Graphics processing units (GPUs) are used today in a wide range of applications, mainly because they can dramatically accelerate parallel computing, are affordable and energy efficient. In the field of medical imaging, GPUs are in some cases crucial for enabling practical use of computationally demanding algorithms. This review presents the past and present work on GPU accelerated medical image processing, and is meant to serve as an overview and introduction to existing GPU implementations. The review covers GPU acceleration of basic image processing operations (filtering, interpolation, histogram estimation and distance transforms), the most commonly used algorithms in medical imaging (image registration, image segmentation and image denoising) and algorithms that are specific to individual modalities (CT, PET, SPECT, MRI, fMRI, DTI, ultrasound, optical imaging and microscopy). The review ends by highlighting some future possibilities and challenges.

Abstract Recognition of individuals at highest risk for psychosis is challenging and no definitive biomarkers are yet available. Physical illnesses associated with a sedentary lifestyle are common in patients with severe mental illness. Both, bodyweight and risk for psychosis are associated with brain white matter (WM) abnormalities. There are several dysregulated pathways which are common in psychiatric illnesses and weight-related processes, but it is not known how weight and vulnerability for psychosis interact in the brain. The present study examines brain WM microstructure and its association to body mass index (BMI) in young adults with a familial risk for psychosis (FR). In addition, the level of physical activity and cardiorespiratory fitness in individuals vulnerable to psychosis was examined. Participants of the present study are members of the Northern Finland Birth Cohort 1986. Two separate clinical substudies were conducted. The first having been done when the participants were at age 15–16. At that time, physical activity was defined by postal questionnaire (n=6,987) and cardiorespiratory fitness was measured by a submaximal cycle ergometer test (n=4,803). Risk for psychosis was viewed from three perspectives, with possible overlap between groups: having familial risk for psychosis, existing prodromal symptoms at age 15–16, and development of hospital treated psychosis between the ages of 16 and 20 years. The latter substudy was conducted when the participants were aged between 20 and 25 years. Diffusion tensor imaging was performed on 108 participants. Our study showed that there was no difference in WM microstructure between FR and control groups suggesting that WM abnormalities are not a genetic feature for risk of psychosis in all populations. However, the association between BMI and WM microstructure differed significantly between the FR and control groups. We also demonstrated that the level of physical activity was lower before the onset of psychotic illness. Therefore, these results imply that it would be of great importance to consider weight and physical activity levels in subjects at risk for psychosis, in order to avoid the detrimental effects of a sedentary lifestyle on overall health. / Tiivistelmä Korkeimmassa psykoosiriskissä olevien tunnistaminen on haastavaa, eikä kunnollisia biomarkkereita ole käytettävissä. Vähäiseen liikunta-aktiivisuuteen liitetyt fyysiset sairaudet ovat yleisiä vakavaa mielenterveyshäiriötä sairastavilla. Sekä kehonpaino että psykoosialttius on yhdistetty aivojen valkean aineen rakenteen poikkeavuuksiin. Useat kehon säätelymekanismien poikkeavuudet liittyvät sekä psykiatrisiin sairauksiin että painoon liittyviin prosesseihin, mutta ei ole olemassa tutkimustietoa siitä, miten paino ja psykoosialttius vaikuttavat yhdessä aivojen rakenteeseen. Tässä osajulkaisuväitöskirjassa tutkitaan aivojen valkean aineen mikrorakennetta nuorilla aikuisilla, jotka ovat sukuriskissä sairastua psykoosiin, sekä painon vaikutusta valkean aineen rakenteeseen psykoosiriskissä. Lisäksi tutkitaan psykoosialttiiden nuorten liikunta-aktiivisuutta ja kuntoa. Tutkittavat kuuluvat Pohjois-Suomen vuoden 1986 syntymäkohorttiin. Kaksi osatutkimusta toteutettiin, joista aikaisempi kliininen tutkimus tutkittavien ollessa 15–16-vuotiaita. Tuolloin selvitettiin liikunta-aktiivisuus postikyselyn avulla (n=6,987) ja aerobinen kunto mittaamalla hapenottokyky