Moderne nicht-invasive Methoden zur Erforschung des menschlichen Gehirns Priv.-Doz. Dr. Carsten...
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Moderne nicht-invasive Methoden zur Erforschung des menschlichen Gehirns
Moderne nicht-invasive Methoden zur Erforschung des menschlichen Gehirns
Priv.-Doz. Dr. Carsten WoltersPriv.-Doz. Dr. Carsten Wolters
Dr.rer.nat. Harald KugelDr.rer.nat. Harald Kugel
Dr.med. Gabriel MöddelDr.med. Gabriel Möddel
Priv.Doz. Dr. med. Christoph KellinghausPriv.Doz. Dr. med. Christoph Kellinghaus
Priv.-Doz. Dr. Carsten WoltersPriv.-Doz. Dr. Carsten Wolters
Dr.rer.nat. Harald KugelDr.rer.nat. Harald Kugel
Dr.med. Gabriel MöddelDr.med. Gabriel Möddel
Priv.Doz. Dr. med. Christoph KellinghausPriv.Doz. Dr. med. Christoph Kellinghaus
Vorlesung, 15.Oktober 2013Vorlesung, 15.Oktober 2013
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OutlineOutline
• General planning for this lecture (language? date/time? required knowledge? Participants-Email-List!)
• Literature for this lecture
• Introduction to the lecture (Part 1)
• General planning for this lecture (language? date/time? required knowledge? Participants-Email-List!)
• Literature for this lecture
• Introduction to the lecture (Part 1)
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Aktuelle VorlesungsplanungAktuelle Vorlesungsplanung• 15.Oktober: Vorbesprechung und Motivation (Wolters)
• 22.Oktober: Einführung Magnetresonanztomographie (MRT) (Kugel)
• 29.Oktober: Medizinische Grundlagen zur Elektro- (EEG) und Magnetoencephalography (MEG) (Wolters)
• 5.Nov.: Mathematisch-physikalische Modellierungsgrundlagen zu EEG und MEG, Teil 1 (Wolters)
• 12.Nov.: Mathematisch-physikalische Modellierungsgrundlagen zu EEG und MEG, Teil 2 (Wolters)
• 19.Nov.: Grundlagen von Epilepsie und EEG (Kellinghaus)
• 26.Nov.: Epileptische Anfälle und ihre Behandlung (Kellinghaus)
• 3.Dez.: Registrierung von MRT: Teil 1 (Wolters)
• 10.Dez3.: Registrierung von MRT: Teil 2 (Wolters)
• 17.Dez.: Segmentierung von MRT (Wolters)
• 7.Jan.: Mathematik des EEG/MEG Vorwärtsproblems, Teil 1 (Wolters)
• 14.Jan.: Mathematik des EEG/MEG Vorwärtsproblems, Teil 2 (Wolters)
• 21.Jan.: Mathematik des EEG/MEG inversen Problems, Teil 1 (Wolters)
• 28.Jan.: Mathematik des EEG/MEG inversen Problems, Teil 2 (Wolters)
• 4.Feb.: Epilepsiechirurgie, Teil 3 (Möddel)
• 15.Oktober: Vorbesprechung und Motivation (Wolters)
• 22.Oktober: Einführung Magnetresonanztomographie (MRT) (Kugel)
• 29.Oktober: Medizinische Grundlagen zur Elektro- (EEG) und Magnetoencephalography (MEG) (Wolters)
• 5.Nov.: Mathematisch-physikalische Modellierungsgrundlagen zu EEG und MEG, Teil 1 (Wolters)
• 12.Nov.: Mathematisch-physikalische Modellierungsgrundlagen zu EEG und MEG, Teil 2 (Wolters)
• 19.Nov.: Grundlagen von Epilepsie und EEG (Kellinghaus)
• 26.Nov.: Epileptische Anfälle und ihre Behandlung (Kellinghaus)
• 3.Dez.: Registrierung von MRT: Teil 1 (Wolters)
• 10.Dez3.: Registrierung von MRT: Teil 2 (Wolters)
• 17.Dez.: Segmentierung von MRT (Wolters)
• 7.Jan.: Mathematik des EEG/MEG Vorwärtsproblems, Teil 1 (Wolters)
• 14.Jan.: Mathematik des EEG/MEG Vorwärtsproblems, Teil 2 (Wolters)
• 21.Jan.: Mathematik des EEG/MEG inversen Problems, Teil 1 (Wolters)
• 28.Jan.: Mathematik des EEG/MEG inversen Problems, Teil 2 (Wolters)
• 4.Feb.: Epilepsiechirurgie, Teil 3 (Möddel)
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OutlineOutline
• Literature for this lecture
• Introduction to the lecture (Part 1)
• Literature for this lecture
• Introduction to the lecture (Part 1)
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Literature for this lectureLiterature for this lecture
• Lecture webside:
http://www.sci.utah.edu/~wolters/LiteraturZurVorlesung/
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OutlineOutline
• Literature for this lecture
• Introduction to the lecture (Part 1)
• Literature for this lecture
• Introduction to the lecture (Part 1)
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Basics of clinical EEG and MEGBasics of clinical EEG and MEG
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Electro- (EEG) and Magneto-encephalography (MEG)Electro- (EEG) and Magneto-encephalography (MEG)
275 channel axial gradiometer whole-cortex MEG128 channel EEG275 channel axial gradiometer whole-cortex MEG128 channel EEG
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Spatial and temporal resolution of brain imaging methods
Spatial and temporal resolution of brain imaging methods
[Gazzaniga, Ivry & Mangun, Cognitive Neuroscience, 2nd ed., W.W.Norton & Company, 2002]
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Grundlagen klinischer EEG und MEG Anwendungen
=> Warum also MEG?
