WO2004021246A2 - Method and arrangement and computer programme with programme code means and computer programme product for the determination of an irregularity in a neuronal structure - Google Patents
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Abstract
The invention relates to an analysis of neuronal activities in neuronal areas, for example nerve structures in cerebral regions of a patient. Signals are recorded, whereby each signal describes the neuronal activity in one of the neuronal areas for a given stimulus. The neuronal structure can be learnt by means of said signals, whereby the neuronal structure is described by means of so-called coupling parameters. The above is carried out for both reference signals and analytical signals, whereby the corresponding reference coupling parameters and analytical coupling parameters are determined and thus the reference neuronal structure and the analytical neuronal structure are learnt. The irregularity is determined by means of a comparison of the reference and analytical coupling parameters.
Description
Beschreibungdescription
Verfahren und Anordnung sowie Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und Computerprogramm-Produkt zur Ermittlung einer Unregelmäßigkeit in einer NeuronenstrukturMethod and arrangement as well as computer program with program code means and computer program product for determining an irregularity in a neuron structure
Die Erfindung betrifft eine Analyse von neuronalen Aktivitäten in neuronalen Arealen, beispielsweise von Neuronen- bzw. Nervenstrukturen in Gehirnarealen eines Patienten.The invention relates to an analysis of neuronal activities in neuronal areas, for example of neuron or nerve structures in the brain areas of a patient.
Kenntnisse über eine Funktionsweise eines neuronalen Areals sowie über ein Zusammenwirken von neuronalen Arealen sind grundlegend für eine funktioneile Kernspintomographie bzw. fMRI-Technologie [3], welche eine Weiterentwicklung der bekannten Magnetresonanztomographie ist.Knowledge of the functioning of a neural area and the interaction of neuronal areas are fundamental for functional magnetic resonance imaging or fMRI technology [3], which is a further development of the known magnetic resonance imaging.
Die bisher bekannte Magnetresonanztomographie (auch Kernspintomographie, kurz: MR) ist ein bildgebendes Verfahren, welches Schnittbilder vom menschlichen Körper ohne Einsatz belastender Röntgenstrahlen erzeugt.The previously known magnetic resonance imaging (also magnetic resonance imaging, abbreviated: MR) is an imaging method that generates sectional images of the human body without the use of stressful X-rays.
Statt dessen macht sich die MR das Verhalten des Körpergewebes in einem starken Magnetfeld zu nutze. Krankhafte Veränderungen des Körpergewebes, beispielsweise imInstead, the MR makes use of the behavior of the body tissue in a strong magnetic field. Pathological changes in body tissue, for example in the
Gehirn oder Rückenmark, können damit erkannt werden.Brain or spinal cord can be recognized with it.
Funktionelle Störungen im Körpergewebe, insbesondere im Gehirn eines Patienten, können allerdings mit der herkömmlichen Magnetresonanztomographie nicht erkannt werden.
Zur Lösung dieses Problems könnte die funktioneileFunctional disorders in body tissue, particularly in the brain of a patient, cannot be detected using conventional magnetic resonance imaging. To solve this problem, the functional
Kernspintomographie bzw. fMRI-Technologie, eineMagnetic resonance imaging or fMRI technology, a
Weiterentwicklung der MR, beitragen.Further development of the MR.
Mittels der fMRI-Technik kann indirekt die neuronaleUsing the fMRI technique, the neuronal
Aktivität in Arealen des Gehirns eines Patienten gemessen werden. Gemessen wird dabei das sogenannte BOLD-Signal (Blood Oxygenation Level Dependent) in einzelnen Arealen des Gehirns, welches im Zusammenhang mit der neuronalen Aktivität in den jeweiligen Arealen steht.Activity can be measured in areas of a patient's brain. The so-called BOLD signal (Blood Oxygenation Level Dependent) is measured in individual areas of the brain, which is related to the neuronal activity in the respective areas.
Zwischen den neuronalen Aktivitäten in den Arealen bestehen Abhängigkeiten, welche unter anderem strukturell bedingt sind, d.h. welche sich unter anderem aus Strukturen im Gehirn, d.h. aus neuronalen Verknüpfungen von Nervenzellen bzw. Nervenstrukturen, ergeben.There are dependencies between the neural activities in the areas, which are, among other things, structurally determined, i.e. which, among other things, consists of structures in the brain, i.e. result from neural connections of nerve cells or nerve structures.
Das Ergebnis der fMRI-Messungen zeigt den Verlauf der Aktivität einzelner neuronaler Areale über einen gewissen Zeitraum, beispielsweise während kognitiver Abläufe alsThe result of the fMRI measurements shows the course of the activity of individual neuronal areas over a certain period of time, for example during cognitive processes as
Resultat bestimmter Wahrnehmungsprozesse oder motorischer Aufgaben .Result of certain processes of perception or motor tasks.
Funktionelle Störungen, in diesem Fall im Gehirn, sind somit implizit in' den gemessenen fMRI-Signalen enthalten.Functional disorders, in this case, in the brain, are therefore implicit in 'the measured fMRI signals.
Bisher bekannte Verfahren zur Analyse der fMRI-Messungen ermöglichen eine Erkennung von funktioneilen Zusammenhängen zwischen verschiedenen Gehirnarealen bei bestimmten, vorgegebenen Aufgaben, wie genannte Wahrnehmungsprozesse oder motorische Aufgaben, was als funktionale Konnektivität bezeichnet wird.
Ein solches bekanntes Analyseverfahren zur Erkennung der funktionalen Konnektivität ist beispielsweise aus [6] bekannt. Einweiteres wird nachfolgend beschrieben.Previously known methods for analyzing the fMRI measurements enable functional relationships between different areas of the brain to be recognized for specific, predetermined tasks, such as perceived processes or motor tasks, which is referred to as functional connectivity. Such a known analysis method for recognizing functional connectivity is known, for example, from [6]. Further details are described below.
Aufgabe dieses nachfolgend beschriebenen Analyseverfahrens ist oben beschriebene Erkennung funktioneller Zusammenhänge zwischen verschiedenen Gehirnarealen bei bestimmten Wahrnehmungsprozesse oder motorische Aufgaben, kurz die Ableitung funktioneller Neuronenstrukturen zu speziellen Tests.The task of this analysis method described below is to identify the functional relationships between different brain areas described above in certain perception processes or motor tasks, in short the derivation of functional neuron structures for special tests.
Diesem bekannten Analyseverfahren liegt ein vordefiniertes Modell eines Gehirns, d.h. eine vordefinierte Gehirnarchitektur, zugrunde.This known analysis method is based on a predefined model of a brain, i.e. a predefined brain architecture.
Diese aus einem Vorwissen, a priori vorgegebene Gehirnarchitektur definiert allgemeine funktioneile und/oder räumliche Abhängigkeiten zwischen bestimmten Gehirnarealen in Form einer sogenannten Kopplungsmatrix S.This brain architecture, predefined from prior knowledge, defines general functional and / or spatial dependencies between certain brain areas in the form of a so-called coupling matrix S.
Die Kopplungsmatrix S weist eine entsprechend der vorgegebenen Gehirnarchitektur festgelegte (Spalten/Zeilen- ) Form bzw. Struktur auf und ist dementsprechend an bestimmtenThe coupling matrix S has a (column / row) shape or structure which is defined in accordance with the predefined brain architecture and is accordingly specific
(Matrix-) Stellen mit sogenannten Kopplungsstärken Si besetzt.(Matrix) positions occupied with so-called coupling strengths Si.
Diese Kopplungsstärken Si beschreiben funktionelleThese coupling strengths Si describe functional ones
Abhängigkeiten jeweils zwischen zwei Gehirnarealen bzw. den dort gemessenen und die dortigen neuronalen Aktivitäten repräsentierenden BOLD-Signalen.Dependencies between two brain areas or the BOLD signals measured there and representing the neural activities there.
Bei diesem bekannten Analyseverf hren werden nun die (veränderbaren) Kopplungsstärken Si so bestimmt, dass
statistische Kenngrößen, welche durch dieses Analyseverfahren aus den fMRI-Messungen ermittelt werden, am besten erklärt werden können. Anders ausgedrückt soll durch die gesuchtenIn this known analysis method, the (changeable) coupling strengths Si are now determined in such a way that statistical parameters, which are determined from the fMRI measurements by this analysis method, can best be explained. In other words, the one sought
Kopplungsstärken Si eine Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten der gemessenen Daten, d.h. der fMRI-Messung bzw. der BOLD- Signale, maximiert werden.Coupling strengths Si a probability of the measured data occurring, i.e. the fMRI measurement or the BOLD signals can be maximized.
Bei diesem Analyseverfahren stellt ein Datenpunkt s=s eineIn this analysis method, a data point s = s is a
Gesamtheit aller BOLD-Signale sl, ..., sN der einzelnen n Areale zu einem Zeitpunkt t oder über ein Zeitintervall t gemittelt dar ( t= [1 ;T] ) .The totality of all BOLD signals sl, ..., sN of the individual n areas at a point in time t or averaged over a time interval t (t = [1; T]).