polkupyöräergometrilla (n=4,803). Psykoosialttiutta tarkasteltiin kolmella tavalla, ja ryhmien välillä esiintyi osittaista päällekkäisyyttä: sukurasitus, 15–16 v. iässä raportoidut psykoosinkaltaiset oireet ja sairaalahoitoon johtanut psykoosi 16–20 v. iässä. Toinen kliininen osatutkimus toteutettiin tutkittavien ollessa 20–25-vuotiaita. Tutkimuksen yhteydessä tehtiin aivojen diffuusiotensorikuvaus 108 osallistuneelle. Aivojen valkean aineen mikrorakenteessa ei havaittu eroa sukuriskissä olevien ja kontrollien välillä viitaten siihen, että poikkeavuudet valkean aineen rakenteessa eivät olisi psykoosiriskin geneettinen piirre kaikissa populaatioissa. Havaitsimme kuitenkin, että assosiaatio painoindeksin ja valkean aineen rakenteen välillä oli erilainen sukuriski- ja kontrolliryhmissä. Tutkimus osoitti myös, että liikunta-aktiivisuus on alentunut jo ennen psykoosisairauden puhkeamista. Psykoosiriskissä olevien liikuntatottumuksiin ja painoon tulisi kiinnittää erityistä huomiota jo varhaisessa vaiheessa elimellisten sairauksien ehkäisemiseksi.

L'érythropoiétine (Epo) est une protéine ubiquitaire dans les tissus de l'organisme. Elle est dotée d'une fonction endocrine, autocrine et paracrine. Elle favorise les activités anti-apoptotiques des tissus soumis à un stress hypoxique. Dans de nombreux modèles animaux de traumatisme ou d'agression du système nerveux central et quelques études cliniques, l'Epo recombinante humaine (Epo-rh) a révélé des propriétés neuroprotectrices. L'objectif principal de ce travail est d'améliorer les connaissances sur l'Epo afin de favoriser l'inclusion de l'Epo-rh dans l'arsenal thérapeutique chez l'homme après traumatisme du système nerveux central. Deux axes de travail ont été explorés : dans un première partie, pour expliquer l'échec de la mise en oeuvre d'une étude de la tolérance et d'efficacité biologioque de l'Epo-rh dans le Traumatisme Médullaire Déficitaire (TMD) chez l'homme, nous avons étudié l'épidémiologie des TMD sur la période 1997-2006, à partir du Registre des accidents du Rhône. Ensuite nous avons étudié l'évolution de cette incidence entre 2 périodes de 6 ans : 1995-2001 et 2003-2008. Parallèlement, compte tenu d'une incidence de traumatisme crânien (TC) 20 fois plus élevée que celle du TMD chez l'homme, nous avons entrepris de caractériser les effets d'un TC expérimental par percussion fluide latérale (LFPI) chez le rat afin de mieux comprendre la pharmacologie et les mécanismes d'action moléculaires, en particulier anti-inflammatoires et neuroprotecteurs, de l'Epo-rh / Erythropoietin (Epo) is an ubiquitous cytokine. It has endocrine, paracrin and autocrin functions. It improves antiapoptotic mechanisms on all tissues subjected to hypoxic stress. In many animal models of brain trauma but also in other brain injury models, and some human clinical studies, recombinant Human Epo (Epo-rh) has proven neuro-protective properties. The main goal of this work was to improve and incorporate Epo-rh in the pharmacological arsenal of treatment in brain and spinal cord traumatic injuries in human. In a first part, to explore the reasons of failure of inclusion in a Spinal Cord Injury (SCI) study to test the thrombo-embolic tolerance and efficacy of Epo-rh, we studied the epidemiology of SCI using the road crash Rhône registry in the period 1997-2006. Then we compared the epidemiological trends of the SCI incidence, associated trauma, mortality and fatality rates in two periods of 6 years: 1995-2001 and 2003-2008. In a second part, due to the 20-fold higher incidence of traumatic brian injury (TBI) in comparison to SCI, we characterized the effects of a moderate (1.6-1.8 atm) lateral fluid percussion injury (LFPI) in order to understand and characterize the pharmacological, anti-inflammatory and neuroprotective mechanisms of action of Epo-rh in such a brain injury

