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 Priv.-Doz. Dr. Carsten Wolters Priv.-Doz. Dr. Carsten Wolters Dr.rer.nat. Harald Kugel Dr.rer.nat. Harald Kugel Dr.med. Gabriel Möddel Dr.med. Gabriel Möddel Priv.Doz. Dr. med. Christoph Kellinghaus Priv.Doz. Dr. med. Christoph Kellinghaus Vorlesung, 15.Oktober 2013 Vorlesung, 15.Oktober 2013

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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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• General planning for this lecture (language? date/time? required knowledge? Participants-Email-List!)

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• 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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Literature for this lectureLiterature for this lecture

• Lecture webside:

http://www.sci.utah.edu/~wolters/LiteraturZurVorlesung/

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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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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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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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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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T1 MRI segmentation

[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

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FE mesh generation[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

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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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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]

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Validation: Intracranial EEG (iEEG)[Rullmann, Anwander, Dannhauer, Warfield, Duffy & Wolters, NeuroImage, 44(2), 2009]

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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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