Brustkrebs stellt eine der am häufigsten vorkommenden Krebserkrankungen bei Frauen weltweit dar. Jährlich erkranken in Deutschland ca. 47.000 Frauen neu an Brustkrebs, ca. 18.000 fallen dieser Krankheit im gleichen Zeitraum zum Opfer. Die Brustkrebsdiagnostik basiert auf klinische und verschiedene bildgebende Methoden, die Magnetresonanztomographie (MRT) weist dabei die höchste Sensitivität speziell bei der Erkennung kleiner Tumore unter 5 mm auf. Im Hinblick auf zukünftige Verbesserungen der MR-Bildgebung wird bereits vermutet, dass im Jahr 2010 ca. 50% der neudetektierten Brustkrebse kleiner als 10 mm sein werden. Zur Erhöhung der Diagnosesicherheit werden suspekte Läsionen sowie unklare bildgestützte Befunde zusätzlich mittels Biopsie abgeklärt. In Bezug auf den Stand der Technik ist die sichere Biopsie von Tumoren unter 10 mm Größe jedoch schwierig. Mit dem Ziel, die MR-gestützte Biopsie im Hinblick auf eine höhere Effizienz und Präzision zu verbessern, wurde ein neuer Prototyp für minimal invasive Biopsien speziell in geschlossenen MR-Tomographen entwickelt. Dieses MR-kompatible System basiert auf verschiedene Neukonzeptionen, mit einem automatischen Positioniersystem und Biopsieinstrument zur Ausführung der Intervention. Die extrem hohen Anforderungen an dieses System konnten nur durch spezielle Konstruktionen und Kinematiken, sowie durch MR-kompatible Materialien, Aktoren und Sensoren gelöst werden. Das System ist modular aufgebaut und unterstützt Brustbiopsien sowohl von cranial oder caudal im direkten Anschluss an die Tumorerkennung mit einer neuen doppelseitigen MR-Brustspule. Ein großer Vorteil dieses neuen Ansatzes liegt in der hohen Präzision und der Möglichkeit, sowohl die bildgebende Diagnostik als auch die Biopsie während eines Untersuchungstermines durchzuführen. Die vorklinische Erprobung in einem 1,5 T Hochfeld-MRT zeigte, dass die Zielabweichungen des Instrumentes geringer als 1 mm waren, so dass Interventionen mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit durchführbar wären. Das System implementiert benutzerfreundliche Oberflächen für die Interventionsplanung und für die Gerätesteuerung. Das vorliegende Dissertation stellt die Konzepte und Ergebnisse dieser neuen Biopsieeinrichtung vor und nimmt Bezug auf zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen, insbesondere im Hinblick auf die Anwendung von Materialien und Aktoren im MRT-Magnetfeld. / Breast cancer is one of the most common cancer diseases which women suffer world wide. The incidence rate of breast cancer in Germany goes along with about 47.000 women per year, 18.000 fatal casualties were ascertained in the same period. The breast cancer diagnostic is based on clinical and different imaging methods, whereas Magnetic Resonance Imaging (MRI) is the most sensitive imaging modality in the detection of especially small lesions under 5 mm. Due to improvements of breast imaging - especially MRI - it has been predicted that by the year 2010 about 50% of newly diagnosed breast cancers will be less than 10 mm in size. However, to assure the image based breast cancer diagnosis, biopsies of tumor tissue are often necessary in order to avoid false specified results. With reference to the state of the art, it is still difficult to achieve sufficient accurate MRI-supported biopsies for tumor sizes of under 10 mm. To improve the MR-controlled diagnostic in respect of increasing the efficiency and precision of the biopsy method, a new apparatus for minimal invasive breast biopsies particularly for the use inside closed bore MRI-scanner was developed. This MR-compatible device is based on new concepts which meet the extremely high requirements on interventions in strong magnetic fields through special designs and kinematic concepts and the application of MR-compatible materials, actors and sensor systems. It is of a modular structure and consists mainly of an automated positioning unit and an integrated intervention tool. This new system makes it possible to do the breast interventions either from the cranial or the caudal position directly after tumor detecting with the use of a new double breast coil. A major advantage of this approach is the high accuracy and the possibility to realize image diagnostic and biopsy in one session. As the preclinical evaluation with a 1.5 T MRI-scanner showed, the deviation of the intervention device regarding instrument positioning to a located target was less than 1mm, so that interventions could be carried out precisely and reproducible. Furthermore there were no image interferences due to the additional materials in the MRI-isocenter. The system implements a user-interface for intervention planning on up-to-date MR images and device control. Besides the concepts and results of the new biopsy device, the present dissertation refers to numerous scientific investigations with a focus on material and actuator application in the magnetic field of a MRI-scanner.

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.