The aim of this work was to establish a comprehensive processing pipeline of cervical spinal cord HARDI dMRI data and T2-weighted anatomical MRI images in high-resolution. In the research part we provide description of anatomical data processing, theoretical background of dMRI, description of current approaches to 3D anisotropic diffusion estimation as well as current imaging methods of spinal cord axonal bundles. As one of the first in the world, we are investigating multiple-direction diffusion models for human in-vivo spinal cord white matter minority bundles imaging. We designed our own processing pipeline utilizing Spinal Cord Toolbox (SCT), FSL, in-house developer scripts and TORQUE-based batch system for grid computation, tested on real data from cervical spinal cord area between segments C4-C6 from 26 healthy volunteers. Designed processing pipeline with one non-automatic step, works from pre-processing to parcelation of selected spinal cord structures based on co-registration with anatomical spinal cord template for 25 subjects. One person data includes motion artifacts for which the proces failed. There are visible waves in sagittal images of some subjects caused probably by blood-vessel pulsing. Local quantification metrics of spinal cord anatomy (fractional anisotropy – FA, fractional volumes of first – f1 and second – f2 direction of anisotropic diffusion) from different parts (white matter, gray matter, cortico-spinal tract) and from different population groups (men vs. women), were extracted from dMRI data. As we expected, FA maps show visible decreases in areas of gray matter. We also detected second diffusion dirrection in slices, where the spinal roots come out. In some areas, fractional volume of second diffusion direction reaches up to 40% of the total component of the dMRI signal. All mentioned parameters probability density functions for all mentioned groups are non-normal distributions. Between male and female groups there were no significant distribution differences for f1 and f2 volumes. The distribution of FA values between men and women is statistically different. Unfortunatelly, there is a significant inter-subject variability in results, which has much higher dispersion than differences between different group distributions. Despite the inter-subject variability, this work significantly extends the knowledge about data acquisiton capabilities and MRI and dMRI data from cervical spinal cord image processing. This work also lays down foundations for utilization of the imaging method in future and planned clinical research, where it will be possible to test the alteration of the spinal cord anatomy on the minor secondary bundles separately.

Cette thèse est une étude sur la caractérisation, la modélisation et l’optimisation des effets substrat dans les circuits intégrés, dédies à des applications WLAN.L’objectif de ces travaux de recherche est de développer une nouvelle méthodologie d’extraction qui prenne en compte tous les parasites ; à savoir les modèles RLCK distribués, les effets électromagnétiques, ainsi que le couplage substrat.Les effets substrat ont été optimisés grâce au développement de nouvelles structures d’isolation utilisant des tranches profondes d’isolation (DTI).La prédictibilité des simulations circuits a été améliorée grace à l’introduction d’une nouvelle méthodologie d’extraction, basée sur une approche quasi-statique prenant en compte avec précision la description exacte et complète du procédé BiCMOS ainsi que les pertes dans le substrat, aussi bien diélectriques que résistives.La validité de cette méthodologie a été évaluée en comparant les résultats de simulation avec les mesures sur silicium. La bonne corrélation des résultats démontre la pertinence de cette nouvelle méthodologie. Cette méthode permet de plus, de réduire le « time to maket » grâce à l’optimisation des temps de simulations. / This thesis is about characterization, modelling and optimization of substrate effects in integrated circuits, dedicated to WLAN applications.The objective of this thesis is to develop a new extraction methodology that takes into account all parasites; distributed RLCK models, electromagnetic effects, as well as substrate coupling.Substrate effects have been optimized through the development of a new insulation strategies using deep isolation isolation (DTIs).The circuit predictability has been improved thanks to the development of a new extraction methodology, based on a quasi-static approach taking into account the complete description of the BiCMOS process as well as the substrate loss, both capacitive and resistive effects.The validation of this methodology was evaluated by comparing simulation results with silicon measurements. The good correlation of the obtained results demonstrates the accuracy of this new methodology. This method also makes it possible to reduce the time to market thanks to the optimization of the simulation times.