• EEG ist Standard in der klinischen Praxis
• MEG ist kostenintensiv (Gerätekosten, Wartung, Heliumkühlung…)
• Datenauswertung ist komplex (wie auch für EEG, fMRT, …)
• In Deutschland bisher keine Vergütung durch die Krankenkassen
• EEG ist Standard in der klinischen Praxis
• MEG ist kostenintensiv (Gerätekosten, Wartung, Heliumkühlung…)
• Datenauswertung ist komplex (wie auch für EEG, fMRT, …)
• In Deutschland bisher keine Vergütung durch die Krankenkassen
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Grundlagen - MEG• MEG registriert nicht-invasiv
magnetische Felder neuronaler Aktivität
• Ähnlich dem EEG: Ableitung neuronaler Aktivität
• MEG und EEG messen Aktivität derselben Generatoren
• PET oder fMRT: Indirekte Erfassung neuronaler Aktivität
4D Neuroimaging, San Diego, CA, USA
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Magnetische Abschirmkammer
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MEG Interna
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Erfassung des magnetischen Flusses
Magnetometer
Axiales Gradiometer
Planares Gradiometer
Papanicolaou (Ed.): Clinical Magnetoencephalography and Magnetic Source
Imaging
Superconducting quantum interference device
(SQUID)
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Carsten Wolters, IBB, WWU MünsterCarsten Wolters, IBB, WWU Münster
MEG-System am IBB, Uni MünsterMEG-System am IBB, Uni Münster
Finite Elemente Knoten für die MEG Sensor-BeschreibungFinite Elemente Knoten für die MEG Sensor-Beschreibung
[Lanfer, diploma thesis, 2007]
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Epileptic activity as measured with EEG and MEG
Epileptic activity as measured with EEG and MEG
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Source analysis in presurgical epilepsy diagnosisSource analysis in presurgical epilepsy diagnosis
• 0.5%-1% of world population suffers from epilepsy0.5%-1% of world population suffers from epilepsy
• 70-80% of patients successfully treated with drugs70-80% of patients successfully treated with drugs
• For those who are still pharma-resistent after 2-3 drugsFor those who are still pharma-resistent after 2-3 drugs
– Probability of success of a further different drug: 6% Probability of success of a further different drug: 6% (Wiebe et al 2001)(Wiebe et al 2001)
– Probability of success of a surgical treatment: 50% Probability of success of a surgical treatment: 50% (Wiebe et al 2001)(Wiebe et al 2001)
• Indispensable prerequisite for surgery: Focal epilepsy->LocalizationIndispensable prerequisite for surgery: Focal epilepsy->Localization – Gold standard: Video-monitoring and visual inspection of the EEG Gold standard: Video-monitoring and visual inspection of the EEG (Wilson (Wilson
1996)1996)– MRI: Identification of an underlying lesionMRI: Identification of an underlying lesion– PET and Neuropsychology: Localization of a functional deficitPET and Neuropsychology: Localization of a functional deficit– Source analysis ofSource analysis of
• EEG EEG seizure (ictal) activityseizure (ictal) activity (Plummer et al., 2008)(Plummer et al., 2008)• EEG/MEG EEG/MEG interictal activityinterictal activity: “irritative zone” : “irritative zone” (Stefan et. al., 2003)(Stefan et. al., 2003)
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Epileptic spikes in EEG and MEG
Clear spike in EEGNearly no/no signal in MEG
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Epileptic spikes in EEG and MEG
Clear spike in EEGNearly no/no signal in MEG Deep source Strongly radially oriented source
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• MEG registers mainly tangential source components: Sulci-walls: tangential pyramidal cells -> High amplitudes
• „Diagonal“ orientation-> Medium amplitude
• Radial sources hardly produce an MEG: Depth and crown of sulci: radial pyramidal cells -> Low contribution
Sensitivity for radial and tangential sources
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Epileptic spikes in EEG and MEG
Clear signal in MEG, poor signal in EEG
Explanation?
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Sensitivity
• Sensitivity EEG > MEG in deep areas
• But: Sensitivity MEG > EEG in superficial areas
Goldenholz et al., 2009
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Spikes in EEG and MEG
Iwasaki et al., 2005
What should we use? MEG instead of EEG? Only EEG?