Bildgebende Studien haben gezeigt, dass bei schizophrenen Patienten Positivsymptome mit Veränderungen mesolimbischer Aktivierungsmuster unter Einbeziehung des Nucleus accumbens in Zusammenhang stehen. Hierbei ist von besonderem Interesse, dass der Nucleus accumbens Teil des Belohnungssystems ist, wobei die integrale „Bewertung“ belohnungsanzeigender Reize präfrontalen kortikalen Strukturen, insbesondere dem anterioren Zingulum, zuzurechnen ist. Bereits in der Antizipationsphase potentiell belohnender Reize, werden vermutlich zur Berechnung von Prädiktionsabweichungen dopaminerge Signale in der VTA generiert und modulieren den Nucleus accumbens. Es gibt zahlreiche Hinweise, dass glutamaterge Neurone des anterioren Zingulums die Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens beeinflussen, und dass diese Modulation bei Erkrankungen wie der Schizophrenie beeinträchtigt ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mittels funktioneller Magnetresonanztomographie und Protonen Magnetresonanzspektroskopie, Hinweise über den Zusammenhang zwischen der glutamatergen Neurotransmission des ACC und belohnungsassoziierter Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens bei 23 gesunden Probanden und bei 23 unmedizierten schizophrenen Patienten zu erlangen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die gegenseitige Modulation von anteriorem Zingulum und Nucleus accumbens bei schizophrenen Patienten gestört ist. Dieses und weitere Ergebnisse wurden im theoretischen Rahmen der NMDA-Rezeptor-Hypoaktivität und einer gestörten Balance zwischen Dopamin-D1- und Dopamin-D2-Rezeptor-Aktivität als pathophysiologische Korrelate schizophrener Erkrankungen diskutiert. / Imaging studies have demonstrated that for schizophrenic patients a correlation exists between positive symptoms and changes in the patterns of mesolimbic activity. Especially the changes in the ncl. accumbens (Nac) were interpreted in connection with the reward system. The signals indicating reward are thought to be processed by the anterior cingulum (ACC). These structures attribute meaning to the reward signals. In the anticipation phase of a potentially rewarding stimulus, dopaminergic signals from the VTA are generated in prediction of expected or aberrant outcome, thus modulating the Nac. Data indicate a direct modulation of the Nac. by glutamatergic neurons of the anterior cingulum. A major aim of this thesis is to establish a connection between the reward associated dopaminergic signals of the ncl. accumbens and the glutamatergic projections of the acc in unmedicated schizophrenic patients and healthy controls. The methods included measurements of proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) and functional MRI-scans done at a 3-Tesla tomograph. The paradigm applied was a modified version of the monetary incentive delay paradigm (Knutson et al. 2000). In healthy volunteers we found a significant negative correlation between the glutamate concentration in the ACC and the BOLD-contrast in the Nac (reward versus neutral), in contrast to the findings in schizophrenic patients. A significant higher BOLD-contrast was seen in the anticipation phase in healthy controls. The results were incorporated in a model of NMDA-R-Hypoaktivity. In addition to discussing the functional aspects for the structures involved the model was further expanded to include the hypothesis of a disturbed balance between dopamine-D1- and -D2-receptor activity and a dysfunctional hippocampal gating-process. The so constructed model suggests a profound striato-thalamo-cortical filter disturbance as the basis of the observed aberrations in the reward processing in schizophrenic disorders.

Chronisch entzündliche Darmerkrankung (CED) bereiten in der Diagnostik durch das meist jüngere Patientenalter, die Tendenz zu Rezidiven im Erkrankungsverlauf, welche häufig den Einsatz diagnostischer Mittel erfordert, und die extraintestinalen Pathologien, die endoskopisch nicht zugänglich sind, Probleme. Durch die bisherigen etablierten Untersuchungsmethoden sind in diesen speziellen Fragestellungen CED nicht immer befriedigend darstellbar. Daher wäre die Einführung der Magnetresonanztomographie (MRT) als Diagnostikalternative von Vorteil. Experimentell soll überprüft werden, wie valide die MRT den pathologischen Befund abbilden kann, ferner die Möglichkeiten einer rechnergestützten, nach festgelegten Algorithmen durchgeführten Auswertung. An einem Kaninchenmodell werden durch Irritantienapplikation chronisch entzündliche Darmerkrankungen simuliert, die resezierten Darmabschnitte mit Wandpathologien im MRT durch eine Mikrospule vermessen und in der Pathologie mikroskopisch untersucht. Am MRT werden die Darmschnitte durch einen konventionellen Editor und einen DICOM-Editor rechnergestützt semiautomatisch ausgewertet. Die transmurale Darmwanddickenmessung zeigt eine gute Korrelation zwischen den maximalen Dickenmessungen der Pathologie und dem konventionellen Editor (rho = 0,850) bzw. der Pathologie und dem DICOM-Editor (r = 0,843). In der Varianzanalyse der nach den Befunden "Normalbefund", "akute Entzündung" und "chronische Entzündung" aufgeschlüsselten maximalen Darmwanddickenbefunde können signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen "Normalbefund" und "chronische Entzündung" sowie "akute Entzündung" und "chronische Entzündung" festgestellt werden (jeweils p < 0,01). Dabei enthält die Gruppe der chronischen Entzündungen durchschnittlich die höchsten Darmwanddicken. In einer Analyse der transmuralen Profile liegen die Maxima überwiegend in der dem Lumen zugewandten Seite. Das Kaninchenmodell kann zur Simulation chronisch entzündlicher Darmerkrankungen genutzt werden und ist ausreichend stabil. Höhere Auflösung, kürzere Meßzeiten sowie kostengünstigere MRTs und die Nutzung rechnergestützter Auswertung erweitern die Einsatzmöglichkeiten der bei Problemfällen in der Diagnostik der CED. / Several problems exist in the diagnosis of chronic inflammatory bowel diseases (CIBD). Most patients are young, the diseases have a tendency to recur, which requires repeat diagnostic evaluation, and they may have extraintestinal pathologies, which can not reached by endoscopy. The capabilities of magnetic resonance imaging (MRI) shall be tested by an experiment. CIBD are simulated in a rabbit model by application of an irritating solution. The resected bowel walls with pathologies are measured by using a MRI micro coil system and examined by a pathologist. Bowel sections are evaluated by the conventional editor of the MRI scanner and semiautomatic by fixed algorithms with a DICOM-Editor. The measurement of the bowel thickness shows a good correlation between the maximum thickness of the pathology and the maximum thickness of the conventional editor (rho = 0,850), and , pathology and DICOM-editor (r = 0,843), respectively. In the analysis of variance the measured thickness differed significantly between "normal findings", "acute inflammation" and "chronic inflammation". It differed between the groups "normal findings" and "chronic inflammation" as well as between "acute inflammation" and "chronic inflammation" (each p < 0.01). On average, the group of chronic inflammation contains the highest bowel thickness. In an analysis of the location of signal intensity maximum, the greatest signal was found on the luminal side of the bowel wall. The rabbit model can be used to simulate chronic inflammatory bowel diseases. It is sufficiently reproducible. Higher resolution, shorter measurement periods and more cost-effective MRIs as well as semiautomatic computerized evaluation by fixed algorithms will increase the use of MRI in the case of chronic inflammatory bowel diseases.

