Das Pankreaskarzinom hat bei steigender Inzidenz eine äußerst schlechte Prognose und ist häufig bei Diagnosestellung nicht mehr kurativ operabel. Die laserinduzierte Thermotherapie (LITT) gewann in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung als ein minimal invasives Verfahren zur perkutanen Ablation von parenchymatösen Tumoren. Dabei ist die Magnetresonanztomographie (MRT) eine Methode, mit der eine präzise Prozesskontrolle der Thermoablation und eine suffiziente Erfolgskontrolle zur Verfügung stehen. Ziel der vorliegenden Studie war es, im Tierexperiment die Anwendung der LITT zur Ablation von Pankreasgewebe am Schwein zu erproben, sowie die Möglichkeiten der MRT als Online-Monitoringverfahren mit Hilfe einer histopathologischen Korrelation zu untersuchen. Dazu wurde an 15 Läuferschweinen das Pankreas einer perkutanen laserinduzierten Thermotherapie mit einer Leistung von 5, 10 und 20 Watt sowie zwei mal 5 Watt in Multiapplikatortechnik unter MRT Prozesskontrolle unterzogen. Anschließend wurde das Pankreasgewebe histologische aufgearbeitet und die magnetresonanztomographisch detektierten Läsionen histopathologisch korreliert. Das Auftreten einer schwerwiegenden Komplikation wie einer generalisierten Pankreatitis, Peritonitis oder Blutung wurde nicht beobachtet. Die durchgeführten Korrelationsanalysen zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen magnetresonanztomographisch dokumentiertem Thermoeffekt und histopathologisch verifizierter thermisch induzierter Nekrose. Interessanterweise wurden bei Anwendung von zwei Lasern niedriger Leistung in Multiapplikatortechnik, im Vergleich zur Anwendung von einem Laser mit höherer Leistung, größere Nekrosen induziert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die LITT ein geeignetes und sicheres minimalinvasives Verfahren zur Ablation von Pankreasparenchym unter MRT-Monitoring ist. Weiterführende Untersuchungen zur Durchführbarkeit und Ermittlung der Genauigkeit der MRT als Monitoringverfahren sind erforderlich. / Pancreatic carcinoma has an increasing incidence and a poor prognosis. Frequently at diagnosis pancreatic tumors are surgically unresectable. Laser-induced thermotherapy has become an area of considerable interest during the past few years as a minimally invasive method for percutanous ablation of parenchymatous tumors. With magnetic resonance imaging (MRI) an accurate process control of thermocoagulation and a sufficient control of performance are possible. Control of carcinoma growth of is still a problem. Therefore the aim of this study was to investigate the application of laser induced thermotherapy for ablation of pancreas in a porcine model and the possibility of MRI as an online-monitoring with histopathologic correlation. Laser applicators with energy of 5, 10, 20 and two lasers of 5 watt were placed in the pancreas of 15 female pigs. After sacrifice a pathological examination was performed and histological lesions were correlated with magnetic resonance detected lesions. No serious adverse event like generalized pancreatitis, peritonitis or bleeding was observed. Correlation analysis showed a high correspondence between magnetic resonance documented thermoeffects and histopathologic verified lesions. Thermally induced lesions were best visualised on contrast-enhanced T1-weighted images. Interestingly application of two lasers with each 5 watt, greater lesions were generated than on application of one laser with higher energy. Over a period of 7 days increasing inhomogeneity and contraction of lesions were observed. Our results show that laser-induced thermotherapy of pancreatic tissue was feasible in this porcine model, and online monitoring was practicable. Further studies are necessary to increase the accuracy of online MR imaging of thermal effects.