Die fMRI-Messung u fasst eine Vielzahl solcher Datenpunkte für gegebenenfalls unterschiedliche Wahrnehmungsprozesse und/oder motorische Aufgaben, für welche die entsprechenden BOLD-Signale gemessen wurden, charakterisieren.The fMRI measurement u comprises a large number of such data points for possibly different perception processes and / or motor tasks for which the corresponding BOLD signals were measured.
Bei dem bekannten Analyseverfahren werden nun nicht die einzelnen Datenpunkte sl, s2 , ..., sT direkt, sondern statistische Kenngrößen, welche sich aus diesen ergeben, ausgewertet .In the known analysis method, the individual data points sl, s2, ..., sT are not evaluated directly, but rather statistical parameters which result from these.
Für eine statistische Verteilung der Datenpunkte sl, s2 , ..., sT wird angenommen, dass sie durch eine multivariante Normalverteilung, d.h. einer statistischen Verteilung erster Ordnung, mit einem Mittelwert μ und einer Kovarianz ∑ vollständig beschrieben ist:For a statistical distribution of the data points sl, s2, ..., sT it is assumed that they are characterized by a multivariant normal distribution, i.e. a first order statistical distribution, with a mean μ and a covariance ∑ is completely described:
Die Wahrscheinlichkeit P=P(sl, . sτ| μ#∑) für ein Auftreten aller gemessenen Datenpunkte sl, , sT kann demnach geschrieben werden als :The probability P = P (sl,. Sτ | μ # ∑) for the occurrence of all measured data points sl,, sT can therefore be written as:
Dabei hängen die unbekannten Größen, der Mittelwert μ und die Kovarianz ∑, ausschließlich von einem (Gehirn-) Modell ab, welches die Messdaten beschreibt.The unknown quantities, the mean μ and the covariance ∑ depend exclusively on a (brain) model that describes the measurement data.
Das Modell nimmt einen linearen statistischen Zusammenhang zwischen den einzelnen BOLD-Signalen an: N ι Sijsj + εi für = 1 NThe model assumes a linear statistical relationship between the individual BOLD signals: N ι S ij s j + ε i for = 1 N
7=1 bzw. s = Ss + ε ( 3 ) wobei ε den äußeren Einfluss auf die individuellen BOLD- Signale beschreibt, wie ein sensorischer Input von Sinneszellen auf die untersuchten Areale des Gehirns.7 = 1 or s = Ss + ε (3) where ε describes the external influence on the individual BOLD signals, such as sensory input from sensory cells on the examined areas of the brain.
Die Einflussgrößen εi und εj auf verschiedene untersuchte Areale i und j können dabei durchaus korreliert sein.The influencing variables εi and εj on various examined areas i and j can certainly be correlated.
Die festzulegenden Modellparameter sind demnach die Kopplungsstärken Si der zugrundeliegenden Kopplungsmatrix S,
der Mittelwert με des externen Einflusses ε und die KovarianzThe model parameters to be determined are accordingly the coupling strengths Si of the underlying coupling matrix S, the mean με of the external influence ε and the covariance
∑ε von' ε .∑ε from 'ε.
Von diesen hängen der Mittelwert μ und die Kovarianz ∑ ab: μ = μ(S,με)The mean μ and the covariance ∑ depend on these: μ = μ (S, μ ε )
Σ = ∑(S,Σε) (4)Σ = ∑ (S, Σ ε ) (4)
Bei dem bekannten Analyseverfahren werden nun die Modellparameter so bestimmt, dasε die in (2) gegebene Wahrscheinlichkeit P=P(sl, ..., sτ|μ,∑) für das Auftreten der Messdaten maximal wird.In the known analysis method, the model parameters are now determined so that the probability given in (2) P = P (sl, ..., sτ | μ, gegeben) for the occurrence of the measurement data becomes maximum.
Dazu wird ein Methode (Optimierung) einer bekannten Maximum Likelyhood Estimation [1] angewendet.For this purpose, a method (optimization) of a known maximum likelihood estimation [1] is applied.
Unter Verwendung der Zusammenhänge (4) in (2) ergibt sich ein von den Kopplungsstärken Si , dem Mittelwert με und derUsing the relationships (4) in (2) results in one of the coupling strengths Si, the mean value με and the
Kovarianz ∑ε abhängiger Ausdruck, welcher durch die Optimierung aximiert wird.Covariance ∑ε dependent expression, which is maximized by the optimization.
Die Optimierung führt dann zu den gesuchten Kopplungsstärken Si zwischen den BOLD-Signalen.The optimization then leads to the desired coupling strengths Si between the BOLD signals.
Diese wiederum ermöglichen dann die Erkennung funktioneller Zusammenhänge zwischen verschiedenen Gehirnarealen bei bestimmten Wahrnehmungsprozesse oder motorische Aufgaben (funktionale Konnektivität) .These in turn then enable functional relationships between different brain areas to be identified in certain perceptual processes or motor tasks (functional connectivity).
Die Anwendung dieses beschriebenen wie auch des aus [6] bekannten Analyseverfahrens im Rahmen klinischer
Untersuchungen von Patienten mit neuropsychologischen, im allgemeinen neuronalen Störungen war bisher beschränkt auf die Erkennung funktioneller Zusammenhänge und Störungen bei bestimmten Wahrnehmungsprozesse oder motorische Aufgaben.The application of this described as well as the known from [6] analysis method in the context of clinical Examinations of patients with neuropsychological, generally neuronal disorders were previously limited to the detection of functional relationships and disorders in certain perception processes or motor tasks.
Die Aktivitäten einzelner Gehirnareale und dieThe activities of individual brain areas and the
Wechselwirkungen zwischen diesen sind zwar aufgabenspezifisch, doch stehen sie dennoch im Zusammenhang mit von den Aufgaben unabhängigen (übergeordneten) anatomischen Strukturen im Gehirn, sogenannten neuroanato ischen Gehirnstrukturen .Interactions between these are task-specific, but they are nevertheless related to (superordinate) anatomical structures in the brain, so-called neuroanatonic brain structures.
Diese neuroanatomischen Gehirnstrukturen können mittels der bekannten Analyseverfahren alleine nicht ermittelt werden. Damit sind auch neuroanato ische Ursachen funktioneller Störungen, welche Ursachen wie auch Störungen sich unmittelbar aus den neuroanatomischen Gehirnstrukturen erkennen lassen, nicht durch dieses Verfahren alleine bestimmbar.These neuroanatomical brain structures cannot be determined using the known analysis methods alone. This means that neuroanatological causes of functional disorders, which causes and disorders can be identified directly from the neuroanatomical brain structures, cannot be determined by this method alone.
Aus [4] ist ein Sof ware-Tool für ein fMRI-Analyseverfahren, eine „f ri.pro", bekannt. Aus [5] ist ein Gerät zur Durchführung der fMRI-Technik bekannt. .A software tool for an fMRI analysis method, an “f ri.pro”, is known from [4]. A device for carrying out the fMRI technique is known from [5].
Somit liegt' der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einThe invention is therefore based on the object
Analyseverfahren zur Analyse von neuronalen Aktivitäten in neuronalen Arealen anzugeben, mit welchem neuroanatomische Strukturen und neuroanatomische Störungen ermittelbar sind.Specify analysis methods for analyzing neural activities in neuronal areas with which neuroanatomical structures and neuroanatomical disorders can be determined.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Anordnung sowie durch das Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln und das Computerprogramm-Produkt zur Ermittlung einer
Unregelmäßigkeit in einer Neuronenstruktur mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.This task is accomplished by the method and the arrangement as well as by the computer program with program code means and the computer program product for determining one Irregularity in a neuron structure solved with the features according to the respective independent claim.
Bei dem Verfahren zur Ermittlung einer Unregelmäßigkeit in einer Neuronenstruktur mit neuronalen Arealen unterIn the procedure for determining an irregularity in a neuron structure with neuronal areas below
Verwendung einer Referenzneuronenstruktur mit neuronalen Referenzarealen,Use of a reference neuron structure with neuronal reference areas,
- werden Referenzsignale für eine vorgegebene Erregung ermittelt, wobei jeweils ein Referenzsignal eine neuronale Referenzaktivität in einem der neuronalen Referenzarealen bei der vorgegebenen Erregung beschreibt,reference signals are determined for a given excitation, a reference signal describing a neuronal reference activity in one of the neuronal reference areas for the given excitation,
- wird unter Verwendung der Referenzsignale ein statistischer ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen ermittelt, welcher unter Verwendung von Referenzkopplungsgrößen, die jeweils den statistischen ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen beschreiben, beschrieben wird,a statistical reference relationship between the reference signals is determined using the reference signals, which is described using reference coupling variables, each of which describes the statistical reference relationship between the reference signals,
- werden Analysesignale für eine weitere Erregung ermittelt, wobei jeweils ein Analysesignal eine neuronale Analyseaktivität in einem der neuronalen Arealen bei der weiteren Erregung beschreibt,analysis signals for a further excitation are determined, each analysis signal describing a neural analysis activity in one of the neuronal areas during the further excitation,
- wird unter Verwendung der Analysesignale ein statistischer Zusammenhang zwischen den Analysesignalen ermittelt, welcher unter Verwendung von Analysekopplungsgrößen, die jeweils den statistischen Zusammenhang zwischen den Analysesignalen beschreiben, beschrieben wird,- Using the analysis signals, a statistical relationship between the analysis signals is determined, which is described using analysis coupling variables, which each describe the statistical relationship between the analysis signals,
- werden die Referenzkopplungsgrößen mit den Analysekopplungsgrößen verglichen, wobei die Unregelmäßigkeit in der Neuronenstruktur ermittelt wird.- The reference coupling quantities are compared with the analysis coupling quantities, the irregularity in the neuron structure being determined.