Die Magnetresonanzelastographie (MRE) stellt ein nichtinvasives Verfahren dar, welches die Bestimmung der in vivo Scherelastizität weicher Gewebe ermöglicht. Im Rahmen diese Arbeit wurden Methoden zur Bestimmung isotroper und anisotroper Scherelastizitäten anhand von MRE Wellenbildern entwickelt und evaluiert. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Methoden basieren auf planarer MRE, d.h. auf der Aufnahme einer einzelnen Auslenkungskomponente innerhalb der Bildschicht. Dadurch wird die MRE erheblich beschleunigt. Allerdings stellen sich dadurch auch besondere Anforderungen an die Datenauswertung zur Bestimmung aussagekräftiger elastischer Kenngrößen. Anhand von planaren MRE-Experimenten an Gewebephantomen und menschlicher Skelettmuskulatur sowie mittels numerischer Simulation wird gezeigt, dass bei Beachtung weniger experimenteller Randbedingungen und einer darauf abgestimmten Datenauswertung, korrekte Elastizitäten ermittelt werden können. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Analyse experimenteller Einflüsse wie Bildrauschen und -auflösung auf die ermittelten elastischen Kenngrößen. Des Weiteren werden Methoden zur Bestimmung anisotroper Elastizitäten sowie zur Analyse von Streueffekten im MRE-Wellenbild vorgestellt. Die behandelten Einflüsse auf die Amplituden und Wellenlängen im MRE-Bild, werden vergleichend diskutiert und zusammengefasst, um ein einfaches Verfahrensprotokoll zur Analyse experimenteller in vivo MRE-Daten zu entwickeln. Alle in dieser Arbeit verwendeten Methoden und Programme sind im Anhang zusammengefasst und auf Anforderung erhältlich. / Magnetic resonance elastography (MRE) is a noninvasive method that allows the determination of in vivo shear elasticity of soft tissues. In this thesis methods for the determination of isotropic and anisotropic shear elasticities from MRE wave data were developed and evaluated. All methods presented in this work are based on planar MRE, i.e. they are based on the measurement of a single displacement component in the image plane. This way measurement time in MRE is greatly reduced. However, this imposes specific requirements on data evaluation in order to determine significant elastic constants. On the basis of planar MRE experiments on tissue mimicking gels, human skeletal muscle and numerical simulations it is demonstrated that correct shear elasticities can be determined, taking into account a small set of experimental boundary conditions as well as the employment of complementary data evaluation strategies. This thesis is particularly focussed on the analysis of noise and image resolution on the determined elastic constants. Moreover, methods for determining anisotropic elasticity and analyzing shear wave scattering effects on MRE wave data are introduced. The investigated influences on wave amplitudes and wave lengths are compared and discussed to develop a simple measurement protocol for the evaluation of in vivo MRE data. All methods employed in this work are summarized in the appendix along with the corresponding computer code, which is available on demand.