Der menschliche inferiore Parietallappen (IPC) gehört zum Assoziationskortex und spielt eine wichtige Rolle bei der Integration von somatosensorischen (taktilen), visuellen und akustischen Reizen. Bisher gibt es keine eindeutigen Informationen über den strukturellen Aufbau dieser Hirnregion. Parzellierungen anhand der Zytoarchitektur reichen von zwei (Brodmann 1909) bis sieben Subareale (Caspers et al. 2006). Homologien zwischen dem IPC des Menschen und Makaken-Affen sind weitestgehend unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden der Aufbau und die Konnektivitäten des menschlichen IPC genauer untersucht. Dazu führte man eine konnektivitätsbasierte Parzellierung des IPC an 20 Probanden durch. Als Methode kam Diffusions-Tensor-Imaging (DTI) kombiniert mit probabilistischer Traktogra-phie zum Einsatz. Der IPC konnte anhand der Konnektivitäten in drei Subareale (IPCa, IPCm, IPCp) parzelliert werden. Diese besitzen in beiden Hemisphären eine ähnliche Größe und eine rostro-kaudale Anordnung. Die Parzellierung ist vergleichbar mit der des Makaken-IPC, bei dem ebenfalls eine Unterteilung in drei Areale (PF, PFG, PG) und eine rostro-kaudale Anordnung nachgewiesen werden konnte. Jedes Subareal des menschlichen IPC besitzt ein individuelles Konnektivitätsmuster. Beim Menschen als auch beim Makaken gibt es starke Verbindungen zum lateralen prämotorischen Kortex und zum superioren Parietallappen. Diese Gemeinsamkeiten lassen darauf schließen, dass strukturelle Eigenschaften im Laufe der Evolution erhalten geblieben sind. Allerdings sind beim Menschen auch Neuentwicklungen nachweisbar. Dazu gehören die deutlich hervortretenden Verbindungen zum Temporallappen. Möglicherweise haben sich diese erst während der Evolution entwickelt und sind beim Menschen als Teil des perisylvischen Sprachnetzwerkes an der Sprachbildung beteiligt.:1. Einleitung 1.1. Der inferiore Parietalkortex 1.2. Konnektivitätsbasierte-Parzellierung durch Diffusions-Tensor-Bildgebung 1.3. Motivation 1.4. Überblick 2. Methoden 2.1. Theoretische Grundlagen 2.1.1. Magnet-Resonanz-Bildgebung 2.1.2. Diffusionsgewichtete Magnet-Resonanz-Tomographie 2.1.3. Diffusions-Tensor-Bildgebung 2.1.4. Traktographie in der weißen Substanz 2.1.5. Parzellierungsmethoden 2.2. Datenerfassung 2.3. Datenverarbeitung 2.4. Parzellierung des IPC 2.4.1. Definition der Analyseregion 2.4.2. Bestimmung der Startvoxel 2.4.3. Probabilistische Traktographie 2.4.4. Clustering 2.4.5. Populationskarte 2.4.6. Statistische Auswertung der Parzellierungsergebnisse 2.5. Analyse der Konnektivitäten des IPC 2.5.1. Berechnung der Konnektivitäten 2.5.2. Statistische Auswertung der Konnektivitäten 3. Ergebnis 3.1. Definition der Analyseregion 3.2. Analyse der Parzellierung 3.3. Statistische Auswertung der Parzellierung 3.4. Zusammenfassung der Parzellierungsergebnisse 3.5. Populationskarte aller Probanden 3.6. Statistische Auswertung weiterer Eigenschaften 3.6.1. Schwerpunkte der Areale 3.6.2. Größe der Areale 3.7. Analyse der Konnektivitäten 3.8. Statistische Auswertung der Konnektivitäten 3.9. Vergleich der linken und rechten Hemisphäre 4. Diskussion 4.1. Zwei oder drei Regionen: Welche Parzellierung ist am geeignetsten für den IPC? 4.2. Welche Konnektivitäten charakterisieren den IPC? 4.3. Vergleich von Mensch und Makaken 4.3.1. Homologien in der Parzellierung des IPC 4.3.2. Homologien in den Konnektivitäten des IPC 4.4. Funktionelle Bedeutung der IPC Parzellierung 4.4.1. Der IPC des Makaken 4.4.2. Der IPC des Menschen 4.5. Anmerkung zu den Methoden 4.5.1. Definition der Analyseregion 4.5.2. Auflösung der