Die Diagnostik von angeborenen Herzfehlern, und vor allem die häufig lebenslange postoperative Verlaufskontrolle dieser Patienten, verlangt nach einem möglichst schonenden und dennoch zuverlässigen bildgebenden Verfahren. In der Regel wird hierzu die Echokardiographie eingesetzt, die jedoch insbesondere bei älteren Patienten aufgrund eines unzureichenden Schallfensters Schwierigkeiten bereitet. Für diese Patienten bietet sich die Magnetresonanztomographie (MRT) als alternatives bildgebendes Verfahren an. Ziel dieser Untersuchung war es, nach der Evaluation zweier funktioneller MRT-Methoden, der Flussmessung im Phantomversuch und der Ventrikelfunktionsanalyse im Vergleich zur 3D-Echokardiographie, verschiedene MR-Methoden an 6 verschiedenen Patientenkollektiven mit verschiedenen angeborenen Herzfehlern unkorrigiert und operativ korrigiert anzuwenden. 1. Bei Patienten mit Aortenisthmusstenose zeigte sich, dass neben der guten Korrelation der Abschätzung des Druckgradienten über einer Stenose oder Re-Stenose mit Hilfe der MR-Flussmessung, auch die drei-dimensionale Rekonstruktion aus der MR-Angiographie (MRA) zusätzliche Informationen liefert. 2. In der postoperativen Verlaufskontrolle von Patienten mit Fallott´scher Tetralogie ergab die Analyse der mit der MRT ermittelten Funktionsparameter Regurgitationsfraktion über der Pulmonalklappe und rechtsventrikulärer Volumina eine Korrelation zwischen der QRS-Dauer und dem rechtsventrikulären enddiastolischen Volumen (RV-EDV), was auf eine mechanoelektrische Interaktion bei der Genese ventrikulärer Arrhythmien hinweist. 3. Die MRT war in der Lage bei Patienten mit kongenital korrigierter Transposition der grossen Gefässe alleine aufgrund der Analyse der Morphologie die Diagnose dieser Fehlbildung zu stellen und in der Mehrzahl der Fälle Begleitfehlbildungen aufzudecken. 4. Mit Hilfe der MR-Flussmessung konnten bei Patienten nach arterieller und atrialer switch Operation zur Korrektur einer kompletten Transposition der grossen Gefässe sowohl Stenosen im Vergleich zur invasiven Herzkatheteruntersuchung sicher quantifiziert werden als auch unphysiologische Flussverhältnisse, die möglicherweise das Auftreten von Stenosen in den Pulmonalarterien oder dem venösen "baffle" begünstigen, erkannt werden. 5. Bei der seltenen Ebsteinanomalie erwies sich die MRT als zuverlässige Methode insbesondere die pathologische Anatomie der Trikuspidalklappe zu detektieren, als auch die Ventrikelfunktion zu quantifizieren. 6. Nach Fontanoperation erwies sich die MRT mit der Ventrikelfunktionsanalyse und Flussmessung ebenfalls als geeignete Methode, um pathologische Flussverhältnisse im Operationsgebiet zu detektieren und ihren möglichen Einfluss auf die ventrikuläre Funktion zu analysieren. In der Primärdiagnostik und insbesondere in der postoperativen Verlaufskontrolle von angeborenen Herzfehlern stellt die MRT somit unter Einsatz der MR-Flussmessung und Ventrikelfunktionsanalyse eine zuverlässige nicht-invasive Methode dar, die auch im Vergleich zur Herzkatheteruntersuchung einige Vorteile aufweist. / The diagnostics of congenital heart disease, and especially the need for frequent lifelong postoperative follow-up examinations, require an imaging modality as gentle and reliable as possible. The method commonly used for this purpose ? echocardiography - is associated with some disadvantages, especially in older patients with an insufficient acoustic window. For these patients magnetic resonance imaging (MRI) is an alternative imaging modality. The aim of this study was to evaluate two functional MR methods, flow measurement with a flow phantom and ventricular function analysis in comparison to 3D echocardiography. These methods were performed in 6 different groups of patients with uncorrected or surgically corrected congenital heart diseases. 1. Beside a good correlation between the estimated pressure gradients in the area of stenoses and re-stenoses in patients with coarctation with the aid of MR flow measurements, three-dimensional reconstruction from MR angiography (MRA) data supplies additional information. 2. The analysis of parameters such as regurgitant fraction over the pulmonary valve and right ventricular volumes derived by MRI in the postoperative follow-up of patients with tetralogy of Fallot showed a correlation to QRS duration which indicates a mechanoelectrical interaction as one etiology of arrhythmias in these patients. 3. The diagnosis of a congenitally corrected transposition of the great arteries could be made only by anatomical evaluation of the MR images. In the majority of patients all additional anomalies could be detected by MRI. 4. With the use of MR flow measurements as compared to gradients measured invasively by cardiac catheterization it was possible to reliably quantify stenoses. Furthermore, unphysiologic flow patterns, which could favor the development of pulmonary artery or "baffle" stenoses, could be detected. 5. MRI could be reliably used to detect the abnormal morphology of the tricuspid valve in patients with Ebstein anomaly and to quantify ventricular function in these patients. 6. Furthermore, after Fontan operation MRI was a suitable method to detect pathologic flow patterns at the operation site and to analyze their potential effects on ventricular function. MRI using the techniques of flow measurements and ventricular function analysis is a reliable non-invasive tool in the primary diagnostic procedure and especially in the postoperative follow-up of congenital heart disease. It has advantages even in comparison with the invasive method of cardiac catheterization.