Die Magnetresonanztomographie (MRT), die Mehrschicht-Spiral-Computertomographie (MSCT) und die Elektronenstrahl-Computertomographie (EBCT) sind nichtinvasive diagnostische Verfahren, welche die bisherige kardiale Bildgebung zumindest in Teilbereichen ersetzen oder ergänzen können. MR-Perfusions- und MR-Funktionsuntersuchungen konnten in der vorgelegten Arbeit direkte Parameter der myokardialen Vitalität regional erfassen. Die Signalintensitäten im Blut und im Herzmuskel dienten zur quantitativen Bestimmung der Myokardperfusion. Die Ortsauflösung ermöglichte eine Differenzierung der subendo- und der subepikardialen Durchblutung. Zusätzliche Streßuntersuchungen steigerten die Sensitivität des Verfahrens. Relativ geringgradige Koronarstenosen ließen sich durch vornehmlich subendokardial lokalisierte Perfusionsdefekte nachweisen. MR-Tagging- Funktionsanalysen konnten durch ein artifizielles Markierungsgitter zwischen endokardial lokalisiertem Narbengewebe und epikardial liegendem vitalem Gewebe differenzieren. Die Dehnungen, Stauchungen und Rotationen des Myokardverbandes wurden registriert und ausgewertet. Die MSCT und die EBCT wurden als Röntgenverfahren für die nichtinvasive Koronarangiographie verglichen. Bei der Definition der Gefäßkonturschärfe über die Anstiegssteilheit der CT-Dichtewerte zeigte sich eine bessere Abbildungsqualität der MSCT gegenüber der EBCT. Die Bestimmung der Segmenterkennbarkeit zeigte, dass mit der MSCT signifikant mehr erkannt werden konnten. Die vorgestellten kardialen MR- und CT-Untersuchungen konnten aus Gründen der Reproduzierbarkeit sowie aufgrund des Strahlenschutzes nur tierexperimentell durchgeführt werden. Die Validität der unterschiedlichen Tiermodelle ist in vorausgegangenen Studien belegt worden. Die in der Literatur verfügbaren Ergebnisse am Menschen bestätigen in vieler Weise die vorgelegten Daten. / Magnetic resonance imaging (MRI), multislice spiral computed tomography (MSCT), and electron-beam computed tomography (EBCT) are noninvasive imaging modalities that may supplement or in part even replace established diagnostic procedures for assessment of the heart. MRI perfusion and functional studies were shown to enable determination of direct parameters of regional myocardial vitality. The signal intensities of blood and myocardium served to quantify myocardial perfusion. The spatial resolution allowed for differentiating subendocardial and subepicardial perfusion. Additional stress tests improved the sensitivity of the procedure. Relatively low-grade coronary artery stenoses were identified by the presence of perfusion gaps primarily in subendocardial location. Functional analysis by means of MRI tagging using an artificial grid allowed for differentiating endocardial scar tissue from epicardial vital tissue. Extension, compression, and rotation of the myocardial complex were recorded and analyzed. MSCT and EBCT were compared as radiographic procedures for noninvasive coronary angiography. MSCT was found to be superior to EBCT in terms of image quality defined as vascular contour sharpness determined as the steepness of the increase in CT densities. Assessment of segment identification showed that significantly more segments were visualized by MSCT. The cardiac MRI and CT studies presented here could only be performed in animals because of the radiation exposure involved and to ensure reproducibility of the results. The validity of the different animal models used has been demonstrated in preceding studies. The results of the present animal experiments are in agreement with many of the human data published in the literature.

Die Suche nach einem Zielobjekt in einer komplexen visuellen Szene ist ein alltäglicher Wahrnehmungsvorgang und ein etabliertes experimentelles Paradigma für die Untersuchung selektiver Aufmerksamkeit. Einem klassischen Modell zufolge ist der Suchprozeß seriell: Die Objekte werden nacheinander vom Aufmerksamkeitsfokus selektiert und so für die Identifikation bereitgestellt. Ein Alternativmodell postuliert einen parallelen Suchprozeß, bei dem alle Objekte in der Szene gleichzeitig vom Sehsystem verarbeitet werden. Beide Modelltypen sind gleich gut mit den Resultaten bisheriger Verhaltensexperimente kompatibel. In der vorliegenden Arbeit wurden die neuronalen Grundlagen des Suchprozesses mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) im menschlichen Gehirn untersucht. Es ist bekannt, dass das frontale Augenfeld (FEF) und drei Subregionen (AIPS, PIPS und IPTO) des posterioren parietalen Cortex (PPC) den im seriellen Suchmodell postulierten Teilprozeß der Verschiebung des Aufmerksamkeitsfokus (ohne Augenbewegungen) kontrollieren. In Experiment 1 wurde geprüft, ob diese Regionen auch am Suchprozeß beteiligt sind. Dazu wurde das fMRT-Signal zwischen einer schwierigen Suche nach einer Verknüpfung zweier visueller Merkmale und einer einfachen Suche nach einem einzelnen Merkmal verglichen. Motorische Anforderungen und Reizmuster waren in beiden Bedingungen so ähnlich wie möglich und in Kontrollexperimenten wurde sichergestellt, dass Aktivierungsunterschiede zwischen beiden Bedingungen keine motorischen oder sensorischen Prozesse reflektieren, sondern spezifisch den Prozeß der Verknüpfungssuche. FEF, AIPS, PIPS und IPTO wurden differentiell aktiviert. In Experiment 2 wurde getestet, ob die Beteiligung dieser Areale an der visuellen Suche von der Notwendigkeit einer Merkmalsverknüpfung abhängt. Dazu wurde eine schwierige Merkmalssuche mit der einfachen Merkmalssuche verglichen und kontrolliert, dass auch dieser Vergleich sensorische und motorische Faktoren eliminierte. Differentielle Aktivierungen in diesem Experiment reflektierten nun nicht mehr den Merkmalsverknüpfungsprozeß, sondern allein die höhere Schwierigkeit der Suche. Auch hier fand sich eine differentielle Aktivierung des FEF, AIPS, PIPS und IPTO. Dabei unterschieden sich die Schwierigkeit auf der Verhaltensebene wie auch die differentielle Aktivierung von PIPS auf der neuronalen Ebene nicht zwischen Verknüpfungs- und schwieriger Merkmalssuche. Die Ergebnisse demonstrieren, dass das FEF und drei Subregionen des PPC an der schwierigen visuellen Suche beteiligt sind. Dies ist gut mit der Annahme eines seriellen und nur schwer mit der eines parallelen Suchprozesses vereinbar. Darüber hinaus suggerieren die Befunde, dass der Beitrag des PPC und FEF zur visuellen Suche nicht auf den Prozeß der Merkmalsverknüpfung beschränkt ist, sondern allgemeiner die Anforderung an den Suchprozeß reflektiert. / The search for a target object in a complex visual scene is an all-day process of visual perception and an established experimental paradigm for the study of selective attention. A classical model postulates a serial search process. That is, objects are selected sequentially by the focus of attention and are thereby routed to the identification stage. An alternative model postulates a parallel search process, in which all objects within the scene are processed simultaneously. Both models are equally consistent with the current behavioural data. In this thesis, the neural basis of the search process in the human brain was investigated with functional magnetic resonance imaging (fMRI). The frontal eye field (FEF) and three sub-regions (AIPS, PIPS und IPTO) of the posterior parietal cortex (PPC) are known to control the shifting of the focus of attention in space (without eye movements), which is postulated by the serial model to be an essential sub-process of visual search. Experiment 1 tested whether the same areas are also engaged in the search process. The fMRI signal was compared between a difficult search for a feature conjunction and an easy search for a single feature. Motor requirements and stimuli were as similar as possible across conditions and control experiments demonstrated that activation differences between conditions do not reflect sensory or motor factors, but rather the process of conjunction search. The FEF, AIPS, PIPS, and IPTO were differentially activated. Experiment 2 tested whether the involvement of these areas in visual search depends on the necessity for conjoining features. A difficult feature search was compared with the easy feature search. This comparison also eliminated sensory and motor factors according to control experiments. Differential activations in this experiment did not reflect the feature conjunction process, but only the higher search difficulty. Again, a differential activation of the FEF, AIPS, PIPS, and IPTO was found. The conjunction and the difficult feature search did not differ in their difficulty at the behavioral level as well as in PIPS activation strength at the neural level. The results show that the FEF and three PPC sub-regions contribute to difficult visual search. This is consistent with the assumption of a serial, but much less consistent with the assumption of a parallel, search process. Furthermore the results suggest that the contribution of the PPC and FEF to visual search is not restricted to the feature conjunction process, but more generally reflects the demands on the search process.

Orbitale Erkrankungen stellen für mehrere klinische Fachdisziplinen in Bezug auf Diagnostik und Therapie ein großes Problem dar. Die hochauflösende MRT (HR-MRT) ist in der Lage, eine detailierte Übersicht für die Orbitaanatomie und deren Abnormalitäten zu liefern. Aus diesem Grunde ist diese Studie durchgeführt worden, in der hochauflösenden MRT-Charakteristika von 224 Patienten mit orbitalen Erkrankungen beurteilt worden ist. Die Kriterien der Beurteilung sind: Lokalisation, Größe, Form, Rand, Ausdehnung und Veränderung der Nachbarstrukturen sowie die Signalintensitäten der Erkrankungen. Die Lokalisationskriterien sind sehr nützlich für die Differentialdiagnose orbitaler Erkrankungen der Augenmuskeln, dem extrakonalen und subperiostalen Kompartiment mittels der HR-MRT mit Oberflächenspule. Durch die Zuordnung zu einem Kompartiment kann die Differentialdiagnose grob eingeengt werden. Das subperiostale Kompartiment kann in Sinus, Meningen, orbitalen Knochen und subperiostalen Spaltraum weiter unterteilt werden. Mukozelen und Nasennebenhöhlentumoren sind nur in den Sinus zu finden, sämtliche Keilbeinmeningeome weisen einen Befall der Meningen auf. 83,3% Epidermoide und Dermoide liegen im orbitalen subperiostalen Raum mit einer engen Nachbarschaft zu einer Sutur. Die meisten Muskelbefälle der endokrinen Orbitopathie betreffen den inferioren und medialen geraden Muskel, die Verdickung des Muskelbefalls ist typischerweise nur im Muskelbauch ohne Muskelsehnebefall. Myositiden haben häufiger einen Muskelsehnebefall. Wenn eine Verdickung eines einzelnen Muskels den M. rectus lateralis betrifft, ist die Diagnose einer endokrinen Orbitopathie nicht wahrscheinlich. Rhabdomyosarkome liegen häufig im oberen inneren Quadranten der Orbita. Lymphome liegen meistens im frontalen Anteil des extrakonalen Kompartiment in Nachbarschaft zum Septum orbitale. Für eine weitere Differentialdiagnose sollen die morphologischen Kriterien verwendet werden. Auch die Große, Form und der Rand der orbitalen Erkrankungen können den wichtigen Hinweis zur Differentialdiagnose liefern. Ein reduziertes Muskelvolumen ist bei der Muskelatrophie und dem Trauma mit Muskel Einklemmung gesehen worden. Bei 11 von 128 endokrinen Orbitopathien ist das Volumen normal. Die meiste Erkrankungen gehen mit einer Volumenzunahme einher. Keilbeinmeningeome, Karziome der Nasennebenhöhlen, Rhabdomyosarkome und Lymphome haben große Volumina. Myositis und endokrine Orbitopathie mit Muskelbefall haben meist geringe oder mittlere Volumenzunahmen. Mukozelen, Epidermoid, Dermoid, Metastasen und Hämangiom können in allen Größenstufen gefunden werden. Epidermoide, Dermoide, Mukozelen, Hämangioperizytome, Hämangiome, Rhabdomyosarkome und Metastasen haben meist runde oder elliptische Formen, eine längliche Form wird bei orbitaler Myositis und endokriner Orbitopathie mit Muskelbefall beobachtet. Karzinome der Nasennebenhöhlen, Keilbeinmeningeome, Lymphome, endokrine Orbitopathie mit Fettbefall, Pseudotumoren und Phlegmone zeigen sich unregelmäßige Formen. Epidermoide, Dermoide, Mukozelen, Myositis, endokrine Orbitopathie, Hämangiome und Hämangioperizytome haben meistens einen scharfen Rand. Dagegen weisen Karziome der Nasennebenhöhlen, Lymphome, Keilbeinmeningeome, Rhabdomyosarkome, Metastasen, Pseudotumoren und Phlegmonen undeutliche Ränder auf.Die Verwendung der MRT-Signalintensit?ten zur Diffenrenzierung ist eingeschränkt, weil die meisten Läsionen sehr ähnliche Signalintensitäten zeigen. Es gibt aber einige Läsionen, die aufgrund ihrer Zusammensetzung besondere Signalintensitäten aufweisen, z.B. Blutungen, Melanin (paramagnetisch), Fett, Proteine, Wasser und Nekrosen. Mit einer Kontrastmittelgabe und dem Verhalten des Enhancements kann eine weitere Charakterisierung erfolgen. Bei den Veränderungen der Nachbarstrukturen sind vor allem die Knochenveränderungen am aussagekräftigsten. Epidermoide, Dermoide und Mukozelen sind meist mit Knochendefekten oder Kompressionsveränderungen verbunden, Keilbeinmeningeome stehen eng in Zusammenhang mit Knochenhyperplasien, Nasennebenhöhlenkarzinome sind immer mit Knochendestruktionen verbunden und Frakturen werden nur bei Traumata gesehen. Die raumfordernde Wirkung von Lymphomen ist nicht sichtbar, denn hier zeigt sich eine Diskrepanz zwischen einer oft charakteristischen, ausgedehnten Infiltration und nur einer geringen Verlagerung anderer Orbitastrukturen. Die klinische Krankengeschichte ist auch wesentlich zur Findung der Differentialdiagnose. Alle hier untersuchten Patienten mit Phlegmone und Trauma haben besondere Krankengeschichten. 70% Patienten mit Metastasen haben einen gesicherten Primärtumor in der Krankengeschichte. Alle Patienten mit endokriner Orbitopathie haben in der Anamnese eine Schilddrüsenerkrankung. Von diesen Patienten sind etwa 80% weiblich und 73% zwischen 30 und 60 Jahre alt. Rhabdomyosarkome treten hauptsächlich in der Kindheit auf. Pseudotumoren sprechen schnell und außerordentlich gut auf Steroidtherapien an. Somit kann eine Verbindung von Anamnese und MRT-Bildgebung wertvolle Informationen zur Differentialdiagnose liefern.Zur Differenzierung endokriner Orbitopathie und Myositis ist es nützlich die Lokation des Muskelbefalls (unilateral oder bilateral, Muskelsehne- oder Muskelbauchbefall, Einzelbefall oder Befall mehrerer Muskeln und Bevorzugung bestimmter Muskeln), die Ausdehnung (mit oder ohne Fettbefall), die Verlagerung des Augapfels, MRT-Signalintensitäten und die zeitliche Anamnese zu berücksichtigen. Zur Differenzierung Rhabdomyosarkom und Lymphome sollen das Alter, die Form der Läsionen und der Muskelbefall berücksichtigt werden. Zur Differenzierung zwischen Metastasen und Hämangiome können ihre klinische Krankengeschichte (mit oder ohne frühere Tumoren), der Rand der Läsionen, Muskelbefall und ihr MRT-Signal und das Ausmaß des Enhancements wertvolle Informationen liefern. Die einzige Differenzierungsmöglichkeit zwischen Epidermoid und Dermoid ist die MRT-Signalintensität (fettiger oder wässriger Inhalt der Läsion). Die Lokation ist am wichtigsten für die Differenzierung zwischen Epidermiod und Mukozelen. Für eine Differenzierung zwischen Keilbeinmeningeomen und Masennebenhöhlenkarzinome können ihre Lokationen, ihre Signalintensität, das Kontrasmittelverhalten und Veränderungen der Nachbarstrukturen den wichtigen Hinweis liefern. / The clinical diagnosis of orbital diseases is especially difficult because of the variety of tissues that built up the orbit and present with similar clinical presentation. High-resolution MRI (HR-MRI) has become an important modality for evaluation of the orbital diseases, due to its superb soft tissue resolution, direct multiplanar capability and lack of ionizing radiation. In this study, 224 patients with pathologically identified orbital diseases were evaluated retrospectively. The imaging characteristics of the orbital diseases on HR-MRI with surface coil were assessed. The analyzed criteria were: location, size, shape, margins, extension, adjacent structure, and signal intensity. Locazilation criteria in muscles, extraconal and subperiosteal compartments are very useful in the differential diagnosis of orbital tumors and other disease. If their locations are subdivided into greater detail, the differential diagnosis will be narrowed considerably. For example, the subperiosteal compartment can be subdivided into sinus, meninges, bone and subperiosteal space. Mucocele and carcinoma of nasal sinuses always occur in the nasal sinuses. Sphenoidal meningiomas occur in the meninges, and epidermoid and dermoid are found to 83.3% in the orbital subperiosteal space near the bone sutures and show bony defects or thinning and sclerosis. The most frequently involved muscles in thyroid orbitopathy are the inferior rectus and the medial rectus muscles. Typically, the muscle enlargement involves the muscle belly and spares its tendinous portion. While orbital myositis most frequently involves the lateral rectus muscles in particular the muscles' tendon. When isolated lateral rectus muscle enlargement is present, another etiology rather than thyroid orbitopathy should be considered. Within the extraconal compartment the upper inner quadrant is the most common site of rhabdomyosarcoma. While lymphomas mostly occur in the anterior orbit, posterior to the orbital septum. For further differentiation, morphological criteria can be employed, such as the size, shape, and margin help to make the differential diagnosis. Reduced muscle volume is characteristic in the atrophic muscle. The shortened muscle length occurs in traumas connected with muscle incarcerations. Disease without volume changes may happen in thyroid orbitopathy with the involvement of the muscle or the fat tissue. All the other diseases have a enlarged volume of lesion. The size of Sphenoidal meningioma, carcinoma of nasal sinuses, lymphoma and rhabdomyosarcoma is greatly enlarged. While the size-distribution of mucoceles, epidermoids and dermoids show no difference. But orbital myositis and thyroid orbitopathy have slight to moderate enlarged volume of involved muscles. Concerning the pathology shape mucoceles, dermoids, epidermoids, haemangiomas, and metastases are round or elliptical. The orbital myositis and thyroid orbitopathy with muscle involvement show long shapes. Lymphomas and the thyroid orbitopathy with fat tissue involvement have mostly irregular shapes. The poor-defined margin is often seen in malignant lesions, infections or inflammations, such as a paranasal carcinomas, lymphomas, rhabdomyosarcomas, pseudotumors and phlegmon. While the sharp delineation suggests a benign process, such as a mucocele, dermoid, epidermoid, haemangioma, thyroid orbitopathy and myositis. The use of MRI signal intensity for a differential criterion may be limited, because most diseases have the same signal intensity on MR imaging. Thus it seems to be that signal intensity patterns are usually not specific for the differentiating of diagnose. However, MRI may have some specificity for certain lesions based on signal intensity patterns, especially in those containing hemorrhage, paramagnetic melamin, fat, protein, water, enlarged vessels, and necrosis. With contrast enhancement MRI further contributes to the characterization of various types of lesions within the orbit. It can be made a definitive diagnosis for the dermoid (contains fat), cholesterolcyste, meningioma, lymphangioma (contain hemorrhage), haemangioma, metastasis of melanoma, thyroid orbitopathy with active edema and chronic fibrosis, hematoma and emphysema due to a trauma. Another criterium is the adjacent structure changes. Out of them, the bone changes are very important. Epidermoid, dermoid, and mucocele are often accompanied by bone defects or pressure changes. The sphenoidal meningioma is frequently accompanied by bone hyperplasia. Bone fractures are seen in traumas. Malignant tumors are almost associated with bone destruction when they involve the orbit, e.g., the carcinoma of the nasal sinuses. The effect of occupying space in lymphomas causes mismatch with the size, which often has greater volume. It mostly infiltrates tissue, but it seldom produces mechanical shift to adjacent structures. Clinical history is essential and occasionally it provides a clue that alters the boundary of differential diagnoses and redirects the investigation toward possibilities that had not been previously entertained. Patients with metastases have a definite primary tumor history to 70%. The knowledge of previous malignancy is important for the diagnoses of orbital metastasis. All the patients with thyroid orbitopathy, phlegmon, pseudotumor and trauma have also special clinical histories or symptoms. The rhabdomyosarcoma and capillary hemangioma are the most common orbital tumors in children, while the cavernous hemangioma is the most common orbital vascular tumor in adults. Thyroid orbitopathy occurs with highest prevalence in females with middle age. Orbital pseudotumors usually show a dramatic resolution under steroid therapy. In fact, its final diagnosis is often based on response to steroids. When combined with clinical history and examination, radiologic imaging can provide valuable information regarding the diagnosis and differential diagnoses. For the differentiation of the thyroid orbitopathy and myositis it is useful to take their locations (unilateral or bilateral, tendon involvement or not, single or multiple muscles involvement, and which muscles involvement), sizes, extensions (with or without fat-infiltration), and MRI signal intensities into account; For the differentiation of rhabdomyosarcomas and lymphomas clinical history (ages), the shape of the lesions, and the adjacent structure changes (muscles infiltration) are of diagnostic interest. Clinical history (with or without previous malignancy), the margin of the lesion, their adjacent structure changes (muscles infiltration), and MRI signal intensities help to discriminate between metastases and hemangiomas. The only difference between epidermoid and dermoid is their MRI signal intensities (with or without fat). Location is important to differentiate the epidermiod and mucocele. Locations, adjacent structure changes and MRI signal intensities can provide valuable information to distinguish between sphenoidal meningioma and carcinoma of nasal sinuses. The different shape, margin, adjacent structure change, and MRI signal intensity between the carcinoma of nasal sinuses and mucocele are of diagnostic help.

A number of studies have concluded that cognitive control is not fully established until late adolescence. The precise differences in brain function between adults and adolescents with respect to cognitive control, however, remain unclear. To address this issue, we conducted a study in which 185 adolescents (mean age (SD) 14.6 (0.3) years) and 28 adults (mean age (SD) 25.2 (6.3) years) performed a single task that included both a stimulus-response (S-R) interference component and a task-switching component. Behavioural responses (i.e. reaction time, RT; error rate, ER) and brain activity during correct, error and post-error trials, detected by functional magnetic resonance imaging (fMRI), were measured. Behaviourally, RT and ER were significantly higher in incongruent than in congruent trials and in switch than in repeat trials. The two groups did not differ in RT during correct trials, but adolescents had a significantly higher ER than adults. In line with similar RTs, brain responses during correct trials did not differ between groups, indicating that adolescents and adults engage the same cognitive control network to successfully overcome S-R interference or task switches. Interestingly, adolescents with stronger brain activation in the bilateral insulae during error trials and in fronto-parietal regions of the cognitive control network during post-error trials did have lower ERs. This indicates that those mid-adolescents who commit fewer errors are better at monitoring their performance, and after detecting errors are more capable of flexibly allocating further cognitive control resources. Although we did not detect a convincing neural correlate of the observed behavioural differences between adolescents and adults, the revealed interindividual differences in adolescents might at least in part be due to brain development.

Theory of Mind (ToM) is the ability to infer others’ mental states and thus to predict their behavior (Perner, 1991). Therefore, ToM is essential for the adequate adjustment of behavior in social situations. ToM can be divided into: 1) cognitive ToM encompassing inferences about intentions and beliefs and 2) affective ToM encompassing inferences about emotions (Shamay-Tsoory, Harari, Aharon-Peretz, & Levkovitz, 2010). Well-functioning skills of both ToM aspects are much-needed in the developmental period of adolescence because in this age phase peer relationships become more important and romantic relationships arise (Steinberg & Morris, 2001). Importantly, affective psychopathological disorders often have their onset in adolescence. ToM development in adolescence might be based on underlying cognitive mechanisms such as the ability to inhibit one’s own thoughts in order to understand another person’s thoughts (Carlson & Moses, 2001). Another possible mechanism relates to functional brain development across adolescence (Blakemore, 2008). Therefore, neurocognitive mechanisms may underlie ongoing ToM development in adolescence. First studies indicate an ongoing behavioral and functional brain development of ToM (e.g. Blakemore, 2008). However, ToM development in adolescence and how this might relate to underlying (neuro)cognitive functions remains largely underexamined. The major aims of the current thesis were first to answer the overall question whether there is an ongoing development of ToM in adolescence. This question relates to both behavioral and functional brain development. As a second major aim, the present work sought to elucidate possible (neuro)cognitive mechanisms of ongoing ToM development across adolescence. Specifically, these cognitive mechanisms might be basic cognitive functions as well as executive functions. Additionally, the present work aimed at exploring potential (neuro)cognitive mechanisms through an integration of both behavioral and functional brain studies. The current experimental work spans three cross-sectional studies investigating adolescents (aged around 12-15 years) and young adults (aged around 18-22 years) to examine for the first time both the behavioral (studies I and II) and functional brain development of ToM (study III) in adolescence and its underlying (neuro)cognitive mechanisms. In all three studies, more complex, advanced ToM tasks were employed to avoid ceiling effects. Study I was aimed at investigating if cognitive and affective ToM continues to develop in adolescence and at exploring if basic cognitive variables such as verbal ability, speed of processing, and working memory capacity underlie such development. Hence, two groups of adolescents and young adults completed tasks of ToM and basic cognitive abilities. Large age effects were revealed on both measures of ToM: adolescents performed lower than adults. These age differences remained significant after controlling for basic cognitive variables. However, verbal ability covaried with performance in affective ToM. Overall, results support the hypothesis of an ongoing development of ToM from adolescence to adulthood on both cognitive and affective aspects. Results may further indicate verbal ability being a basic cognitive mechanism of affective ToM. Study II was designed to further explore if affective ToM, as measured with a dynamic realistic task, continues to develop across adolescence. Importantly, this study sought to explore executive functions as higher cognitive mechanisms of developing affective ToM across adolescence. A large group spanning adolescents and young adults evaluated affective mental states depicted by actors in video clips. Additionally, participants were examined with three subcomponents of executive functions, inhibition, updating, and shifting following the classification of Miyake et al. (2000). Affective ToM performance was positively related to age and all three executive functions. Specifically, inhibition explained the largest amount of variance in age related differences of affective ToM performance. Overall, these results indicate the importance of inhibition as key underlying mechanism of developing an advanced affective ToM in adolescence. Study III set out to explore the functional brain development of affective ToM in adolescence by using functional magnetic resonance imaging (fMRI). The affective ToM measure was the behavioral developmentally sensitive task from study II. An additional control condition consisted of the same emotional stimuli with the instruction to focus on physical information. This study faced methodical challenges of developmental fMRI studies by matching performance of groups. The ventromedial prefrontal cortex (vMPFC) was significantly less deactivated in adolescents in comparison to adults, which might suggest that adolescents seem to rely more on self-referential processes for affective ToM. Furthermore, adolescents compared to adults showed greater activation in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) in the control condition, indicating that adolescents might be distracted by the emotional content and therefore needed to focus more on the physical content of the stimulus. These findings suggest affective ToM continues to develop on the functional brain level and reveals different underlying neurocognitive strategies for adolescents in contrast to adults. In summary, the current thesis investigated whether ToM continues to develop in adolescence until young adulthood and explored underlying (neuro)cognitive mechanisms. Findings suggest that there is indeed an ongoing development of both the cognitive and affective aspect of ToM, which importantly contributes to the conceptual debate. Moreover, the second benefit to the debate is to demonstrate how this change may occur. As a basic cognitive mechanism verbal ability and as an executive functioning mechanism inhibition was revealed. Furthermore, neurocognitive mechanisms in form of different underlying neurocognitive strategies of adolescents compared to adults were shown. Taken together, ToM development in adolescence seems to mirror a different adaptive cognitive style in adolescence (Crone & Dahl, 2012). This seems to be important for solving the wealth of socio-emotional developmental tasks that are relevant for this age span.