Diffusions-Tensor-Bildgebung 4.5.3. Traktographie Artefakte 4.6. Zusammenfassung 5. Anhang 5.1. Glossar 5.2. Abkürzungsverzeichnis 5.3. Detaillierte Abbildung der Ergebnisse 6. Danksagung 7. Zusammenfassung der Arbeit 8. Literaturverzeichnis 9. Publikation 10. Eigenständigkeitserklärung 11. Lebenslauf / The human inferior parietal cortex convexity (IPCC) is an important association area, which integrates auditory, visual and somatosensory information. However, the structural organization of the IPCC is a controversial issue. For example, cytoarchitectonic parcellations reported in the literature range from two to seven areas. Moreover, anatomical descriptions of the human IPCC are often based on experiments in the macaque monkey. In this study we used diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI) combined with probabilistic tractography to quantify the connectivity of the human IPCC, and used this information to parcellate this cortex area. This provides a new structural map of the human IPCC, comprising three sub-areas (IPCa, IPCm, IPCp) of comparable size, in a rostro-caudal arrangement in the left and right hemisphere. Each sub-area is characterized by a connectivity fingerprint and the parcellation is similar to the subdivision reported for the macaque IPCC (rostro-caudal areas areas PF, PFG, and PG). However, the present study also reliably demonstrates new structural features in the connectivity pattern of the human IPCC, which are not known to exist in the macaque. This study quantifies inter-subject variability by providing a population representation of the sub-area arrangement, and demonstrates substantial lateralization of the connectivity patterns of IPCC.:1. Einleitung 1.1. Der inferiore Parietalkortex 1.2. Konnektivitätsbasierte-Parzellierung durch Diffusions-Tensor-Bildgebung 1.3. Motivation 1.4. Überblick 2. Methoden 2.1. Theoretische Grundlagen 2.1.1. Magnet-Resonanz-Bildgebung 2.1.2. Diffusionsgewichtete Magnet-Resonanz-Tomographie 2.1.3. Diffusions-Tensor-Bildgebung 2.1.4. Traktographie in der weißen Substanz 2.1.5. Parzellierungsmethoden 2.2. Datenerfassung 2.3. Datenverarbeitung 2.4. Parzellierung des IPC 2.4.1. Definition der Analyseregion 2.4.2. Bestimmung der Startvoxel 2.4.3. Probabilistische Traktographie 2.4.4. Clustering 2.4.5. Populationskarte 2.4.6. Statistische Auswertung der Parzellierungsergebnisse 2.5. Analyse der Konnektivitäten des IPC 2.5.1. Berechnung der Konnektivitäten 2.5.2. Statistische Auswertung der Konnektivitäten 3. Ergebnis 3.1. Definition der Analyseregion 3.2. Analyse der Parzellierung 3.3. Statistische Auswertung der Parzellierung 3.4. Zusammenfassung der Parzellierungsergebnisse 3.5. Populationskarte aller Probanden 3.6. Statistische Auswertung weiterer Eigenschaften 3.6.1. Schwerpunkte der Areale 3.6.2. Größe der Areale 3.7. Analyse der Konnektivitäten 3.8. Statistische Auswertung der Konnektivitäten 3.9. Vergleich der linken und rechten Hemisphäre 4. Diskussion 4.1. Zwei oder drei Regionen: Welche Parzellierung ist am geeignetsten für den IPC? 4.2. Welche Konnektivitäten charakterisieren den IPC? 4.3. Vergleich von Mensch und Makaken 4.3.1. Homologien in der Parzellierung des IPC 4.3.2. Homologien in den Konnektivitäten des IPC 4.4. Funktionelle Bedeutung der IPC Parzellierung 4.4.1. Der IPC des Makaken 4.4.2. Der IPC des Menschen 4.5. Anmerkung zu den Methoden 4.5.1. Definition der Analyseregion 4.5.2. Auflösung der Diffusions-Tensor-Bildgebung 4.5.3. Traktographie Artefakte 4.6. Zusammenfassung 5. Anhang 5.1. Glossar 5.2. Abkürzungsverzeichnis 5.3. Detaillierte Abbildung der Ergebnisse 6. Danksagung 7. Zusammenfassung der Arbeit 8. Literaturverzeichnis 9. Publikation 10. Eigenständigkeitserklärung 11. Lebenslauf