In den dargestellten wissenschaftlichen Arbeiten wurden neue Ansätze und Techniken entwickelt zu folgenden Fragestellungen: - Anwendbarkeit der 31P-MR-Spektroskopie zur Darstellung einer Gewebeischämie - Reproduzierbarkeit der MRT in der Messung linksventrikulärer Parameter zu Masse und Volumina bei dilatativer Kardiomyopathie - Eignung 2-dimensionaler MRT-Messmethoden zur Messung der linksventrikulären Parameter zu Masse und Volumina - Quantifizierung stenosierter Flächen mittels MRT bei hypertrophischer Kardiomyopathie und bei Aortenklappenstenose - Darstellung der entzündlichen Aktivität im Herzmuskel bei Myokarditis - Darstellung der entzündlichen Veränderungen bei kardialer Sarkoidose - Frühzeitige Darstellung des toxischen Myokardschadens nach Anthrazyklin-Therapie. Der Wert der MRT wurde in experimentellen und klinischen Studien im Vergleich zu etablierten Verfahren geprüft. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass sich die physikalischen Möglichkeiten in klinisch anwendbare Untersuchungsprotokolle umsetzen lassen und bereits jetzt in der klinischen Routine eingesetzt werden können. / In the presented scientific works new approaches and techniques were developed for: - Application of 31P-MR spectroscopy in myocardial ischaemia - Reproducibility of MRI for the measurement of left ventricular parameter of mass and volume in dilated cardiomyopathy - Suitability of 2-dimensional MRI techniques for measuring left ventricular parameter of mass and volume in dilated cardiomyopathy - Quantification of stenotic orifices by MRI in hypertrophic cardiomyopathy and aortic valve stenosis - Visualisation of the inflammatory activity of the myocardium in myocarditis - Visualisation of the inflammatory changes in cardiac sarcoidosis - Early visualization of the toxic myocardial injury after anthracycline therapy. The value of MRI was tested in experimental and clinical studies in comparison to established modalities. The results have shown that it is possible to transmit the physical possibilities into clinically applicable protocols and to apply them into clinical routine.

Akute Enzephalitiden treten überwiegend sporadisch mit klinisch heterogener Manifestation auf und können durch Viren, andere Erreger oder Autoimmunprozesse verursacht sein, häufig bleibt die Ätiologie unklar. Ziel dieser Arbeit war es, Ursache und klinisches Erscheinungsbild einer konsekutiven Gruppe immunkompetenter erwachsener Enzephalitispatienten, deren funktionelles, neuropsychologisches und soziales Outcome im Langzeitverlauf sowie einen möglichen Hirnsubstanzverlust mittels Planimetrie von Magnetresonanztomogrammen zu untersuchen. Die retrospektive Analyse von 111 Patienten erbrachte eine eindeutige ätiologische Zuordnung in nur 28 % der Fälle; am häufigsten waren Varizella-zoster-Virus und Herpes-simplex-Virus-I. An nicht-viralen Erregern sind Mycoplasmen hervorzuheben. Mit der cranialen Magnetresonanztomographie waren bei ca. 50 % parenchymatöse Veränderungen nachweisbar. Die Sensitivität der Elektroenzephalographie betrug über 80 %. Ein Drittel der Patienten mußte intensivmedizinisch behandelt werden. Die Letalität war mit knapp 2 % gering. Die follow-up-Untersuchung von 73 Patienten mit durchschnittlich drei Jahre zurückliegender akuter Enzephalitis ergab bei 86 % der Patienten einen günstigen bis befriedigenden Verlauf mit erhaltener Selbständigkeit. Bei den ungünstig verlaufenden Fällen dominierten kognitive Beeinträchtigungen und pharmakoresistente Epilepsien, hochgradige körperliche Behinderungen persistierten nur bei 4 %. Neuropsychologisch meßbare Defizite persistierten nur bei einer geringen Zahl von Patienten. Im Vergleich zu einer Kontrollgruppe ergaben sich Defizite insbesondere für diejenigen Patienten, die während der akuten Enzephalitis viele epileptische Anfälle erlitten hatten. Diese Gruppe von Patienten hatte auch eine signifikant deutlichere Zunahme der planimetrisch bestimmten ventricle-brain-ratio, also einen stärkeren Verlust an Hirnparenchym, als die anderen Patienten. Auch die subjektive Lebensqualität war bei dieser Gruppe von Patienten am stärksten beeinträchtigt. Unabhängig vom Krankheitserreger erscheint somit das Auftreten von Serien oder Status epileptischer Anfälle bei akuten Enzephalitiden ein Prädiktor für einen ungünstigen Verlauf zu sein. / Acute encephalitis occurs mainly sporadically with heterogenous clinical manifestations and can be caused by viruses, other infectious agents or autoimmune disease; often the etiology remains unclear. The aim of this study was to analyze causes and clinical features in a consecutive study population of immunocompetent adults with acute encephalitis and to evaluate their functional, neuropsychological and social long-term outcome as well as a possible loss of brain parenchyma by means of magnetic resonance imaging planimetry. Retrospective analysis of 111 patients demonstrated a definite pathogen in only 28 % of cases, most common were Varicella-zoster virus and Herpes-simplex virus type I. The most important non-viral agent was Mycoplasma. Parenchymal lesions could be identified by cranial magnetic resonance imaging in about 50 %. Electroencephalography had a sensitivity of about 80 %. One third of the patients required intensive care therapy. Mortality was low with less than 2 %. Follow-up examination of 73 patients who had suffered from encephalitis on the average three years before demonstrated a good or satisfiable outcome with preserved independence in 86 %. In cases with unfavourable outcome, cognitive impairment and pharmaco-resistent epilepsy dominated; high-grade physical impairment persisted in only 4 %. Neuropsychologically measurable deficits persisted only in a small number of patients. Compared to a control group, impairment was predominantly found in those patients who had suffered from serial epileptic fits or status epilepticus. This group of patients also had a distinct increase of planimetrically measured ventricle-brain-ratio, i.e. a marked loss of brain parenchyma. Furthermore, self-estimated quality of life was most strongly impaired in those patients. Thus, the occurence of serial epileptic fits or status epilepticus during acute encephalitis seems to predict an unfavourable outcome, independently of the pathogenic agent.

