Optimierte multimodale Gehirn-Gefäßdarstellung zur

Teilprojekt P4
Optimierte multimodale Gehirn-Gefäßdarstellung zur
Verbesserung der funktionellen Bildgebung
schmerzinduzierter kortikaler Aktivitätsmuster
A. Hess und K. Brune
Institut für Pharmakologie und Toxikologie (IfPTox), Universität Erlangen-Nürnberg
Vorarbeiten
Hintergrund / Problemstellung
Funktionelle Kombinations-Bildgebung (Optik/µMR)
• Entscheidender Faktor der Neurobildgebung: Auflösung!
• BOLD fMRI: komplexes Mischsignal der Hämodynamischen Antwort (HA)
und zugrundeliegender Gefäßanatomie, daher eingeschränkte Auflösung.
• Optik: Raumzeitliche gute Auflösung der physiologischen Grundprozesse
sowie der Gefäßanatomie, allerdings nur oberflächlicher Gefäße!
• µCT:
Hochaufgelöste
Strukturerfassung
z.B.
von
plastinierten
Gefäßsystemen
Ziele
Verbesserung der räumlichen und zeitlichen Auflösung des BOLD-Signals für
die funktionelle Neurobildgebung durch
• die Kombination verschiedener bildgebender Verfahren (Optik, µMR, µCT),
• genaue Erfassung des der Hämodynamik zugrundeliegenden Gefäßsystems,
• und Fusion der multimodalen Bilddaten.
C p<10 -8
A p<10 -4
BC
AC
d
r
c
v
B p<10 -6
D p<10 -10
MCA
eye
Lösungsansatz
1 mm
Physiologisch-hämodynamische Grundlagen des fMRI BOLDSignals
• MRI
o Erfassung der BOLD fMRI Antwort unter funktioneller Stimulation.
• Optische Ableitung
BOLD
o Charakterisierung der HA bei gleicher Stimulation wie in den fMRI
Experimenten aufgrund simultaner Erfassung verschiedener Komponenten der
HA durch optische Ableitung mittels QuadView-Technik (HbR, CBV, CBF).
ORIS 577
Ergebnisse (Hess et al., J of Neuroscience, 2000) :
• Verschiedene Komponenten der Hämodynamischen Antwort
sind mittels ORIS separierbar und analysierbar.
• ORIS und fMRI generierte Aktivierungsmuster konnten an ein
und demselben Versuchstier fusioniert werden.
• Bereits initiale Signalanalyse der räumlich und zeitlich besser
aufgelösten ORIS-Daten konnte ein neues Analyseschema für
die fMRI-Daten vorgeschlagen werden.
• Dadurch konnte die räumliche Auflösung des BOLD fMRI
verbessert werden.
Vaskuläre Kombinations-Bildgebung
µMR
Mittels multimodaler Bildgebung wird von ein und demselben Versuchstier, nach Erfassung des
funktionellen BOLD-Signals unter thermischer Stimulation der Hinterpfote, in einem mehrstufigen
Verfahren ein exakter Gefäßbaum dieses einzelnen Versuchstieres gewonnen und mit den
funktionellen Daten aus BOLD fMRI und optischer Ableitung fusioniert.
• MRI
o MR-Anatomie (P5, P6)
o MR-Angiogramm (P4)
ƒ 3D TOF, axial, sagittal, horizontal
ƒ Identifizierung von Arterien bzw. Venen mit und ohne Kontrastmittel
µCT
Gefäße im µCT: Quantitative Erfassung
3d TOF Angiographie
Anatomisch-vaskuläre Grundlagen des fMRI BOLD-Signals
unterschiedlicher Gefäßdurchmesser
• Optische Ableitung (P6)
o Optischer Gefäßbaum oberflächlicher kortikaler Gefäße
Angiographie
Anatomie
Without contrast agent:
With contrast agent:
„arterial weighting“
„venous weighting“
• Perfusion bzw. Plastinierung der Versuchstiere: „corrosion cast“
• µCT
o Plastinierte Gehirngefäße (Kooperation mit P1)
o Gefäßbaum in-vivo mit neuen Kontrastmitteln (Kooperation mit P1, P3)
Kneser, … Hess,… Tissue Eng., 2005
Optik
Angiographie
Anatomie
Funktion
Fused 3 TOF Angio‘s:
„more complete
representation“
Skeleton part
• Gefäßbaum - anatomische Daten
o Rekonstruktion, geometrische Beschreibung der MR/CT-Angiographien
o Fusion der Gefäßbäume aus MR und Optik mit µCT
Automatic segmentation:
Extraction and quantification
of arteries and veins
% Total
% Veins
% Arteries
Pure inflow
30
25
36
Agent only
31
47
15
Common
39
28
49
Datenanalyse
• Hämodynamische funktionelle Daten
Hess et al., IEEE ICIP, 2001
Gefäßsegmentierung / Gefäßanalyse / Fusion
pre
post
o Analyse der BOLD bzw. optischen Antworten
o Registrierung und Fusion in ein gemeinsames Referenzsystem.
• Anatomisch-funktionelle Korrelation: Struktur-Funktionsmodell
o Registrierung des funktionellen Referenzsystems mit dem Gefäßmodell
• Modellgenerierung des BOLD-Signals
Erwartete Ergebnisse / Langfristige Perspektiven
Gaudnek, Hess et al., BVM, 2004; Gaudnek, Hess et al., IEEE ICIP, 2005
fMRI Analyse: „rat Talairach system“
Register individual anatomy
Generate average reference
Register individual functional
measurements
Apply reference atlas
Get identified brain
structures
Pielot, …. Hess, Neuroimage, 2004; Mohr, Hess et al., JNsMeth, 2004, Hess et al., BVM, 2005
• Kombiniertes Struktur-Funktionsmodell der hämodynamischen BOLD
Antwort.
• Verbesserte Strukturelle Gefäßdarstellung durch Fusion µCT und µMR.
• Erweiterung des BOLD-Modelles mit optischer Messung der neuronalelektrischen Aktivität mittels spannungsabhängiger Farbstoffe.
• Entwicklung eines kombinierten optischen / MR Messystems.
• Validierung in neurophysiologischen Experimenten zur Schmerzverarbeitung bzw. Chronifizierung.