Die Anordnung zur Ermittlung einer Unregelmäßigkeit in einer Neuronenstruktur mit neuronalen Arealen unter Verwendung einer Referenzneuronenstruktur mit neuronalen Referenzarealen
weist funktioneile miteinander in einem Kontakt stehendeThe arrangement for determining an irregularity in a neuron structure with neuronal areas using a reference neuron structure with neuronal reference areas has functional parts in contact with each other
Einheiten auf, die derart eingerichtet sind, dassUnits that are set up in such a way that
- Referenzsignale für eine vorgegebene Erregung ermittelbar sind, wobei jeweils ein Referenzsignal eine neuronale Referenzaktivität in einem der neuronalen Referenzarealen bei der vorgegebenen Erregung beschreibt,Reference signals for a given excitation can be determined, each reference signal describing a neuronal reference activity in one of the neuronal reference areas for the given excitation,
- unter Verwendung der Referenzsignale ein statistischer ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen ermittelbar ist, welcher unter Verwendung von Referenzkopplungsgrößen, die jeweils den statistischen ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen beschreiben, beschrieben wird,a statistical reference relationship between the reference signals can be determined using the reference signals, which is described using reference coupling variables, each of which describes the statistical reference relationship between the reference signals,
- Analysesignale für eine weitere Erregung ermittelbar sind, wobei jeweils ein Analysesignal eine neuronale Analyseaktivität in einem der neuronalen Arealen bei der weiteren Erregung beschreibt,Analysis signals for a further excitation can be determined, wherein in each case an analysis signal describes a neural analysis activity in one of the neuronal areas during the further excitation,
- unter Verwendung der Analysesignale ein statistischer Zusammenhang zwischen den Analysesignalen ermittelbar ist, welcher unter Verwendung von Analysekopplungsgrößen, die jeweils den statistischen Zusammenhang zwischen den- Using the analysis signals, a statistical relationship between the analysis signals can be determined, which using analysis coupling variables, each of the statistical relationship between the
Analysesignalen beschreiben, beschrieben wird,Describe analysis signals, is described,
- die Referenzkopplungsgrößen mit den Analysekopplungsgrößen vergleichbar sind, wobei die Unregelmäßigkeit in der Neuronenstruktur ermittelt wird.- The reference coupling quantities are comparable with the analysis coupling quantities, the irregularity in the neuron structure being determined.
Anschaulich gesehen basiert die Ermittlung der Unregelmäßigkeit auf einem Vergleich eines Referenzzustands mit einem Analysezustand.Seen clearly, the determination of the irregularity is based on a comparison of a reference state with an analysis state.
Der Referenzzustand kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit ermittelt werden durch einen oder durch mehrere neuropsychologische Tests an einer oder mehreren „gesunden"
Personen. Auf diese Weise erhält man eine durchschnittliche anatomische oder funktioneile Struktur für gesunde Personen.The reference state can be determined without restriction of generality by one or more neuropsychological tests on one or more "healthy" People. In this way one obtains an average anatomical or functional structure for healthy people.
Führt man einen oder mehrere neuropsychologische Tests an einer zu untersuchenden Person, einem Patienten, durch, so erhält man eine entsprechende anatomische oder funktioneile Struktur für diesen Patienten.If one or more neuropsychological tests are carried out on a person to be examined, a patient, a corresponding anatomical or functional structure is obtained for this patient.
Anschaulich gesehen können die Ermittlungen der anatomischen oder funktionellen Strukturen für den Patienten und für den bzw. die gesunden Referenzpersonen als Lernvorgang interpretiert werden.Seen clearly, the determinations of the anatomical or functional structures for the patient and for the healthy reference person (s) can be interpreted as a learning process.
Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die neuropsychologischen Tests am Patienten und diejenigen an der bzw. den gesunden Personen identisch sind.It is not absolutely necessary that the neuropsychological tests on the patient and those on the healthy person (s) are identical.
Allenfalls können die Test so konzipiert werden, dass möglichst eine Vielzahl bzw. alle hintergründigen Strukturen/Areale durch die Tests angesprochen werden.At most, the tests can be designed in such a way that the test addresses as many or all of the background structures / areas as possible.
Ein signifikanter Unterschied zwischen der Patientenstruktur und der Referenz- bzw. Durchschnittsstruktur weist dann auf neuronale Unregelmäßigkeiten hin und lässt mögliche physische Ursachen erkennen.A significant difference between the patient structure and the reference or average structure then indicates neuronal irregularities and reveals possible physical causes.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit Programmcode- Mitteln ist eingerichtet, um alle Schritte gemäß dem erfindungsgemäßen Analyseverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.The computer program according to the invention with program code means is set up to carry out all steps according to the analysis method according to the invention when the program is executed on a computer.
Das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln ist eingerichtet,
um alle Schritte gemäß dem erfindungsgemäßen Analyseverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.The computer program product with program code means stored on a machine-readable carrier is set up to carry out all steps according to the analysis method according to the invention when the program is executed on a computer.
Die Anordnung sowie das Computerprogramm mit Programmcode- Mitteln, eingerichtet um alle Schritte gemäß dem erfinderischen Analyseverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, sowie das Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, eingerichtet um alle Schritte gemäß dem erfinderischen Analyseverfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird, sind insbesondere geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens oder einer seiner nachfolgend erläuterten Weiterbildungen.The arrangement and the computer program with program code means, set up to carry out all steps according to the inventive analysis method when the program is executed on a computer, and the computer program product with program code means stored on a machine-readable medium, set up all steps according to the Carrying out analysis methods according to the invention when the program is executed on a computer are particularly suitable for carrying out the analysis method according to the invention or one of its further developments explained below.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Preferred developments of the invention result from the dependent claims.
Die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl auf die Verfahren als auch auf die Anordnung.The further developments described below relate both to the method and to the arrangement.
Die Erfindung und die im weiteren beschriebenen Weiterbildungen können sowohl in Software als auch in Hardware, beispielsweise unter Verwendung einer speziellen elektrischen Schaltung, realisiert werden.The invention and the further developments described below can be implemented both in software and in hardware, for example using a special electrical circuit.
Ferner ist eine Realisierung der Erfindung oder einer im weiteren beschriebenen Weiterbildung möglich durch ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem dasFurthermore, the invention or a further development described below can be implemented by a computer-readable storage medium on which the
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildung ausführt.
Auch kann die Erfindung oder jede im weiteren beschriebeneComputer program with program code means is stored, which carries out the invention or further development. Also, the invention or any described below
Weiterbildung durch ein Computerprogrammerzeugnis realisiert sein, welches ein Speichermedium aufweist, auf welchem dasTraining can be realized by a computer program product which has a storage medium on which the
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gespeichert ist, welches die Erfindung oder Weiterbildung ausführt.Computer program with program code means is stored, which carries out the invention or further development.
Bei einer Weiterbildung werden die Analyse- bzw. Referenzkopplungsgrößen derart ermittelt, dassIn a further development, the analysis or reference coupling variables are determined in such a way that
- Wahrscheinlichkeiten für ein Auftreten der Analyse- bzw. Referenzsignale ermittelt werden, wobei dem Auftreten der- Probabilities for an occurrence of the analysis or reference signals are determined, the occurrence of the
Analyse- bzw. Referenzsignale eine statistische Verteilung zugrunde gelegt wird, und dassAnalysis or reference signals based on a statistical distribution, and that
- die Analyse- bzw. Referenzkopplungsgrößen durch eine Optimierung der Wahrscheinlichkeiten bestimmt werden.- The analysis or reference coupling variables are determined by optimizing the probabilities.
Dabei kann die Optimierung durch eine Methode einer Maximum Likelyhood Estimation [1] durchgeführt werden.The optimization can be carried out using a method of maximum likelihood estimation [1].
Bei der Optimierung kann ein Zusammenhang zwischen dem statistischen Zusammenhang, beispielsweise einem linear statistischen Zusammenhang, und der statistischen Verteilung als Nebenbedingung berücksichtigt werden.When optimizing, a relationship between the statistical relationship, for example a linear statistical relationship, and the statistical distribution can be taken into account as a secondary condition.