Die Stressharnkontinenz wird durch die morphofunktionelle Einheit von Urethra, M. levator ani und der Fascia endopelvina gewährleistet, der Begriff "Stressharnkontinenz-Kontrollsystem" verkörpert diese Komplexität. In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems kontinenter Nulliparae kernspintomographisch untersucht, um den Normalbefund zu definieren. Auf Grundlage dieser Untersuchungsergebnisse wurden Frauen mit Stressharninkontinenz (HI) kernspintomographisch untersucht, um eine Nomenklatur der MRT-Pathomorphologie des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems bei Stressharninkontinenz vorzuschlagen. Bei den kontinenten Nulliparae (n = 20) zeigte die MRT-Morphometrie von Urethra, M. levator ani und Fascia endopelvina erhebliche anatomische Normvarianten (z.B. Urethraquerschnittsfläche von 1,7 ( 0,4 cm², Ratio 2,4; Volumen des M. levator ani 33,1 ( 8,1 cm³, Ratio 2,5), die in der "Ratio" (Vielfaches des größten zum kleinsten Messwert) zum Ausdruck kommen, eine Definition des "Normalwertes" noch nicht zulassen und ein konstitutionelles Risiko für die Entstehung einer Funktionsstörung des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems vermuten lassen. Aufgrund der morphometrischen Normvarianten des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems kontinenter Nulliparae wurden bei den Frauen mit HI (n = 54) die MRT-Befunde von Urethra, M. levator ani und Fascia endopelvina nach qualitativen Kriterien bewertet. Eine in der PD-gewichteten Aufnahme erhöhte Signalintensität der quergestreiften Muskulatur wurde pathologisch gewertet und ist durch biochemische bzw. morphologische Veränderungen der Muskulatur (Atrophie, vermehrte Fett-, Wasser- oder Laktateinlagerung) bedingt. Der Vergleich beider Studienkollektive zeigte diese HI-typische Veränderung am M. sphincter urethrae externus und M. levator ani (0 % bei Nulliparae vs. 50 % bzw. 28 % bei Frauen mit HI). Ein dorsaler Substanzverlust des M. sphincter urethrae externus (0 % bei Nulliparae vs. 37 % bei Frauen mit HI) und ein einseitiger Substanzverlust des M. levator ani (0 % bei Nulliparae vs. 30 % bei Frauen mit HI) können ebenfalls als HI-typisch gewertet werden. Der Verlust der symphysenwärts konkaven Konfiguration der vorderen Vaginalwand ist durch einen lateralen Fasziendefekt bedingt und HI-typisch (0 % bei Nulliparae vs. 39 % bei Frauen mit HI). Zentrale Fasziendefekte haben ebenfalls einen Einfluss auf die Pathogenese der HI (0 % bei Nulliparae vs. 39 % bei Frauen mit HI). MRT-Untersuchungen des Stressharnkontinenz-Kontrollsystems tragen zum Verständnis der Anatomie und ihrer Normvarianten bei und können Befunde objektivieren, die den aktuellen Theorien zur Pathogenese der HI gerecht werden. Die MRT hat damit einen hohen Stellenwert in der urogynäkologischen Forschung. / The preservation of urinary continence during stress is ensured by the morphofunctional unit of the urethra, the levator ani muscle, and the endopelvic fascia, whose complex interaction is reflected by the cover term "stress urinary continence control system". The present study investigated the morphology of the stress urinary continence control system in continent nulliparous women by magnetic resonance imaging (MRI) to define its normal anatomy. Based on these results, MRI was performed in women with stress urinary incontinence (UI) to develop a consistent terminology for the pathomorphologic changes of the stress urinary continence control system in stress UI visualized by MRI. In the continent nulliparous women (n = 20) MRI morphometry of the urethra, levator ani muscle, and endopelvic fascia revealed considerable variation in normal anatomy (e.g., cross-sectional area of urethra: 1.7 ( 0.4 cm², ratio 2.4; volume of levator ani muscle: 33.1 ( 8.1 cm³, ratio 2.5) as reflected by the calculated ratios (relation between the maximum and minimum values). These results preclude the definition of normal values and suggest that there is a constitutional risk for the development of dysfunction of the stress urinary continence control system. Because of the morphometric variation found in the normal stress urinary continence control system in continent nulliparious women, the MR images of the urethra, levator ani muscle, and endopelvic fascia acquired in women with UI (n = 54) were analyzed according to qualitative criteria. An increased signal intensity of striated muscle on proton-density-weighted images was classified as abnormal. This increase is caused by biochemical or morphologic changes of