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Combined EEG and MEGCombined EEG and MEG
275 channel axial gradiometer whole-cortex MEG128 channel EEG275 channel axial gradiometer whole-cortex MEG128 channel EEG
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Source analysis of interictal spikes in presurgical epilepsy diagnosis
Source analysis of interictal spikes in presurgical epilepsy diagnosis
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Averaged interictal EEG spikesAveraged interictal EEG spikes
Measure EEG and/or MEGMeasure EEG and/or MEG
[Wolters & Kellinghaus, 2006]
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Results of combined EEG/MEG dipole fit Results of combined EEG/MEG dipole fit
Inverse method: Single current dipoleInverse method: Single current dipole
[Wolters & Kellinghaus, 2006]
EEG data and (transparent) cortexEEG data and (transparent) cortex MEG data and (transparent) cortexMEG data and (transparent) cortex
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Carsten Wolters, IBB, WWU MünsterCarsten Wolters, IBB, WWU Münster
Results of combined EEG/MEG L1 norm current density reconstruction
Results of combined EEG/MEG L1 norm current density reconstruction
Inverse method: L1 norm current densityInverse method: L1 norm current density
[Wolters & Kellinghaus, 2006]
EEG data and (nontransparent) cortexEEG data and (nontransparent) cortex MEG data and (nontransparent) cortexMEG data and (nontransparent) cortex
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Carsten Wolters, IBB, WWU MünsterCarsten Wolters, IBB, WWU Münster
Source analysis of seizure (ictal) spikes in presurgical epilepsy diagnosis
Source analysis of seizure (ictal) spikes in presurgical epilepsy diagnosis
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Typical EEG signalsTypical EEG signals
[Gazzaniga, Ivry & Mangun, Cognitive Neuroscience, 2nd ed., W.W.Norton & Company, 2002]
Delta (0.3-3.5Hz): Traumlose Tiefschlafphase
Gamma(30-70Hz): Starke Konzentr., Lernphase
Alpha (8-13Hz): Entspannte Wachheit
Theta (4-7Hz): Leichte Schlafphasen
Beta (14-30Hz): Hellwach, gute Intelligenzleistung
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EEG Preprocessing[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]
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Carsten Wolters, IBB, WWU MünsterCarsten Wolters, IBB, WWU Münster
T1 MRI segmentation
[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]
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Carsten Wolters, IBB, WWU MünsterCarsten Wolters, IBB, WWU Münster
FE mesh generation[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]
![Page 34: Moderne nicht-invasive Methoden zur Erforschung des menschlichen Gehirns Priv.-Doz. Dr. Carsten Wolters Dr.rer.nat. Harald Kugel Dr.med. Gabriel Möddel.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062623/55204d8149795902118d4772/html5/thumbnails/34.jpg)
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Brain conductivity anisotropy modelingBrain conductivity anisotropy modeling
FA map on T1-MRIFA map on T1-MRIOriginal DTI dataOriginal DTI data FA map after registration
FA map after registration
Effective medium approach model (DTI <-> CTI):
Model DTI<->Conductivity Tensor Image (CTI) [Tuch et al., Ann. NYAS, 1999]
Linear model DTI<->CTI [Tuch et al., PNAS, 2001]
Validation of DTI<->CTI model in silk yarn phantom [Oh et al., ISMRM, 2006]
[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]
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Carsten Wolters, IBB, WWU MünsterCarsten Wolters, IBB, WWU Münster
Presurgical EEG source analysisPresurgical EEG source analysis
Goal function scan
MNLS
Dipole fit
(Hämäläinen & Ilmoniemi, 1984)(Hämäläinen & Ilmoniemi, 1984)
(Mosher, 1992; Knösche, 1997)(Mosher, 1992; Knösche, 1997)
(Scherg and von Cramon, 1985)(Scherg and von Cramon, 1985)
sLORETA
(Pascual-Marqui, 2002)(Pascual-Marqui, 2002)
Result: Behind the lesion in lateral premotor cortex
[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]
![Page 36: Moderne nicht-invasive Methoden zur Erforschung des menschlichen Gehirns Priv.-Doz. Dr. Carsten Wolters Dr.rer.nat. Harald Kugel Dr.med. Gabriel Möddel.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062623/55204d8149795902118d4772/html5/thumbnails/36.jpg)
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Validation: Intracranial EEG (iEEG)[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]
![Page 37: Moderne nicht-invasive Methoden zur Erforschung des menschlichen Gehirns Priv.-Doz. Dr. Carsten Wolters Dr.rer.nat. Harald Kugel Dr.med. Gabriel Möddel.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062623/55204d8149795902118d4772/html5/thumbnails/37.jpg)
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CT and iEEG electrode positions[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]
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Validation result (localization)
sEEG Dipole fit resultsEEG Dipole fit resultiEEG peaking electrodesiEEG peaking electrodes
[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]
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Validation result (orientation)
sEEG dipole fit result: Source orientation away from the lesion towards the epileptogenic tissue (Salayev et al., 2006; Plummer et al., 2008)
sEEG dipole fit result: Source orientation away from the lesion towards the epileptogenic tissue (Salayev et al., 2006; Plummer et al., 2008)
[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]
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