Die zugrunde gelegte statistische Verteilung kann dabei von erster Ordnung wie auch von höherer Ordnung sein. Bei einer statistischen Verteilung höherer Ordnung sind nicht nur - wie bei einer solchen erster Ordnung - Mittelwert und Kovarianz entsprechend einer Datenmenge anzupassen, sondern darüber hinaus weitere Parameter höherer Ordnung, wie Momente und Kummulanten.The statistical distribution on which this is based can be of first order as well as of higher order. With a statistical distribution of a higher order, not only - as with such a first order - the mean value and covariance have to be adapted according to a quantity of data, but also other parameters of a higher order, such as moments and cumulants.
Einer derartigen Weiterbildung mit einer statistischen Verteilung höherer Ordnung läge in diesem Fall eine Annahme
zugrunde, dass die statistische Verteilung der Messdaten erheblich besser unter Verwendung einer statistischenIn this case, such an advanced training with a higher-order statistical distribution would be an assumption assumes that the statistical distribution of the measurement data is considerably better using a statistical
Verteilung höherer Ordnung, wie beispielsweise einerHigher order distribution, such as one
Edgeworth-Entwicklung [2] oder einer Summe von Normalverteilungen., beschreibbar ist.Edgeworth development [2] or a sum of normal distributions.
Dieses lässt sich dadurch erklären, dass bei einer statistischen Verteilung höherer Ordnung zusätzlich zum Mittelwert und zur Varianz weitere Parameter höherer Ordnung, wie Momente und Kummulanten, anpassbar sind.This can be explained by the fact that in the case of a statistical distribution of a higher order, in addition to the mean value and the variance, further parameters of a higher order, such as moments and cumulants, can be adapted.
Bei der Summe von Normalverteilungen können die einzelnen Normalverteilungen und damit indirekt die neuronalen Aktivitäten gewichtet werden.With the sum of normal distributions, the individual normal distributions and thus indirectly the neuronal activities can be weighted.
Durch Verteilungen höherer Ordnung lassen sich eine verbesserte Modellierung der Funktionsweise neuronaler Areale realisieren. Insbesondere die Analyse von neuronalen Aktivitäten und deren Zusammenwirken lässt sich wesentlich verbessern.Distributions of a higher order make it possible to improve the modeling of the functioning of neuronal areas. In particular, the analysis of neural activities and their interaction can be significantly improved.
Ferner ist es zweckmäßig, weil dadurch das biologische Vorbild neuronaler Strukturen realer nachbildbar ist, dass bei einem linear statistischen Zusammenhang äußere Einflüsse auf die Signale, die Referenz- und/oder die Analysesignale, berücksichtigt werden. Solche äußeren Einflüsse können beispielsweise sensorische Inputs von Sinneszellen auf die untersuchten Areale sein.Furthermore, it is expedient because the biological model of neuronal structures can thereby be reproduced more real that external influences on the signals, the reference and / or the analysis signals, are taken into account in a linear statistical relationship. Such external influences can be, for example, sensory inputs from sensory cells to the areas examined.
Bei einer Weiterbildung wird die vorgegebene Erregung durch einen bestimmten Wahrnehmungsprozess oder eine bestimmte motorische Aufgabe, beispielsweise einen neurophysiologisehen Test, verursacht.
Um eine Ergebnissignifikanz bzw. eine Aussagekraft von Ergebnissen zu erhöhen, ist es zweckmäßig den statistischen Referenz- und/oder Analysezusammenhang bzw. die entsprechenden Kopplungsgrößen auf Basis mehrerer Erregungen zu ermitteln. Dies läßt sich dadurch realisieren, dass mehrere unterschiedliche Tests bzw. Aufgaben durchgeführt werden .In a further development, the predetermined excitation is caused by a certain perception process or a certain motor task, for example a neurophysiological test. In order to increase the significance of results or the significance of results, it is advisable to determine the statistical reference and / or analysis context or the corresponding coupling variables on the basis of several excitations. This can be achieved by carrying out several different tests or tasks.
Zweckmäßig ist es, wenn die neurophysiologischen Tests so konzipiert werden, dass möglichst viele bzw. alle hintergründigen neuronalen Strukturen durch die Tests angesprochen werden.It is expedient if the neurophysiological tests are designed in such a way that as many or all of the background neuronal structures as possible are addressed by the tests.
Die Ermittlung der Signale, der Referenz- und/oder derThe determination of the signals, the reference and / or the
Analysesignale, bei der Erfindung, können durch Messung von Signalen, beispielsweise BOLD-Signale, oder auch durch Übermittlung und/oder Einlesen bereits vorliegender Signale erfolgen.Analysis signals, in the invention, can take place by measuring signals, for example BOLD signals, or also by transmitting and / or reading in already existing signals.
Die Erfindung und beschriebene Weiterbildung sind insbesondere geeignet zum Einsatz bei einer fMRI-Technik, welche dadurch erheblich verbessert und leistungsfähiger wird.The invention and further development described are particularly suitable for use with an fMRI technique, which is considerably improved and more efficient as a result.
Im Rahmen eines solchen fMRI-Einsatzes bzw. fMRI-Untersuchung sind die neuronalen Areale Gehirnareale mit entsprechenden Nervenstrukturen von zu untersuchenden und zu diagnostizierenden Patienten.In the context of such an fMRI use or fMRI examination, the neuronal areas are brain areas with corresponding nerve structures of patients to be examined and diagnosed.
Bei der fMRI-Untersuchung unter Verwendung des erfinderischen Ansatzes werden BOLD-Signale in verschiedenen Gehirnarealen eines Patienten für von dem Patienten durchgeführte
definierte Wahrnehmungs- oder motorische Aufgaben gemessen, welche BOLD-Signale die neuronalen Aktivitäten in den jeweiligen Gehirnarealen beschreiben bzw. repräsentieren. Diese werden ausgewertet bzw. analysiert, wobei die Signal- Kopplungsgrößen bestimmt werden. Anschaulich gesehen repräsentieren damit Unregelmäßigkeiten in den Signal- Kopplungsgrößen neuroanatomische Störungen im Gehirn.In the fMRI examination using the inventive approach, BOLD signals in different brain areas of a patient are performed by the patient Defined perception or motor tasks measured, which BOLD signals describe or represent the neuronal activities in the respective brain areas. These are evaluated or analyzed, the signal coupling quantities being determined. Clearly speaking, irregularities in the signal coupling quantities represent neuroanatomical disorders in the brain.
Unter Verwendung der Analyseergebnisse, insbesondere der Signal-Kopplungsgrößen, können funktionelle, aber auch physikalische Abhängigkeiten zwischen Gehirnarealen erkannt und ermittelt werden. Diese können weitergehend für eine Diagnose über eine funktionelle Störung in einem Gehirnareal eines Patienten verwendet werden, beispielsweise durch Vergleich „gestörter" Abhängigkeiten mit solchen von gesunden Personen.Using the analysis results, in particular the signal coupling quantities, functional as well as physical dependencies between brain areas can be recognized and determined. These can also be used for a diagnosis of a functional disorder in a patient's brain area, for example by comparing “disturbed” dependencies with those of healthy people.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figuren dargestellt und wird im weiteren erläutert.An embodiment of the invention is shown in figures and is explained below.
Es zeigenShow it
Figur 1 Gerät zur Durchführung einer fMRI gemäß einem Ausführungsbeispiel ,FIG. 1 device for carrying out an fMRI according to an exemplary embodiment,
Figur 2 Skizze mit Verfahrensschritte bei einer Analyse von BOLD-Signalen gemäß einem AusführungsbeispielFigure 2 sketch with method steps in an analysis of BOLD signals according to an embodiment
Figur 3 Skizze gemäß einem Ausführungsbeispiel, welche eine Vorgehensweise bei der Ermittlung einer neuroanatomischen Störung unter Verwendung einer fMRI beschreibt.
Ausführungsbeispiel: Funktionelle Kernspintomographie (fMRI) und Einsatz dieser bei einer Diagnose von neuroanatomischen StörungenFIG. 3 sketch according to an exemplary embodiment, which describes a procedure for determining a neuroanatomical disorder using an fMRI. Exemplary embodiment: functional magnetic resonance imaging (fMRI) and use of this in the diagnosis of neuroanatomical disorders
Fig.l zeigt ein Gerät 100 zur Durchführung einer funktioneilen Kernspi tomographie bzw.Fig.l shows a device 100 for performing a functional MRI tomography or
Magnetresonanztomographie (kurz: fMRI), einen funktioneilen Kernspintomograph bzw. Magnetresonanztomograph 100.Magnetic resonance imaging (short: fMRI), a functional magnetic resonance scanner or magnetic resonance imaging scanner 100.
Aus [3] sind Grundlagen der fMRI-Technologie, welche eine Weiterentwicklung der bekannten Magnetresonanztomographie ist, bekannt.The basics of fMRI technology, which is a further development of the known magnetic resonance tomography, are known from [3].
Der Kernspintomograph 100 weist eine geschlossen Röhre 110 auf, welche derart in einen Magneten 120 eingelagert ist, dass dieser ein starkes Magnetfeld in der Röhre 110 erzeugt.The magnetic resonance tomograph 100 has a closed tube 110, which is embedded in a magnet 120 such that it generates a strong magnetic field in the tube 110.