the muscle (atrophy, increased deposition of fat, water, or lactate). Comparison of both study groups demonstrated this typical UI-associated change in the external urethral sphincter muscle and the levator ani muscle (0 % in nulliparous women vs. 50 % and 28 %, respectively, in women with UI). A dorsal loss of muscle mass of the external urethral sphincter (0 % in nulliparous women vs. 37 % in UI) and a unilateral loss of mass of the levator ani muslce (0 % in nulliparous women vs. 30 % in women with UI) can likewise be regarded as typical features of UI. Another typical finding in UI is the loss of the hammock configuration of the anterior vaginal wall that is caused by a lateral fascial defect (0 % in nulliparous women vs. 39 % in UI). Defects of the central fascia are likewise involved in the pathogenesis of UI (0 % in nulliparous women vs. 39 % in UI). MRI studies of the stress urinary continence control system help us to gain new insights into its anatomy and normal morphologic variation and yield objective results to corroborate current theories on the pathogenesis of UI. Hence MRI has an important role in urogynecologic research.

Fragestellung: Die Trichterbildung der proximalen Urethra ist ein typischer, aber nicht beweisender Befund bei Frauen mit Streßharninkontinenz. In der Studie wurde geprüft , ob spezifische pathomorphologische Veränderungen des Kontinenzkontrollsystems bei Frauen mit Trichterbildung gehäuft vorkommen und ob der Trichterbildung der Urethra ein diagnostischer Aussagewert zukommt. Methoden: 54 Frauen (mittleres Alter 52±11 Jahre) mit einer klinisch und urodynamisch gesicherten Streßharninkontinenz und ohne vorhergehende urogynäkologische Operationen wurden standardisiert kernspintomographisch (Protonendichte. Gewichtete Aufnahmen, transversale Schnittebene in Höhe der proximalen Urethra) untersucht. Folgende pathomorphologische Veränderungen des Strßharnkontinenzkontrollsystems wurden unterschieden: Urethradefekte, Defekte des M. levator ani und Defekte der Fascia endopelvina. Die Trichterbildung der Urethra wurde beim Pressen mit Hilfe der Introitussonographie diagnostiziert. Ergebnisse: Im Untersuchungskollektiv fanden sich 32 Frauen mit und 22 Frauen ohne Trichterbildung der Urethra. Streßharninkontinenz in Kombination mit einer Trichterbildung war signifikant vermehrt assoziiert mit einer Strukturveränderung des M. levator ani im MRT-Bild (erhöhte Signalintensität) und einem introitussonographisch diagnostizierten vertikalen Deszensus. Defekte der Urethralmuskulatur und der endopelvinen Faszie wurden nicht vermehrt gefunden. Schlußfolgerungen: Die Trichterbildung der Urethra reflektiert eine funktionellen Zustand der Urethra, welcher durch multifunktionelle pathomorphologische Veränderungen des Sreßharnkontinenzkontrollsystems bedingt ist. Die Diagnose Trichterbildung der Urethra besitzt keine diagnostische Relevanz. / Aims of study: Funneling of the proximal urethra is a typical ultrasound finding in stress urinary incontinence but no definitive proof. The study was performed to determine whether women with funneling of the urethra show specific pathomorphologic changes of the continence control system at MR imaging and whether the demonstration of urethral funneling has any diagnostic relevance. Methods: Fifty-four women (mean age 52±11 years) with clinically and urodynamically proven stress urinary incontinence without prior urogynecologic surgery underwent standardized MR imaging (proton-density-weighted sequence, transverse section orientation at the level of the proximal urethra). The following pathomorphologic changes of the stress urinary continence control system were distinguished: urethral defects, defects of levator ani muscle and defects of endopelvic fascia. Funneling of the urethra was confirmed by introital ultrasound during pressing. Results: In the study group were 32 women with and 22 woman without urethral funnelling. Stress urinary incontinence in combination with funneling of the urethra was found to be associated with a significant increase in structural changes of the levator muscle at MR imaging (increased signal intensity) and vertical prolapse at ultrasound. Defects of urethral muscles and defects of endopelvic fascia were not found to be increased. Conclusions: Funneling of the urethra reflects a functional condition of the urethra caused by multifunctional pathomorphologic changes of the stress continence control system. The demonstration of urethral funneling has no any diagnostic relevance.

