT Schnittbild mit dem dazugehörigen LIC-Bild überlagert werden kann. Derzeit wird an der Evaluierung des Verfahrens anhand verschiedener klinischer Fragestellungen gearbietet. Hierzu gehören Krankheitbilder wie Ataxie, Demyelinisierung und verschiedene Tumortypen.

Für das hier entwickelte Verfahren zur Regularisierung (Rauschminderung) kernspintomographsicher Diffusionsdaten wurde vom Deutschen Patentamt das Patent erteilt (DE 10 2009 036 969 B3, 2011).

Für das LIC-basierte Visulisierungsverfahren wurde vom Deutschen Patentamt ein positiver Bescheid erteilt, so daß die Patenturkunde in 2014 zu erwarten ist (DE 10 2013 213 010.4, 2014).