A significant subset of women plagued with breast cancer continue to experience chronic neuropathic pain (CNP) long after undergoing cancer treatment. Medical interventions such as pharmacotherapy and/or surgery have been most widely used to abate painful symptoms with limited efficacy. Other alternatives are required given a heavy reliance on pharmaceuticals can lead to tolerance, dependence and severe side effects. Possibilities include cognitive behavioural therapy (CBT), physical therapy, and mindfulness interventions to supplement pharmacotherapies. Mindfulness practice in particular has been offered to a variety of chronic pain groups including breast cancer patients, however evidence is lacking to support its effectiveness in CNP for breast cancer survivors (BCS). The purpose of the present study was to explore the benefits a mindfulness-based stress reduction program (MBSR) may have on altering the underlying neuronal correlates linked with pain-related symptoms associated with CNP in BCS. The primary objective was to investigate how mindfulness training might possibly mediate the brain’s capacity for emotional reactivity, white matter integrity, and activation of the default mode network (DMN) and how these changes may correlate with levels of pain severity and pain interference, improving overall quality of life. To achieve these results, several brain imaging techniques were used in order to observe the correlation between the subjective experience of pain and the objective manifestation of brain changes that may be potentiated by MBSR training. A total of 23 participants were placed in either an 8 week MBSR intervention group (n=13) or a waitlist control group (n =10). All women were scanned with MRI before and after the 8 week intervention regardless of group allotment. The following neuroimaging modalities were used for each scanning session: resting state fMRI (rsfMRI) to monitor changes to functional connectivity in the default mode network (DMN); Diffusion Tensor Imaging (DTI) to assess the structural integrity of white matter tracts; and the Emotional Stroop Task (EST) to examine emotional reactivity in response to pain related stimuli. Exploratory results from this pilot study indicate that improvements to functional connectivity were apparent in the MBSR group relative to control, indicative of more efficient communication in areas related to attention, self-awareness, emotion regulation and pain. Improvements were also noted as increased cerebral white matter health and reduced emotional reactivity to pain related stimuli in the group of MBSR trained participants relative to control. Additionally, these functional and structural changes correlated with the self-reported pain measures in the MBSR group, suggesting that the MBSR group demonstrated improvements to ratings of pain severity and pain interference whereas the opposite occurred with the control group. The results have been interpreted as improvements to patients’ perception of pain and quality of life post MBSR training, however, were not limited to the subjective experience of pain. The inclusion of neuroimaging modalities provides objective and empirical support for MBSR training as it highlights the underlying brain mechanisms that were altered as part of MBSR treatment. Ultimately, the evidence suggests that MBSR could be incorporated as part of the treatment protocol for women experiencing CNP post breast cancer treatment.