Die vorliegende Habilitationsschrift zu „Computer-based diagnostic and prognostic approaches in medical research using brain MRI“ ist in zwei Abschnitte gegliedert. Konkret wird im ersten Abschnitt eine Übersicht über verschiedene Aspekte des Computer- und MRT-basierten Vorhersageansatzes gegeben. Im zweiten Abschnitt werden die Artikel aus diesem Feld beschrieben, die ich für die Habilitation eingereicht habe. Konkret beginnt der erste Abschnitt der Habilitationsschrift damit, das grundlegende methodische Konzept des Vorhersageansatzes zu beschreiben. Danach werden die drei prozeduralen Stadien beschrieben, die seine Anwendung charakterisieren, d.h. die Phase der Feature-Bestimmung, des Trainings von Regressionsalgorithmen und schließlich des Tests dieser Algorithmen mit Daten unbekannter Genese. Daran schließt sich eine Beschreibung der Entwicklung des Ansatzes in Form von drei Epochen an, die charakterisiert sind durch die Entdeckung diagnostischer Information in Signalen der Magnetresonanz, die erste Nutzung statistischer Regressionsverfahren zu deren Analyse, und die massenhaften Anwendung des Ansatzes. Schließlich werden zum Ende des ersten Abschnittes die Forschungsfragen skizziert, die mit dem Ansatz adressiert werden, d.h. die automatisierte Diagnostik, die Verfeinerung bestehender diagnostischer Richtlinien und die Identifikation neuer Biomarker. Im zweiten Abschnitt beschreibe ich im Detail die Forschungsartikel, die ich im Rahmen der Habilitation eingereicht habe. Über diese Artikel oder Studien hinweg wurden alle oben genannten Forschungsfragen adressiert, die mit dem Verfahren in der Literatur untersucht werden. Darüber hinaus wurden vielfältige technische Herausforderungen des Ansatzes in unterschiedlicher Weise bearbeitet. Zusammenfassend lässt sich daher sagen, dass die vorliegende Habilitationsschrift und die darin beschriebenen Fachartikel einen umfassenden Überblick über die konzeptionelle und methodische Vielfalt des Ansatzes geben. / This habilitation thesis on ‘Computer-based diagnostic and prognostic approaches in medical research using brain MRI’ is divided in two parts – an introductory first part that gives an overview on various aspects of the computer- and MRI-based disease prediction approach and a second part describing the research articles from this field that I submitted for habilitation. In particular, in the first part the habilitation synopsis starts by outlining the basic methodological concept of the disease prediction approach and by describing the three fundamental procedural stages characterizing it, i.e. the feature determination, training and test stages. Then, it continues by delineating the development of the approach in terms of three epochs that are characterized by the discovery of diagnostic information in MR signals, the first use of statistical regression techniques to analyze this information, and the mass use of the approach. Finally, it outlines the research aims pursued with the approach, i.e. automated diagnosis, refinement of diagnostic guidelines, and identification of novel diagnostic biomarkers. In the second part, I describe the peer-reviewed research articles that I submitted for habilitation. Across these articles or studies respectively, all of the three research aims pursued with the approach were addressed. Furthermore, technical challenges connected to the approach were addressed in various different fashions. Thus together, these studies and this habilitation thesis provide a substantial overview on the methodological and conceptual diversity of the field.

