Format:
Online-Ressource (PDF-Datei: XLVI, 156 S., 53,35 MB)
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Ill., graph. Darst.
Content:
Das Gehirn ist das neuronale Zentrum des menschlichen Körpers und besitzt eine höchst komplexe Mikrostruktur aus Nervengewebe mit untereinander verknüpften Nervenzellen. Die Nervenzellen sind, je nach ihren Aufgaben (wie visuelle Wahrnehmung, motorische Fähigkeiten oder Sprache), in funktionellen Einheiten angeordnet und über ihre Axone miteinander verbunden.Die Axone bilden dabei ein weit verzweigtes neuronales Netzwerk, das Nervenzellen funktionell gleicher Areale untereinander verbindet und die Signalübertragung zwischen den verschiedenen funktionellen Einheiten auch über lange Strecken sicherstellt. Die Entwicklung der Magnetresonanztomographie und insbesondere die Entwicklung der diffusionsgewichteten Bildgebung ermöglichten es, das neuronale Netzwerk des menschlichen Gehirns in bisher ungeahnter Weise nicht-invasiv zu studieren um dessen immanente Komplexität zu entschlüsseln. Durch den Einsatz von Traktographieverfahren können drei-dimensionale Fasertrakte rekonstruiert werden, welche den Verlauf der zugrunde liegenden, mikroskopischen Nervenfasern modellieren. Das daraus resultierende, komplexe Netzwerk von Faserverbindungen approximiert die strukturelle Organisation des neuronalen Netzwerks und erlaubt Rückschlüsse über den Verlauf und die Konnektivität der funktionellen, untereinander verbundenen Areale zu ziehen. Aufgrund der Komplexität des extrahierten Fasernetzwerks und der Ungeordnetheit der darin enthaltenen Fasertrakte ist eine zeitaufwendige und vielschichtige Prozessierung der gewonnenen Daten notwendig, was die Einsetzbarkeit der Traktographie für viele medizinische Anwendungen außerordentlich einschränkt. Um die Anwendungsmöglichkeiten der Traktographie zu verbessern, werden im Rahmen dieser Dissertation neue Konzepte und Strategien vorgestellt, die es ermöglichen Fasertrakte mit Hilfe der Clusteranalyse vollautomatisch zu Faserbündeln zusammenzufassen, welche dem Verlauf der zugrunde liegenden mikrostrukturellen Faserbahnen entsprechen. Hierfür wird mit CATSER (cluster analysis through smartly extracted representatives) eine neue Methode für die automatische Clusteranalyse der Fasertrakte vorgestellt. Diese nutzt die intrinsische Redundanz der Daten, um auch die Analyse großer Datensätze zu ermöglichen. Um die Korrespondenz zwischen den resultierenden Faserbündel und den zugrunde liegenden mikrostrukturellen Faserbahnen weiter zu verbessern, können zusätzliche anatomische Informationen eines Atlanten der weißen Substanz von CATSER berücksichtigt werden. Durch die Nutzung paralleler Rechnerarchitekturen, neuer Algorithmen und Ähnlichkeitsmaße kann die Clusteranalyse in einem vertretbaren Zeitrahmen realisiert werden. Verschiedene Experimente wurden durchgeführt, um die Eigenschaften des vorgestellten Clusteranalyseverfahrens zu untersuchen und seine hohe Performanz nachzuweisen. Die schnelle und zuverlässige Extraktion der Faserbündel mit CATSER eröffnet einer Vielzahl medizinischer Anwendungen die Nutzung traktographischer Daten. Gruppen-basierte Analysemethoden die verwendet werden, um veränderte Diffusion zwischen verschiedenen Gruppen (wie gesunden Probanden vs. Patienten) oder zwischen Untergruppen von Patienten zu untersuchen, sind dabei prädestiniert, um von den zusätzlichen anatomischen Informationen der Faserbündel zu profitieren. Aus diesem Grund präsentiert der zweite Teil der Dissertation ein neues Verfahren für die quantitative Analyse von Diffusionsparameter, welches die Analyse durch Einbeziehung der vorab extrahierten Faserbündel verbessert. Diese neue Technik ermöglicht die voxelbasierte Untersuchung individueller Bündel, beschränkt die Analyse dabei allerdings ausschließlich auf Voxel, die zu dem untersuchten Faserbündel gehören. Überlappende Bereiche anderer Bündel, die nicht Gegenstand der Untersuchung sind, werden mit dieser Technik effektiv ausgeblendet. Um die Anwendbarkeit der vorgestellten Methoden zu eruieren, wurden die neuen Techniken im Rahmen von zwei Studien eingesetzt. Bei gesunden Probanden und schizophrenen Patienten wurde die Diffusion in ausgewählten Faserbündeln der linken und rechten Hemisphäre untersucht und verschiedene Diffusionsparameter miteinander verglichen. Hierbei konnten beide Studien Unterschiede in bestimmten Faserbündeln der linken und rechten Hemisphäre nachweisen und dabei das Potential der vorgestellten Techniken erfolgreich demonstrieren.
Note:
Parallel als Druckausg. erschienen
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Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2015
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Systemvoraussetzungen: Acrobat reader.
Additional Edition:
Erscheint auch als Druck-Ausgabe Ros, Christian, 1980 - Clustering of fiber tracts and quantitative analysis of white matter fiber bundles in the human brain 2015
Language:
English
Keywords:
Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomografie
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Gehirn
;
Nervennetz
;
Cluster-Analyse
;
Nervenfaserbündel
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Hochschulschrift
URN:
urn:nbn:de:gbv:ilm1-2015000022
URL:
Volltext
(kostenfrei)
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