Un modèle de croissance et de réponse à la radiothérapie pour le glioblastome multiforme (GBM) basé le formalisme du modèle de prolifération-invasion (PI) et du modèle linéaire-quadratique a été développé et implémenté. La géométrie spécifique au patient est considérée en modélisant, d'une part, les voies d'invasion possibles des GBM avec l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et, d'autre part, les barrières à la propagation à partir des images anatomiques disponibles. La distribution de dose réelle reçue par un patient donné est appliquée telle quelle dans les simulations, en respectant l'horaire de traitement. Les paramètres libres du modèle (taux de prolifération, coefficient de diffusion, paramètres radiobiologiques) sont choisis aléatoirement à partir de distributions de valeurs plausibles. Un total de 400 ensembles de valeurs pour les paramètres libres sont ainsi choisis pour tous les patients, et une simulation de la croissance et de la réponse au traitement est effectuée pour chaque patient et chaque ensemble de paramètres. Un critère de récidive est appliqué sur les résultats de chaque simulation pour identifier un lieu probable de récidive (SPR). La superposition de tous les SPR obtenus pour un patient donné permet de définir la probabilité d'occurrence (OP). Il est démontré qu'il existe des valeurs de OP élevées pour tous les patients, impliquant que les résultats du modèle PI ne sont pas très sensibles aux valeurs des paramètres utilisés. Il est également démontré comment le formalisme développé dans cet ouvrage pourrait permettre de définir un volume cible personnalisé pour les traitements de radiothérapie du GBM. / We have developed and implemented a model of growth and response to radiotherapy for glioblastoma multiforme (GBM) based on the proliferation-invasion (PI) formalism and linear-quadratic model. We take into account patient-specific geometry to model the possible invasion pathways of GBM with diffusion tensor imaging (DTI) and the barriers to dispersal from anatomical images available. The actual dose distribution received by a given patient is applied as such in the simulation, respecting the treatment schedule. The free parameters in the model (proliferation rate, diffusion coefficient, radiobiological parameters) are randomly chosen from a distribution of plausible values. A total of 400 sets of values for the free parameters are thus chosen for all patients, and a simulation of the growth and the response to treatment is performed for each patient and each set of parameters. A failure criterion is applied to the results of each simulation to identify a site of potential recurrence (SPR). The superposition of all SPR obtained for a given patient defines the occurrence probability (OP). We show that high OP values exist for all patients and conclude that the PI model results are not very sensitive to the values of the parameters used. Finally, we show how the formalism developed in this work could help to define a custom target volume for radiation treatment of GBM.

Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (MRI) has allowed unprecedented non-invasive mapping of brain neural connectivity in vivo by means of fiber tractography applications. Fiber tractography has emerged as a useful tool for mapping brain white matter connectivity prior to surgery or in an intraoperative setting. The advent of high angular resolution diffusion-weighted imaging (HARDI) techniques in MRI for fiber tractography has allowed mapping of fiber tracts in areas of complex white matter fiber crossings. Raw HARDI images, as a result of elevated diffusion-weighting, suffer from depressed signal-to-noise ratio (SNR) levels. The accuracy of fiber tractography is dependent on the performance of the various methods extracting dominant fiber orientations from the HARDI-measured noisy diffusivity profiles. These methods will be sensitive to and directly affected by the noise. In the first part of the thesis this issue is addressed by applying an objective and adaptive smoothing to the noisy HARDI data via generalized cross-validation (GCV) by means of the smoothing splines on the sphere method for estimating the smooth diffusivity profiles in three dimensional diffusion space. Subsequently, fiber orientation distribution functions (ODFs) that reveal dominant fiber orientations in fiber crossings are then reconstructed from the smoothed diffusivity profiles using the Funk-Radon transform. Previous ODF smoothing techniques have been subjective and non-adaptive to data SNR. The GCV-smoothed ODFs from our method are accurate and are smoothed without external intervention facilitating more precise fiber tractography. Diffusion-weighted MRI studies in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) have revealed significant changes in diffusion parameters in ALS patient brains. With the need for early detection of possibly discrete upper motor neuron (UMN) degeneration signs in patients with early ALS, a HARDI study is applied in order to investigate diffusion-sensitive changes reflected in the diffusion tensor imaging (DTI) measures axial and radial diffusivity as well as the more commonly used measures fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD). The hypothesis is that there would be added utility in considering axial and radial diffusivities which directly reflect changes in the diffusion tensors in addition to FA and MD to aid in revealing neurodegenerative changes in ALS. In addition, applying adaptive smoothing via GCV to the HARDI data further facilitates the application of fiber tractography by automatically eliminating spurious noisy peaks in reconstructed ODFs that would mislead fiber tracking.