Die Stimme ist reich an grundlegenden Kommunikationselementen: Sie transportiert Sprache, sowie auch paralinguistische Informationen, wie den emotionale Zustand und die Identität des Sprechers. Im Vergleich zur Sprach- und Emotionsverarbeitung ist die Stimmerkennung bei weitem weniger gut erforscht. Dies ist erstaunlich, angesichts der allgegenwärtigen Relevanz der stimmbasierten Personenerkennung. Ein Ansatz neue Erkenntnisse zur Stimmerkennung zu erlangen, ist die Untersuchung von Personen, die ein selektives Defizit in der Stimmerkennung aufweisen. Dieses Defizit wird Phonagnosie bezeichnet. In der vorliegenden Dissertation untersuche ich Personen, bei denen Phonagnosie nach einer Hirnschädigung aufgetreten ist (i.e. erworbene Phonagnosie) und Personen, bei denen Phonagnosie entwicklungsbedingt und nicht durch eine offensichtliche Hirnschädigung bedingt ist (i.e. entwicklungsbedingte Phonagnosie). Die zugrunde liegenden kognitiven, neuro-funktionalen und neuro-anatomischen Mechanismen der Phonagnosie habe ich detailliert mit Hilfe von umfangreichen Verhaltensuntersuchungen sowie funktionaler und struktureller Magnetresonanztomographie charakterisiert. Die Ergebnisse der Dissertation bereichern das derzeitige Stimmerkennungsmodel durch: (i) Neue Erkenntnisse darüber welche Gehirnregionen notwendig sind, um eine Stimme zu erkennen. (ii) Und durch die empirische Bekräftigung der Annahme, dass Stimmerkennung ein mehrstufiger kognitiver Prozess ist, der verschiedene Subformen der Phonagnosie bedingt. Darüber hinaus tragen neue wissenschaftliche Erkenntnisse zur Stimmerkennung maßgeblich dazu bei, praktische Anwendungsbereiche wie klinische Therapieprogramme und künstliche Stimmerkennungprogramme weiterzuentwickeln. / The voice contains elementary social communication cues: it conveys speech, as well as paralinguistic information pertaining to the emotional state or the identity of the speaker. In contrast to neuroscientific research on vocal-speech and vocal-emotion processing, voice-identity processing has been less explored. This seems surprising, given the day-to-day significance of person recognition by voice. A valuable approach to unravel how voice-identity processing is accomplished is to investigate people who have a selective deficit in voice recognition. Such a deficit has been termed phonagnosia. In the present dissertation, I investigate phonagnosia following brain damage (i.e. acquired phonagnosia), as well as phonagnosia cases without apparent brain lesion (i.e. developmental phonagnosia). I in-depth characterise the underlying cognitive, neural-functional, and neuro-anatomical mechanisms of phonagnosia by means of comprehensive behavioural testing as well as functional and structural magnetic resonance imaging. The findings of this dissertation inform the current model of voice-identity processing by (i) delivering novel evidence of brain regions that crucially contribute to voice-identity processing, and by (ii) emphasising the multistage nature of voice-identity processing. We showed that dysfunction at different cognitive stages results in behaviourally distinct phonagnosia sub-types. Generally, advanced scientific knowledge about voice-identity processing as provided in the current dissertation also propels practical applications such as clinical treatment programs and artificial voice-recognition systems.

Moderne Mehr-Ebenen-Ansätze gehen davon aus, dass Emotionen auf unterschiedlichen Ebenen der Informationsverarbeitung und durch unterschiedliche Prozesse erzeugt werden. Im Rahmen des ‘dual memory model of emotion’ werden diese Prozesse als schematische (automatische) und propositionale (kontrollierte) Verarbeitungsprozesse bezeichnet. Darüber hinaus integriert das Modell Strategien zur Emotionsregulation, wie Aufmerksamkeitslenkung und semantische Elaborierung emotionaler Information. Über die zugrundeliegenden neuronalen Korrelate weiß man bisher allerdings noch wenig. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung behavioraler und neuronaler Korrelate der schematischen und propositionalen Verarbeitungsprozesse und wie diese durch interindividuelle Differenzen in der Affektivität und in der kognitiven Verarbeitung von Emotionen moduliert werden. Interindividuelle Differenzen im aktuellen negativen Affekt waren mit Aktivitätsveränderungen in der Insula während der schematischen Verarbeitung negativer Stimuli assoziiert. Dies kann als verstärkte Verarbeitung des hedonischen Wertes negativer Stimuli in Individuen mit hohem aktuellen negativen Affekt interpretiert werden. Interindividuelle Differenzen in der Zustandsangst und im kognitiven Verarbeiten von Emotionen modulierten behaviorale und neuronale Korrelate propositionaler Verarbeitungsprozesse. Hohe Zustandsangst und Schwierigkeiten im kognitiven Verarbeiten von Emotionen waren assoziiert mit erhöhtem kognitiven Aufwand, wenn der emotionale Gehalt der Stimuli ignoriert werden musste. Die neuronalen Befunde deuten darauf hin, dass für Individuen mit Schwierigkeiten im kognitiven Verarbeiten von Emotionen Aufmerksamkeitslenkung im Vergleich zu Elaborierung emotionaler Informationen eine weniger effektive Strategie zur Emotionsregulation darstellt. / Modern multi-level theories claim that emotion may be generated by different ways using different processes. The dual memory model of emotion refers to these processes as schematic processing (automatic) and propositional processing (controlled). The model further integrates emotion regulatory strategies, such as re-direction of attention and emotional elaboration as essential components of emotion processing. However, research on the neurobiological correlates of the different processing modes is scarce. Hence, the present work focuses on the identification of behavioral and neural correlates of the hypothesized processing modes and how these are modulated by individual differences in affectivity and in the cognitive processing of emotions. Individual differences in state negative affect were associated with altered activity in the insula during schematic processing of negative emotional information. This may indicate increased processing of the hedonic dimension of aversive stimuli in individuals with high state negative affect. Individual differences in state anxiety and in the cognitive processing of emotions modulated behavioral and neural correlates of propositional processing of emotional information. Specifically, in individuals with high state anxiety and with difficulties to cognitively process emotions, re-direction of attention was associated with increased cognitive effort. Findings at the neural level indicate that re-direction of attention as compared to elaboration of emotional information may represent a less effective emotion regulatory strategy in individuals with difficulties to cognitively process emotions.