Ferner weist der Kernspintomograph 100 einen in die Röhre 110 einfahrbaren Patiententisch 130, auf welchem ein Patient bei einer Untersuchung gelagert wird.Furthermore, the magnetic resonance tomograph 100 has a patient table 130 which can be moved into the tube 110 and on which a patient is supported during an examination.
Darüber hinaus weist der Kernspintomograph 100 eine Steuereinrichtung 131 auf, welche eine Kontrolle und Steuerung des Patiententisches 130 bei der Untersuchung, beispielsweise ein kontrolliertes Einfahren des Patiententisches 130 in die Röhre 120, ermöglicht.In addition, the magnetic resonance tomograph 100 has a control device 131 which enables the patient table 130 to be checked and controlled during the examination, for example a controlled insertion of the patient table 130 into the tube 120.
Als weitere Komponenten weist der Kernspintomograph 100 eine Messvorrichtung 140 zur Messung von BOLD-Signalen (Blood Oxygenation Level Dependent) , eine zugehörige Auswertevorrichtung 141 zur Auswertung der gemessenen BOLD- Signale, in diesem Fall ein Hochleistungscomputer, sowie eine
Bedien- bzw. Interaktionsvorrichtung 142 für einAs further components, the magnetic resonance tomograph 100 has a measuring device 140 for measuring BOLD signals (Blood Oxygenation Level Dependent), an associated evaluation device 141 for evaluating the measured BOLD signals, in this case a high-performance computer, and a Operating or interaction device 142 for a
Bedienpersonal wie auch eine Anzeigevorrichtung 143 zurOperating personnel as well as a display device 143 for
Anzeige eines Untersuchungsergebnisses, auf.Display of a test result, on.
Die Komponenten des Kernspintomograph 100 sind funktionell miteinander verbunden, beispielsweise über Signal- oder Datenleitungen 150, über die Daten und Signale übertragbar sind.The components of the magnetic resonance tomograph 100 are functionally connected to one another, for example via signal or data lines 150, via which data and signals can be transmitted.
Mit dem in Fig.l dargestellten funktioneilenWith the functional parts shown in Fig.l.
Kernspintomographen 100 kann auf Grundlage der fMRI-Technik die neuronale Aktivität in Arealen des Gehirns eines Patienten gemessen, analysiert -und daraus eine Diagnose abgeleitet werden.Magnetic resonance tomograph 100 can use the fMRI technique to measure and analyze the neuronal activity in areas of the brain of a patient, and a diagnosis can be derived therefrom.
Gemessen wird dazu mittels der Messvorrichtung 140 das BOLD- Signal (Blood Oxygenation ' Level Dependent) in einzelnen, ausgewählten Arealen des Gehirns des Patienten, welches im Zusammenhang mit der neuronalen Aktivität in dem jeweiligen Areal steht.For this purpose, the measuring device 140 measures the BOLD signal (Blood Oxygenation 'Level Dependent) in individual, selected areas of the patient's brain, which is related to the neuronal activity in the respective area.
Das Ergebnis solcher fMRI-Messungen zeigt den Verlauf der Aktivität der einzelnen Areale über einen gewissen Zeitraum, beispielsweise während kognitiver Abläufe als Resultat bestimmter Wahrnehmungsprozesse oder motorischer Aufgaben, welche vom Patienten während einer Untersuchung durchzuführen sind.The result of such fMRI measurements shows the course of the activity of the individual areas over a certain period of time, for example during cognitive processes as a result of certain perceptual processes or motor tasks which are to be carried out by the patient during an examination.
Funktionelle Störungen im Gehirn des Patienten sind somit implizit in den gemessenen fMRI-Signalen enthalten.Functional disorders in the patient's brain are therefore implicit in the measured fMRI signals.
Unter Verwendung der Auswertevorrichtung 141, welche ein neues Analyseverfahren zur Verfügung stellt bzw. durchführt,
werden die fMRI-Messungen, d.h. die in einzelnen Arealen desUsing the evaluation device 141, which provides or carries out a new analysis method, the fMRI measurements, ie those in individual areas of the
Gehirns gemessenen BOLD-Signale, analysiert.Brain-measured BOLD signals, analyzed.
Dieses neue Analyseverfahren stellt dabei eine verbesserte Weiterentwicklung des bekannten und im obigen beschriebenen Analyseverfahrens dar.This new analysis method represents an improved further development of the known analysis method described in the above.
Bei dem neuen Analyseverfahren wird die Gehirnaktivität in Form von entsprechenden Aktivierungsmustern in den untersuchten Arealen im Gehirn und/oder Zusammenhänge zwischen Aktivierungsmustern in den untersuchten Arealen ermittelt und daraus unmittelbar Rückschlüsse auf funktionelle Störungen im Gehirn und deren Ursachen gewonnen.With the new analysis method, brain activity is determined in the form of corresponding activation patterns in the areas examined in the brain and / or relationships between activation patterns in the areas examined and direct conclusions can be drawn about functional disorders in the brain and their causes.
Dem von der Auswertevorrichtung 140 zur Verfügung gestellten neuen Analyseverfahren liegt ein erweitertes und flexibleres Modell des Gehirns, der Neuronenstrukturen im Gehirn und deren Verhalten, insbesondere deren Zusammenwirken, zugrunde, auf dessen Basis das gemessene BOLD-Signal analysiert und ausgewertet wird.The new analysis method provided by the evaluation device 140 is based on an expanded and more flexible model of the brain, the neuron structures in the brain and their behavior, in particular their interaction, on the basis of which the measured BOLD signal is analyzed and evaluated.
Grundlagen des neuen Analyseverfahrens sowie das Modell werden nachfolgend erläutert.The basics of the new analysis method and the model are explained below.
Die Ergebnisse bzw. die Rückschlüsse einer Untersuchung werden auf der Anzeigevorrichtung 143 dargestellt und können mittels der Bedien- und Interaktionsvorrichtung 142 in Verbindung mit der Auswertevorrichtung 141 weiterbearbeitet werden. Auch dienen sie als Grundlage für eine medizinische Diagnose für einen zu untersuchenden und zu diagnostizierenden Patienten.
Grundlagen des neuen Analyseverfahrens (Fig.2# Schritte 210 bis 250)The results or the conclusions of an examination are shown on the display device 143 and can be processed further by means of the operating and interaction device 142 in connection with the evaluation device 141. They also serve as the basis for a medical diagnosis for a patient to be examined and diagnosed. Basics of the new analysis method (Fig. 2 # steps 210 to 250)
Es wird darauf hingewiesen, dass das neue Analyseverfahren eine verbesserte Weiterentwicklung des alten, im Obigen beschriebenen Analyseverfahrens ist. Damit gilt im folgenden, dass - soweit nichts anderes gesagt - altes und neues Analyseverfahren für diese Teile übereinstimmen. Werden übereinstimmende Teile explizit erwähnt, weisen sie obige vormals verwendete Kennzeichnung auf.It is pointed out that the new analysis method is an improved further development of the old analysis method described in the above. In the following, this means that - unless otherwise stated - old and new analysis methods for these parts match. If matching parts are explicitly mentioned, they have the above previously used marking.
Unter Verwendung des neuen Analyseverfahrens 200 werden die fMRI-Messungen (210), d.h. die BOLD-Signale in untersuchten Gehirnbereichen eines Patienten, analysiert (210 bis 250) und/oder mit Referenz-fMRI-Messungen verglichen. Dadurch werden unmittelbar Rückschlüsse auf funktionelle Störungen im untersuchten Gehirn und deren Ursachen gewonnen.Using the new analysis method 200, the fMRI measurements (210), i.e. the BOLD signals in the examined brain areas of a patient, analyzed (210 to 250) and / or compared with reference fMRI measurements. This enables immediate conclusions to be drawn about functional disorders in the brain examined and their causes.
Dem neuen Analyseverfahren 200, das statistische Kenngrößen, wie statistische Korrelationen zwischen fMRI-Messungen in verschiedenen Gehirnarealen, generiert, liegt ein erweitertes und flexibleres mathematisches Modell des Gehirns auf Basis des bekannten mathematischen Modells nach (3) zugrunde (220).The new analysis method 200, which generates statistical parameters such as statistical correlations between fMRI measurements in different brain areas, is based on an expanded and more flexible mathematical model of the brain based on the known mathematical model according to (3) (220).
Bei diesem erweiterten Modell (220) des neuenIn this extended model (220) of the new
Analyseverfahrens ist die Kopplungsmatrix S an allen (Matrix-Analysis method is the coupling matrix S at all (matrix
) Stellen mit veränderbaren Kop lungsstärken Si besetzt.) Positions with variable coupling strength Si occupied.