HINTERGRUND/ ZIELSETZUNG: Vom idiopathischen Parkinsonsyndrom (IPS) können so genannte „atypische“ Parkinsonsyndrome (APS) mit einem Anteil von ca. 20% bezogen auf die Gesamtinzidenz unterschieden werden. Neben zusätzlichen Krankheitssymptomen und einem progredienteren Verlauf zeichnen sie sich durch eine schlechtere Prognose aus, die häufig auf einem Nichtansprechen auf eine dopaminerge Therapie beruht. Eine frühzeitige, korrekte Diagnose ist daher sehr entscheidend, aber im Einzelfall auch für Spezialisten äußerst schwierig. Trotz anerkannter klinischer Diagnosekriterien gibt es besonders im Frühstadium eine hohe Rate an Fehldiagnosen. Das zur Zeit vorherrschende Verfahren in der bildgebenden Diagnostik ist die Magnetresonanztomographie, wobei die konventionelle, qualitative MRT bislang keine zufriedenstellenden Ergebnisse bezüglich ihrer Spezifität und Sensitivität gezeigt hat. Die vorliegende Arbeit untersucht in einer direkten Vergleichsstudie das differenzialdiagnostische Potential der sogenannten „erweiterten“ quantitativen MRT-Verfahren. MATERIAL UND METHODEN: Ein Gesamtkollektiv von insgesamt 44 Probanden (IPS/ APS/ gesunde Kontrollen) durchlief ein umfassendes quantitatives MRT- Protokoll (R1/R2(*)-, DTI-, MTR- Mapping) um in manuell bilateral markierten, definierten Regionen (ROIs) in den Basalganglienkernen quantitative Parameter zu erheben. ERGEBNISSE: Die beste hochsignifikante Trennung der MSA-P- Patienten sowohl von IPS- Patienten (p = 0,001) als auch von Kontrollen (p = 0,004) konnte anhand des R2 * - Mappings im Putamen erreicht werden. Es zeigte sich eine Vorhersagekraft AUC von > / = 0,96 mit einer Sensitivität von 77,8 % (bei einer Spezifität von 100 %). Dies bestätigt die große Bedeutung der Eisensensitivität des R2*-Mappings bei der Identifizierung von MSA-P- Patienten. Auch anhand des MTR-Mappings konnte eine MSA-P anhand der putaminalen (p = 0,005) und nigralen (p = 0,003) Signalveränderungen signifikant vorhergesagt werden. Die beste signifikante Abgrenzung der PSP- Patienten von den Kontrollen gelang anhand der DTI- Messungen in der Substantia nigra (p = 0,001) sowie im Globus pallidus (p = 0,004). Für die diagnostische Vorhersage eines IPS konnten keine nutzbaren Signalunterschiede festgestellt werden. Insbesondere in der Substantia nigra zeigten sich gegenüber Kontrollen keine signifikanten Gruppenunterschiede. FAZIT: Unter den angewandten MRT- Verfahren zeigt das R2*-Mapping die beste Vorhersagekraft zur Differenzierung der MSA von IPS- Patienten und das DTI- Mapping zur Identifizierung der PSP- Patienten. Das Besondere unseres Arbeitsansatzes war, im Gegensatz zu vorherigen Studien, die Durchführung der Untersuchung an nur einer Kohorte. Dadurch konnte die Güte der verschiedenen MRT-Verfahren direkt und quantitativ miteinander verglichen werden. Insgesamt unterstreichen die Erkenntnisse dieser Arbeit den Stellenwert und die mögliche klinische Relevanz der quantitativen MRT, insbesondere bei der Identifizierung atypischer Parkinsonsyndrome.