Fragestellung: Das von Dixon 1991 beschriebene tierexperimentelle Modell der 'controlled cortical impact injury'(CCII) wurde zur Untersuchung pathophysiologischer und pathomorphologischer Veränderungen nach traumatischer Hirnkontusion angewandt. Magnetresonanztomographische Techniken (MRT) einschließlich der diffusionswichtenden Bildgebung (DWI) wurden genutzt, um den Zeitverlauf der Hirnödementwicklung zu erfassen, eine Differenzierung unterschiedlicher Ödemformen zu ermöglichen und einen Blut-Hirn-Schrankenschaden zu detektieren. Desweiteren wurde die MRT genutzt, um den neuroprotektiven Effekt des NO-Synthase-Pathway-Modulators Lubeluzol, der bereits im Modell der zerebralen Ischämie nachgewiesen werden konnte, zu untersuchen. Material und Methoden: An 46 Sprague Dawley Ratten wurde eine links parieto-temporale Kontusion appliziert. Die Tiere wurden bis zu 7 Tage nach Trauma magnetresonanztomographisch untersucht. 36 Tiere erhielten Lubeluzol resp. Plazebo. Ergebnisse: Die T2-gewichtete Bildgebung zeigte eine maximale Ödemausbreitung 24 - 48 Stunden nach Trauma. Es ließ sich mithilfe der DWI ein Kontusionskern von einem Kontusionsrand differenzieren. Der Kontusionskern zeichnete sich bis 48 Stunden nach Trauma durch eine Abfall des apparenten Diffusionskoeffizienten (ADC) aus, einem zytotoxischem Ödem entsprechend, der Kontusionsrand wies während des gesamten Untersuchungszeitraums einen ADC-Anstieg auf, als Ausdruck eines vasogenen Ödems. Die T1-gewichtete Bildgebung konnte nach Kontrastmittel (KM)-Applikation durch die KM-Extravasation eine über 7 Tage anhaltende Störung der Blut-Hirnschranke detektieren. In der Lubeluzol-Studie ließ sich anhand der ADC-Veränderungen, des Ödemausmasses oder physiologischer Parameter wie Blutdruck, intrakranieller Druck oder Hirnschwellung kein signifikanter Unterschied zwischen den Tieren der Substanz- bzw. Plazebo-Gruppe aufzeigen. Schlußfolgerung: Die in dem Modell der CCII induzierte traumatische Hirnkontusion zeichnet sich bis 48 Stunden nach Trauma durch einen zytotoxischen Kontusionskern und einen diesen umgebenen vasogenen Kontusionrand aus. Desweiteren konnte ein anhaltender Blut-Hirnschrankendefekt nachgewiesen werden. Ein neuroprotektiver Effekt des Lubeluzols konnte in diesem Traumamodell in der hier applizierten Dosierung nicht nachgewiesen werden. / Objective: The controlled cortical impact injury (CCII) device, as described by Dixon 1991, was used to investigate the brain tissue damage in an animal model of severe traumatic brain injury. Magnetic resonance imaging (MRI) techniques including diffusion weighted imaging (DWI) have been applied to analyse the time course and the characteristics of edema formation and to detect blood-brain-barrier disruption. Furthermore MRI has been used to investigate a neuroprotective effect of the NO-synthase pathway modulator lubeluzole, which has proved markedly beneficial in a model of cerebral ischemia in rats. Material and Methods: a left parieto-temporal cortical contusion was inflicted upon 46 Sprague Dawley rats. Animals have been examined up to 7 days following trauma by MRI. 36 animals have been administered lubeluzole resp. placebo. Results: The most pronounced edema formation has been shown in T2-weighed imaging at 24 - 48 hours post trauma. DWI was able to distinguish between a contusion core and a contusion rim. The contusion core was marked by a decrease in the apparent diffusion coefficient (ADC) up to 48 hours post trauma, indicating cytotoxic edema, whereas the contusion rim has been characterised by vasogenic edema, as indicated by ADC-increase over the entire investigation period. In T1-weighted imaging contrast agent extravasation indicated a sustained blood brain barrier disruption up to 7 days after trauma. Compared to placebo administered rats in lubeluzole-treated animals no significant differences in ADC-changes, edema-extension or physiological parameters as blood pressure, intracranial pressure or brain swelling could be demonstrated. Conclusion: CCII induced traumatic brain injury is characterised by a cytotoxic edema up to 48 hours encircled by a vasogenic contusion rim accompanied by a sustained blood brain barrier disruption. In the model of CCII lubeluzole did not reveal a neuroprotective effect in the applied dosage.