Bei dem neuen Analyseverfahren 200 werden diesmal alle - weil auch veränderbar - Kopplungsstärken Si so bestimmt, dass statistische Kenngrößen, welche aus den fMRI-Messungen
ermittelt werden, am besten erklärt werden können (210 bisIn the new analysis method 200, this time all coupling strengths Si - because they can also be changed - are determined in such a way that statistical parameters are derived from the fMRI measurements can be best explained (210 to
250)250)
Ein Datenpunkt s=s*t stellt die Gesamtheit aller BOLD-Signale sl, ... , sN der einzelnen n untersuchten Areale zu einem Zeitpunkt t (oder über ein Zeitintervall t gemittelt) dar (t=[l-;T]) .A data point s = s * t represents the totality of all BOLD signals sl, ..., sN of the individual n examined areas at a time t (or averaged over a time interval t) (t = [l-; T]).
Die fMRI-Messung u fasst eine Vielzahl solcher Datenpunkte sl, s2, ..., sT für unterschiedliche Wahrnehmungsprozesse und/oder motorische Aufgaben, für welche die entsprechenden BOLD-Signale gemessen wurden.The fMRI measurement u includes a large number of such data points sl, s2, ..., sT for different perception processes and / or motor tasks for which the corresponding BOLD signals have been measured.
Im Gegensatz zu dem alten bekannten Analyseverfahren, bei welchem für die statistische Verteilung der Datenpunkte eine multivariante Normalverteilung angenommen wurde, wird bei dem neuen Analyseverfahren 200 für die statistische Verteilung eine gewichtete Summe von Normalverteilungen angenommen (220) .In contrast to the old known analysis method, in which a multivariate normal distribution was assumed for the statistical distribution of the data points, the weighted sum of normal distributions is assumed in the new analysis method 200 for the statistical distribution (220).
P(s \ Cl„CL,μ1,...μL,Σ1,...,ΣL) = (5)P (s \ C l „C L , μ 1 , ... μ L , Σ 1 , ..., Σ L ) = (5)
In diesem Fall hängen die gewählte statistische Verteilung und damit auch die Entsprechung der Wahrscheinlichkeiten P=P(s|cl, ..., CL, μl, ..., μL, ∑l, ..., ∑L ) (230) (vgl. (2)) für das Auftreten der gemessenen Datenpunkte sl, s2 , ... , sT von mehr bzw. anderen Parametern ab als dem Mittelwert μ und der Kovarianz ∑ des alten bekannten Analyseverfahrens .
Bei dem neuen Analyseverfahren 200 werden nun bestimmte statistische Größen, die sich für die gewählte statistischeIn this case, the chosen statistical distribution and thus the correspondence of the probabilities P = P (s | cl, ..., CL, μl, ..., μL, ∑l, ..., ∑L) depend (230) (cf. (2)) for the occurrence of the measured data points sl, s2, ..., sT from more or different parameters than the mean value μ and the covariance ∑ of the old known analysis method. In the new analysis method 200, certain statistical variables that are suitable for the selected statistical values are now used
Verteilung berechnen lassen, zu den Modellparametern, d.h. den Kopplungsstärken S , dem Mittelwert με des externen Einflusses ε und die Kovarianz ∑ε von ε, in Beziehung gesetzt .Have the distribution calculated, based on the model parameters, i.e. the coupling strengths S, the mean value με of the external influence ε and the covariance ∑ε of ε, in relation.
Dazu gehören unter anderem die Mittelwerte μl, ... , μL, die Kovarianzen ∑l, ..., ∑L sowie alle Momente und Kummulanten der gewählten Verteilung höheren Ordnung.These include the mean values μl, ..., μL, the covariances ∑l, ..., ∑L as well as all moments and cumulants of the selected higher order distribution.
Daraus ergibt sich eine implizite Beziehung zwischen den Parametern der statistischen Verteilung und den zu bestimmenden Modellparametern, in diesem Fall unter Berücksichtigung der Verteilung (5) und dem erweiterten Modell auf Basis des Modells nach (3). μ = μ(C CL,μ1 ,...,μL,Σl,...,ΣL)This results in an implicit relationship between the parameters of the statistical distribution and the model parameters to be determined, in this case taking into account the distribution (5) and the extended model based on the model according to (3). μ = μ (CC L , μ 1 , ..., μ L , Σ l , ..., Σ L )
Σ - ∑(Cι,....,CL,μι ,...,μL,∑ι,...,ΣL )Σ - ∑ (Cι, ...., C L , μι, ..., μ L , ∑ι, ..., Σ L )
μ = μ(S,με,μ)μ = μ (S, μ ε , μ)
∑ = ∑(s,∑ε∑) (6)∑ = ∑ (s, ∑ ε ∑) (6)
Nun werden entsprechend dem alten bekannten Analyseverfahren in analoger Weise bei dem neuen Analyseverfahren 200 die optimalen Modellparameter unter Anwendung der Maximum Likelyhood Estimation [1] durch Optimierung bzw. Maximierung der Wahrscheinlichkeiten (5) bestimmt (240) .Now, in accordance with the old known analysis method, in the new analysis method 200, the optimal model parameters are determined using the maximum likelihood estimation [1] by optimizing or maximizing the probabilities (5) (240).
Grundlagen der Maximum Likelyhood Estimation sind in [1] beschrieben.
Die für den Optimierungsprozess zu berücksichtigenden Parameter sind die Parameter der gewählten statistischen Verteilung höherer Ordnung, in diesem Fall der gewichteten Summe der Normalverteilungen, die gesuchten Modellparameter und die statistischen Größen, in diesem Fall der Mittelwert μ und die Kovarianz ∑ aus (6), über welche die Beziehungen zwischen den Modellparametern und der statistischen Verteilung (5) hergestellt wurden.The basics of maximum likelihood estimation are described in [1]. The parameters to be taken into account for the optimization process are the parameters of the selected higher-order statistical distribution, in this case the weighted sum of the normal distributions, the model parameters sought and the statistical variables, in this case the mean μ and the covariance ∑ from (6) which established the relationships between the model parameters and the statistical distribution (5).
Diese Beziehungen aus (6) sind als Nebenbedingungen bei der Optimierung zu berücksichtigen.These relationships from (6) are to be considered as constraints in the optimization.
Die Optimierung führt dann zu den gesuchten Kopplungsstärken Si, welche Abhängigkeiten zwischen den BOLD-Signalen beschreiben (250) und Grundlage der weiteren Auswertung und der medizinischen Diagnose sind (250) .The optimization then leads to the desired coupling strengths Si, which describe the dependencies between the BOLD signals (250) and are the basis for further evaluation and medical diagnosis (250).
In Fig.3 ist die Vorgehensweise bei der Stellung einer Diagnose (fMRI-Diagnose, 300) , d.h. bei der Ermittlung einer neuroanatomischen Störung, bei einem Patienten unter Verwendung des obigen fMRI-Analyseverfahrens (Fig.2) dargestellt.3 shows the procedure for making a diagnosis (fMRI diagnosis, 300), i.e. in determining a neuroanatomical disorder in a patient using the fMRI analysis method shown above (FIG. 2).
Die Grundzüge der fMRI-Diagnose 300 beruhen auf der Analyse von neuronalen Aktivitäten 301 in neuronalen Arealen 302 des Gehirns und dem Erlernen der zugrundeliegenden Neuronenstruktur ' 303, 304.The basic features of the fMRI diagnosis 300 are based on the analysis of neuronal activities 301 in neuronal areas 302 of the brain and the learning of the underlying neuronal structure ' 303, 304.
So wird entsprechend dem obigen fMRI-Analyseverfahren dieSo according to the fMRI analysis method above
Neuronenstruktur 303, 304 einer Referenzperson oder einer Referenzpersonengruppe erlernt 310, wobei die entsprechenden,
die Neuronenenstruktur 303, 304 beschreibendenNeuron structure 303, 304 of a reference person or a reference person group is learned 310, the corresponding, descriptive of the neuron structure 303, 304
Kopplungsgrößen ermittelt werden. In gleicher Weise wird bei dem Patienten verfahren, wobei die entsprechende Patienten-Coupling sizes can be determined. The same procedure is followed for the patient, the corresponding patient
Neuronenstruktur 305 gelernt und die zugehörigen Patienten- Kopplungsgrößen ermittelt werden.Neuron structure 305 learned and the associated patient coupling sizes are determined.
Der Vergleich 325 der Referenz-Neuronenstruktur 304 mit der Patientenneuronenstruktur 305, beispielsweise durch den Vergleich der Referenz-Kopplungsgrößen mit den Patienten- Kopplungsgrößen, offenbart neuroantomische Unterschiede 321 bzw. Störungen 320, 321 in bestimmten Gehirnarealen des Patienten.The comparison 325 of the reference neuron structure 304 with the patient neuron structure 305, for example by comparing the reference coupling sizes with the patient coupling sizes, reveals neuroantomic differences 321 or disorders 320, 321 in certain brain areas of the patient.
Daraus können dann neuroanatomische Ursachen 321 funktioneller Störungen 320 beim Patienten erkannt werden.From this, neuroanatomical causes 321 of functional disorders 320 in the patient can be identified.
