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Reconstruction and Visualization of Neuronal Pathways with Applications in Neuroscience

  • Diffusion imaging captures the movement of water molecules in tissue by applying varying gradient fields in a magnetic resonance imaging (MRI)-based setting. It poses a crucial contribution to in vivo examinations of neuronal connections: The local diffusion profile enables inference of the position and orientation of fiber pathways. Diffusion imaging is a significant technique for fundamental neuroscience, in which pathways connecting cortical activation zones are examined, and for neurosurgical planning, where fiber reconstructions are considered as intervention related risk structures. Diffusion tensor imaging (DTI) is currently applied in clinical environments in order to model the MRI signal due to its fast acquisition and reconstruction time. However, the inability of DTI to model complex intra-voxel diffusion distributions gave rise to an advanced reconstruction scheme which is known as high angular resolution diffusion imaging (HARDI). HARDI received increasing interest in neuroscience due to its potential to provide a more accurate view of pathway configurations in the human brain. In order to fully exploit the advantages of HARDI over DTI, advanced fiber reconstructions and visualizations are required. This work presents novel approaches contributing to current research in the field of diffusion image processing and visualization. Diffusion classification, tractography, and visualizations approaches were designed to enable a meaningful exploration of neuronal connections as well as their constitution. Furthermore, an interactive neurosurgical planning tool with consideration of neuronal pathways was developed. The research results in this work provide an enhanced and task-related insight into neuronal connections for neuroscientists as well as neurosurgeons and contribute to the implementation of HARDI in clinical environments.
  • Die Diffusionsbildgebung misst die Bewegung von Wassermolekülen in Gewebe mittelsrnvariierender Gradientenfelder unter Verwendung der Magnetresonanztomographie(MRT). Diese Aufnahmetechnik stellt eine große Chance für in vivo Untersuchung von neuronalen Bahnen dar, da das lokale Diffusionsprofil Rückschlüsse über die Position und Richtung von Nervenbahnen erlaubt. Zu den Anwendungsgebieten der Diffusionsbildgebung zählt die Grundlagenforschung in den Neurowissenschaften, in denen Nervenbahnen als Verbindungen kortikaler Areale bestimmt werden, und die neurochirurgische Operationsplanung, in der rekonstruierte Bahnen als Risikostrukturen für Interventionen angesehen werden. Die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) ist aufgrund ihrer schnellen Aufnahme- und Rekonstruktionsgeschwindigkeit derzeitig klinischer Standard zur Bestimmung von Nervenbahnen. Jedoch erlaubt die DT-MRT nicht die Darstellung von komplexen intravoxel Diffusionsverteilungen. Daher etablierte sich eine weitere Modellierungstechnik, die als High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI) bekannt ist. HARDITechniken erhielten wachsendes Interesse in den Neurowissenschaften, da sie großes Potential zur exakteren Darstellung der Nervenbahnen im menschlichen Gehirn besitzen. Um die Vorteile von HARDI-Techniken gegenüber DT-MRT voll auszuschöpfen, werden fortgeschrittene Methoden zur Rekonstruktion und Visualisierung der Bahnen benötigt. In der vorliegenden Arbeit werden neue Techniken vorgestellt, welche zur aktuellen Forschung hinsichtlich der Verarbeitung und Visualisierung von Diffusionsbildgebungsdaten beitragen. Ansätze zur Klassifizierung, Traktographie und Visualisierung wurden entwickelt um eine aussagekräftige Exploration neuronaler Bahnen und deren Beschaffenheit zu ermöglichen. Des Weiteren wurde eine interaktive Software für die neurochirurgische Operationsplanung implementiert, welche Nervenbahnen als Risikostrukturen berücksichtigt. Die vorgestellten Forschungsergebnisse bieten einen erweiterten und aufgabenorientierten Einblick in neuronale Verbindungen sowohl für Neurowissenschaftler als auch für Neurochirurgen und tragen zum Einsatz von HARDI-Techniken in einer klinischen Umgebung bei.

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Metadaten
Author:Diana Röttger
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-9862
Advisor:S. Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2014/04/28
Date of publication:2014/04/28
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Date of final exam:2014/01/22
Release Date:2014/04/28
Number of pages:XXII, 202 Seiten
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Informatik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG