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Theorie und Simulation

Zwei unterschiedliche Simulationsansätze werden verfolgt, um die Wechselwirkung zwischen Licht und Hirngewebe besser zu verstehen und daraus Konzepte zu entwickeln, wie die Messung und Signalanalyse von “3D Polarized Light Imaging” (3D-PLI) verbessert werden können: Ein Ansatz basiert auf linearer Optik (Abb. Mitte), der andere verwendet die Theorie der Elektrodynamik (Abb. rechts). Für die Simulationen werden Nervenfasermodelle (Abb. links) generiert, die die Faserbahnarchitektur im Gehirn widerspiegeln. Die Simulationen werden auf Superrechnern in Kooperation mit dem Jülich Supercomputing Centre (JSC) durchgeführt.

Nervenfasermodell und SimulationsmethodenCopyright: Adaptiert von Menzel et al., Lecture Notes in Computer Science 10087, 73-85 (2016)

Matrix Calculus (Lineare Optik)

Der auf linearer Optik basierende Ansatz modelliert die Doppelbrechung der Nervenfasern als Aneinanderreihung von Matrizen. Die Simulationen reproduzieren das gesamte Messverfahren von 3D-PLI: ausgehend vom Modell (synthetische Faserkonstellation) bis hin zum fertigen Bild (Faserorientierungskarte). Indem die Faserorientierungen des Simulationsmodells (Abb. Mitte) mit Ergebnissen aus der 3D-PLI Messung (Abb. links) verglichen werden, können Fehlinterpretationen bei der Faserrekonstruktion identifiziert werden.

3D-PLI Messung und Simulation (lineare Optik) einer SehnervkreuzungCopyright: Adaptiert von Dohmen et al., NeuroImage 111, 464-475 (2015).

Maxwell Solver (Elektrodynamik)

Beim elektrodynamischen Simulationsansatz wird die Ausbreitung des Lichts durch Lösen der Maxwell Gleichungen berechnet, die Licht als elektromagnetische Welle beschreiben. So können komplexe Wechselwirkungen von Licht und Gewebe untersucht werden, wie Streuung und Interferenz. Dies ermöglicht es z.B. die Intensität von Licht zu untersuchen, das durch einen Gehirnschnitt transmittiert wird (s. Abb.): Simulationen zeigen, dass Regionen (cc) mit flach verlaufenden Nervenfasern (α = 0°) weniger streuen und daher mehr Licht durchlassen als Regionen (cg) mit steil verlaufenden Nervenfasern (α = 70°).

Durchlichtmikroskopie-Bild und simulierte Streubilder für Regionen mit flachen und steilen NervenfaserbündelnCopyright: Miriam Menzel, Forschungszentrum Jülich GmbH