Bei der Ermittlung der neuronalen Strukturen 304, 305 werden neuropsychologische Tests 315, 316 durchgeführt, welche zu Erregungen (Aktivitäten, 301) in den neuronalen Arealen 302 führen. Diese Erregungen werden anhand der BOLD-Signale gemessen, welche BOLD-Signale anschließend ausgewertet und analysiert werden.When determining the neural structures 304, 305, neuropsychological tests 315, 316 are carried out, which lead to excitations (activities, 301) in the neural areas 302. These excitations are measured using the BOLD signals, which BOLD signals are then evaluated and analyzed.
Das Ergebnis solcher fMRI-Messungen zeigt den Verlauf der Aktivität 301 der einzelnen Areale 302 über einen gewissen Zeitraum bei den neuropsychologischen Tests 315, 316, beispielsweise während kognitiver Abläufe als Resultat bestimmter Wahrnehmungsprozesse oder motorischer Aufgaben.
Im Rahmen dieses Dokuments sind folgende Veröffentlichungen zitiert :The result of such fMRI measurements shows the course of the activity 301 of the individual areas 302 over a certain period of time in the neuropsychological tests 315, 316, for example during cognitive processes as a result of certain perceptual processes or motor tasks. The following publications are cited in this document:
[1] T.W. Anderson, An Introduction to Multivariable Statistical Analysis, Kapitel 3, John Wiley & Sons, Inc., New York, London, Sydney, 1994[1] T.W. Anderson, An Introduction to Multivariable Statistical Analysis, Chapter 3, John Wiley & Sons, Inc., New York, London, Sydney, 1994
[2] Samuel Kotz, Norman L. Johnson (Editors-In-Chief) ,[2] Samuel Kotz, Norman L. Johnson (Editors-In-Chief),
Cornish-Fisher and Edgeworth Expansions, Kap.4, Seiten 188-192, Encyclopedia of Statistical Sciences, Volume 2, John Wiley & Sons, 1982Cornish-Fisher and Edgeworth Expansions, Chap. 4, pages 188-192, Encyclopedia of Statistical Sciences, Volume 2, John Wiley & Sons, 1982
[3] A. W. Toga and J. C. Maziotta (Hrsg), „Brain Mapping: The Methods", Kap 9: M. S. Cohen: „Rapid MRI and Functional Applications", Academic Press 1996[3] A. W. Toga and J.C. Maziotta (ed.), "Brain Mapping: The Methods", Chap. 9: M. S. Cohen: "Rapid MRI and Functional Applications", Academic Press 1996
[4] Beschreibung für eine Software „fmri.pro" zur quantitativen fMRI-Analyse, erhältlich am 07.09.2001, unter http : / /www.med.uni-muenchen.de/radin/html/ arbeitsgruppen/fmri/ccfmri .html[4] Description for software "fmri.pro" for quantitative fMRI analysis, available on September 7, 2001, at http: / /www.med.uni-muenchen.de/radin/html/arbeitsgruppen / fmri / ccfmri .html
[5] Beschreibung fMRI - Gerät, erhältlich am 07.09.2001, unter http: //www.unipublic .unizh. ch/campus/uni-news/ 2001/0147/fmri.html[5] Description of the fMRI device, available on September 7, 2001, at http: //www.unipublic .unizh. ch / campus / uni-news / 2001/0147 / fmri.html
[6] A.R. Mclntosh et al . , Structural Equation Modeling and Its Application to Network Analysis in Functional Brain Imaging, Human Brain Mapping, 2:2-22, 1994.
[6] A.R. Mclntosh et al. , Structural Equation Modeling and Its Application to Network Analysis in Functional Brain Imaging, Human Brain Mapping, 2: 2-22, 1994.
Claims
1.Verfahren zur Ermittlung einer Unregelmäßigkeit in einer Neuronenstruktur mit neuronalen Arealen unter Verwendung einer Referenzneuronenstruktur mit neuronalen Referenzarealen, bei dem1.Method for determining an irregularity in a neuron structure with neuronal areas using a reference neuron structure with neuronal reference areas, in which
- Referenzsignale für eine vorgegebene Erregung ermittelt werden, wobei jeweils ein Referenzsignal eine neuronale Referenzaktivität in einem der neuronalen Referenzarealen bei der vorgegebenen Erregung beschreibt,Reference signals for a given excitation are determined, each reference signal describing a neuronal reference activity in one of the neuronal reference areas with the given excitation,
- unter Verwendung der Referenzsignale ein statistischer Referenzzusammenhang zwischen den Referenzsignalen ermittelt wird, welcher unter Verwendung von Referenzkopplungsgrößen, die jeweils den statistischen ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen beschreiben, beschrieben wird,using the reference signals, a statistical reference relationship between the reference signals is determined, which is described using reference coupling variables, each of which describes the statistical reference relationship between the reference signals,
- Analysesignale für eine weitere Erregung ermittelt werden, wobei jeweils ein Analysesignal eine neuronale Analyseaktivität in einem der neuronalen Arealen bei der weiteren Erregung beschreibt,Analysis signals for a further excitation are determined, an analysis signal in each case describing a neural analysis activity in one of the neuronal areas during the further excitation,
- unter Verwendung der Analysesignale ein statistischer Zusammenhang zwischen den Analysesignalen ermittelt wird, welcher unter Verwendung von Analysekopplungsgrößen, die jeweils den statistischen Zusammenhang zwischen den Analysesignalen beschreiben, beschrieben wird,using the analysis signals, a statistical relationship between the analysis signals is determined, which is described using analysis coupling variables, each of which describes the statistical relationship between the analysis signals,
- die Referenzkopplungsgrößen mit den Analysekopplungsgrößen verglichen werden, wobei die Unregelmäßigkeit in der Neuronenstruktur ermittelt wird.- The reference coupling quantities are compared with the analysis coupling quantities, the irregularity in the neuron structure being determined.
2.Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Analyse- bzw. Referenzkopplungsgrößen derart ermittelt werden, dass - Wahrscheinlichkeiten für ein Auftreten der Analyse- bzw.2.Method according to claim 1, in which the analysis or reference coupling variables are determined in such a way that - Probabilities for the occurrence of the analysis or
Referenzsignale ermittelt werden, wobei dem Auftreten der Analyse- bzw. Referenzsignale eine statistische Verteilung zugrunde gelegt wird, - die Analyse- bzw. Referenzkopplungsgrößen durch eine Optimierung der Wahrscheinlichkeiten bestimmt werden.Reference signals are determined, the occurrence of the analysis or reference signals being based on a statistical distribution, - the analysis or reference coupling variables are determined by optimizing the probabilities.
3.Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Optimierung durch eine Methode einer Maximum Likelyhood Estimation durchgeführt wird.3. The method according to claim 2, wherein the optimization is carried out by a method of maximum likelihood estimation.
4.Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem bei der Optimierung ein Zusammenhang zwischen dem statistischen Zusammenhang und der statistischen Verteilung als Nebenbedingung berücksichtigt wird.4.The method according to claim 2 or 3, in which a relationship between the statistical relationship and the statistical distribution is taken into account as a secondary condition in the optimization.
5.Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem bei dem statistischen Zusammenhang äußere Einflüsse auf die Signale berücksichtigt werden.5.The method according to any one of claims 2 to 4, in which external influences on the signals are taken into account in the statistical context.
6.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die eine vorgegebene Erregung und/oder die weitere Erregung durch jeweils einen/einen bestimmten Wahrnehmungsprozess oder jeweils eine/eine bestimmte motorische Aufgabe verursacht werden/wird.6.The method according to any one of the preceding claims, in which the predetermined excitation and / or the further excitation are caused by a / a certain perception process or a / a certain motor task.
7.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der statistische Referenzzusammenhang unter Verwendung von Referenzsignalen von mehreren vorgegebenen Erregungen ermittelt wird.7.A method according to one of the preceding claims, in which the statistical reference relationship is determined using reference signals from a plurality of predetermined excitations.
8.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Analysesignale und/oder die Referenzsignale durch8.The method according to any one of the preceding claims, in which the analysis signals and / or the reference signals by
Messung ermittelt werden.Measurement can be determined.
9.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Analysesignale und/oder die Referenzsignale BOLD- Signale sind.9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the analysis signals and / or the reference signals are BOLD signals.
10.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die neuronalen Areale Gehirnareale einer Person sind und/oder die neuronalen Referenzareale Gehirnareale einer oder mehrerer Referenzpersonen sind.10.The method according to any one of the preceding claims, wherein the neuronal areas are brain areas of a person and / or the neuronal reference areas are brain areas of one or more reference people.
11.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, eingesetzt bei einer fMRI-Technik, bei welcher BOLD-Signale analysiert werden, wobei das Analysesignal eines der BOLD- Signale ist.11. The method according to any one of the preceding claims, used in an fMRI technique in which BOLD signals are analyzed, the analysis signal being one of the BOLD signals.
12. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, eingesetzt zu einer Diagnose einer neuroanatomischen Störung unter Verwendung der fMRI-Technik derart, dass die12. The method according to the preceding claim, used to diagnose a neuroanatomical disorder using the fMRI technique such that the
Unregelmäßigkeit die neuroanatomische Störung repräsentiert.Irregularity represents the neuroanatomical disorder.
13. Anordnung zur Ermittlung einer Unregelmäßigkeit in einer Neuronenstruktur mit neuronalen Arealen unter Verwendung einer Referenzneuronenstruktur mit neuronalen Referenzarealen mit funktionellen miteinander in einem Kontakt stehenden Einheiten, die derart eingerichtet sind, dass13. Arrangement for determining an irregularity in a neuron structure with neuronal areas using a reference neuron structure with neuronal reference areas with functional units in contact with one another, which are set up in such a way that
- Referenzsignale für eine vorgegebene Erregung ermittelbar sind, wobei jeweils ein Referenzsignal eine neuronale Referenzaktivität in einem der neuronalen Referenzarealen bei der vorgegebenen Erregung beschreibt,Reference signals for a given excitation can be determined, each reference signal describing a neuronal reference activity in one of the neuronal reference areas for the given excitation,
- unter Verwendung der Referenzsignale ein statistischer ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen ermittelbar ist, welcher unter Verwendung von- Using the reference signals, a statistical reference relationship between the reference signals can be determined, which using
Referenzkopplungsgrößen, die jeweils den statistischenReference coupling sizes, each statistical
ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen beschreiben, beschrieben wird, - Analysesignale für eine weitere Erregung ermittelbar sind, wobei jeweils ein Analysesignal eine neuronaleDescribe the reference relationship between the reference signals, is described, - Analysis signals for further excitation can be determined, wherein each analysis signal is a neuronal
Analyseaktivität in einem der neuronalen Arealen bei der weiteren Erregung beschreibt,Describes analysis activity in one of the neuronal areas during further excitation,
- unter Verwendung der Analysesignale ein statistischer Zusammenhang zwischen den Analysesignalen ermittelbar ist, welcher unter Verwendung von Analysekopplungsgrößen, die jeweils den statistischen Zusammenhang zwischen den Analysesignalen beschreiben, beschrieben wird,a statistical relationship between the analysis signals can be determined using the analysis signals, which is described using analysis coupling variables, each of which describes the statistical relationship between the analysis signals,
- die Referenzkopplungsgrößen mit den Analysekopplungsgrößen vergleichbar sind, wobei die Unregelmäßigkeit in der- The reference coupling sizes are comparable with the analysis coupling sizes, the irregularity in the
Neuronenstruktur ermittelt wird.Neuron structure is determined.
14.Computerprogramm-Erzeugnis, das ein computerlesbares Speichermedium umfasst, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in einen Speicher des Computers geladen worden ist, folgende Schritte durchzuführen zur Ermittlung einer Unregelmäßigkeit in einer Neuronenstruktur mit neuronalen Arealen unter Verwendung einer Referenzneuronenstruktur mit neuronalen Referenzarealen,14. Computer program product comprising a computer-readable storage medium on which a program is stored, which, after it has been loaded into a memory of the computer, enables a computer to carry out the following steps for determining an irregularity in a neuron structure with neuronal areas below Use of a reference neuron structure with neuronal reference areas,
- Referenzsignale werden für eine vorgegebene Erregung ermittelt, wobei jeweils ein Referenzsignal eine neuronale Referenzaktivität in einem der neuronalen Referenzarealen bei der vorgegebenen Erregung beschreibt,Reference signals are determined for a given excitation, a reference signal describing a neuronal reference activity in one of the neuronal reference areas with the given excitation,
- unter Verwendung der Referenzsignale wird ein statistischer ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen ermittelt, welcher unter Verwendung von Referenzkopplungsgrößen, die jeweils den statistischen- Using the reference signals, a statistical reference relationship between the reference signals is determined, which using Reference coupling sizes, each statistical
ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen beschreiben, beschrieben wird,Describe the reference relationship between the reference signals
- Analysesignale werden für eine weitere Erregung ermittelt, wobei jeweils ein Analysesignal eine neuronale- Analysis signals are determined for a further excitation, one analysis signal each being a neuronal one
Analyseaktivität in einem der neuronalen Arealen bei der weiteren Erregung beschreibt,Describes analysis activity in one of the neuronal areas during further excitation,
- unter Verwendung der Analysesignale wird ein statistischer Zusammenhang zwischen den Analysesignalen ermittelt, welcher unter Verwendung von Analysekopplungsgrößen, die jeweils den statistischen Zusammenhang zwischen den Analysesignalen beschreiben, beschrieben wird,using the analysis signals, a statistical relationship between the analysis signals is determined, which is described using analysis coupling variables, each of which describes the statistical relationship between the analysis signals,
- die Referenzkopplungsgrößen werden mit den Analysekopplungsgrößen verglichen, wobei die Unregelmäßigkeit in der Neuronenstruktur ermittelt wird.- The reference coupling quantities are compared with the analysis coupling quantities, the irregularity in the neuron structure being determined.
15. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in einen Speicher des Computers geladen worden ist, folgende Schritte durchzuführen zur Ermittlung einer Unregelmäßigkeit in einer Neuronenstruktur mit neuronalen Arealen unter Verwendung einer Referenzneuronenstruktur mit neuronalen Referenzarealen,15. Computer-readable storage medium, on which a program is stored, which enables a computer, after it has been loaded into a memory of the computer, to carry out the following steps for determining an irregularity in a neuron structure with neuronal areas using a reference neuron structure with neuronal reference areas,
- Referenzsignale werden für eine vorgegebene Erregung ermittelt, wobei jeweils ein Referenzsignal eine neuronale Referenzaktivität in einem der neuronalen Referenzarealen bei der vorgegebenen Erregung beschreibt,Reference signals are determined for a given excitation, a reference signal describing a neuronal reference activity in one of the neuronal reference areas with the given excitation,
- unter Verwendung der Referenzsignale wird ein statistischer ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen ermittelt, welcher unter Verwendung von Referenzkopplungsgrößen, die jeweils den statistischen ReferenzZusammenhang zwischen den Referenzsignalen beschreiben, beschrieben wird, - Analysesignale werden für eine weitere Erregung ermittelt, wobei jeweils ein Analysesignal eine neuronaleUsing the reference signals, a statistical reference relationship between the reference signals is determined, which is described using reference coupling variables, which each describe the statistical reference relationship between the reference signals. - Analysis signals are determined for a further excitation, one analysis signal each being a neuronal one
Analyseaktivität in einem der neuronalen Arealen bei der weiteren Erregung beschreibt, - unter Verwendung der Analysesignale wird ein statistischerAnalysis activity in one of the neuronal areas during further excitation describes - using the analysis signals a statistical
Zusammenhang zwischen den Analysesignalen ermittelt, welcher unter Verwendung von Analysekopplungsgrößen, die jeweils den statistischen Zusammenhang zwischen denRelationship between the analysis signals determined, which using analysis coupling variables, each of the statistical relationship between the
Analysesignalen beschreiben, beschrieben wird, - die Referenzkopplungsgrößen werden mit denDescribe analysis signals, is described, - the reference coupling quantities are compared with the
Analysekopplungsgrößen verglichen, wobei dieAnalysis coupling sizes compared, the
Unregelmäßigkeit in der Neuronenstruktur ermittelt wird.Irregularity in the neuron structure is determined.
16.Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 1 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.16. Computer program with program code means to carry out all steps according to claim 1 when the program is executed on a computer.
17. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln gemäß Anspruch 16, die auf einem Computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.17. Computer program with program code means according to claim 16, which are stored on a computer readable data carrier.
18.Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß Anspruch 1 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird. 18.Computer program product with program code means stored on a machine-readable carrier in order to carry out all the steps according to claim 1 when the program is executed on a computer.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| AU2003263126A AU2003263126A1 (en) | 2002-08-09 | 2003-08-07 | Method and arrangement and computer programme with programme code means and computer programme product for the determination of an irregularity in a neuronal structure |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE10236644 | 2002-08-09 | ||
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- 2003-08-07 WO PCT/DE2003/002664 patent/WO2004021246A2/en not_active Application Discontinuation
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| GRAFTON SCOTT T ET AL: "Network analysis of motor system connectivity in Parkinson's disease: Modulation of thalamocortical interactions after pallidotomy" HUMAN BRAIN MAPPING, Bd. 2, Nr. 1-2, 1994, Seiten 45-55, XP009035162 ISSN: 1065-9471 * |
| ROWE JAMES ET AL: "Attention to action in Parkinson's disease: Impaired effective connectivity among frontal cortical regions" BRAIN, Bd. 125, Nr. 2, Februar 2002 (2002-02), Seiten 276-289, XP002294432 ISSN: 0006-8950 * |
| SCHLOSSER R ET AL: "Functional and effective connectivity: New data analysis strategies for functional brain imaging" NERVENHEILKUNDE 2002 GERMANY, Bd. 21, Nr. 7, Juli 2002 (2002-07), Seiten 351-355, XP009035823 ISSN: 0722-1541 * |
Also Published As
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