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Neuroradiologie Teil der Kopfklinik
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AG Translational Modelling

Die Arbeitsgruppe Translational Modelling beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden und Modellen zur Quantifizierung funktioneller und struktureller Veränderungen von Gefäßen und Nervengewebe und deren Extrapolation und Einbindung in die klinische Routine. Dabei werden neue MR-Techniken wie das Vessel Architectural Imaging, das Arterial Spin Labeling, Relaxometrie und Mapping-Techniken bei 3 Tesla, 7 Tesla und 9.4 Tesla, sowie in Kooperation mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum hochaufgelöste Multiphotonen-Mikroskopie und Lichtscheibenfluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Die daraus erfolgende quantitative Charakterisierung von Gefäßnetzwerken und Nervengewebe dient als Grundlage für die Entwicklung von funktionellen Simulationen, welche die Veränderungen des MR Signals unter wechselnden physiologischen Bedingungen untersuchen. Die Arbeitsgruppe verbindet damit translational MR-physikalische Grundlagen, statistische Bildverarbeitung, präklinische Krankheitsmodelle und klinische Anwendung.

Gefäßnetzwerk-Quantifizierung im Mausmodell. (a) Schematische Darstellung des experimentellen Verfahrens, einschließlich Injektion von Tumorzellen und fluoreszierenden Markern, Gehirnresektion und -reinigung mit Fotografien vor und nach „Clearing“ (Reinigung) des Hirngewebes mit cm-Skala. Das resultierende Hirn wird mit Selective Plane Illumination Microscropy (SPIM) untersucht. In der zweiten Zeile wird rechts ein Originalbild eines Stapels eines gesunden Mausgehirns dargestellt, links davon deren binäre Segmentierungsüberlagerung in Rot. Unterhalb des Gehirnsegmentierungsbildes ist eine durchschnittliche Intensitätsprojektion von einem 200 μm dicken Abschnitt eines segmentierten, rauschgefilterten Bildstapels eines U87-Glioblastoms gezeigt. Das rechte Bild zeigt das Skelett des nebenstehenden Gefäßbildes in Rot. Die vaskulären Netzwerkquantifizierungen dieser nachverarbeiteten Daten sind in der letzten Zeile dargestellt. Die Beurteilung der Gefäßmorphologie wird in einem Würfel mit einer Seitenlänge von 130 μm verdeutlicht, in dem ein Radiuswert r, eine Länge l und ein Endpunktabstand d sowie eine Segmentoberfläche A angegeben sind. Mit Hilfe des Gefäßskeletts wird die Netzwerktopologie untersucht, die durch ein Cluster-Diagramm veranschaulicht wird, das die räumliche Verteilung von Gefäßgemeinschaften in einem U87-Glioblastom darstellt. Aus den geometrischen Quantifizierungen werden relative Häufigkeitsverteilungen von fraktioniertem Gefäßvolumen, mikrovaskulärer Dichte und Verteilungen geometrischer Eigenschaften aller einzelnen Gefäßsegmente wie Gefäßradius, Segmentlänge, Gefäßoberfläche und Segment-Tortuosität extrahiert. Für weitere Details siehe Hahn A et al., Scientific Reports 2019.
Schematisches Diagramm der numerischen Verarbeitung von maskierten, segmentierten Ultramikroskopie-Datensätzen der 3D-Gefäßstruktur (linkes Bild). Jede Volumenpartition, die innerhalb der (gelb gestrichelten) Maske liegt, wurde als virtuelles NMR-Voxel modelliert. Nach einer Bestimmung der durch Blutgefäße induzierten Frequenzverteilung außerhalb der Resonanz innerhalb des virtuellen Voxels (farbcodiert in einem 2D-Schnitt durch ein kubisches Voxel mit 100 μm Seitenlänge; drittes Bild) wurde das extravaskuläre Wasserprotonensignal unter FID-Bedingungen numerisch simuliert . Der Magnetisierungsabfall, der für die Spin-Dephasierung verantwortlich ist, wurde unter Verwendung verschiedener Anpassungsfunktionen und einer Unterscheidung zwischen kurz- und langzeitigem Abfall parametrisiert. Für Einzelheiten, siehe Hahn et al., NMR Biomed 2020.
Darstellung des tibialen und peronealen Anteils des N. Ischiadicus auf Höhe des Oberschenkels eines gesunden Probanden (a,b) und eines Patienten mit einer schweren diabetischen Polyneuropathie. In der T2-gewichteten Bildgebung des gesunden Probanden (a) sind die Nervenanteile hyperintens dargestellt, in der korrespondieren Karte der fraktionellen Anisotropie (FA; b) zeigen sich hohe FA-Werte. Der Patient mit schwerer Polyneuropathie hingegen zeigt einen Verlust an gesunden Nervenfasern mit hypointensen Anteilen in der T2-Wichtung (c) und niedrigen FA-Werten (d).
VAI-Parameter bei einem Patienten mit Glioblastoma multiforme. (a) Kontrastmittel-gestützte T1w-Bildgebung mit Kontrastmittel-aufnehmenden Tumoranteilen in der rechten Hirnhemisphäre. (b) FLAIR-Bildgebung desselben Tumors mit deutlich hyperintensen Veränderungen in und um das Tumorareal. (c) Karte des cerebralen Blutvolumens mit erhöhtem Blutvolumen im Kontrastmittel-affinen Tumorareal. Folgende VAI-Karten werden gezeigt: (d) Slope length, (e) Slope, (f) Short axis, (g) Distance map, (h) microvessel type indicator, (i) vascular-induced bolus peak-time shift, (j) Vessel size index, (k) Q als Maß der mikrovaskulären Dichte. Weitere Details siehe Zhang et al., Plos One 2019.
Nervenfaser-Trakte des N. ischiadicus aus der Diffusionstensor-Bildgebung mit vergrößerten Ansichten. (a) Weibliche Probandin, 67 Jahre, Neuropathie-Behinderungs-Score (NDS; neuropathy disability score) = 0. (b) Weiblicher Prädiabetes-Patient, 57 Jahre, NDS = 3. (c) Männlicher Typ-2-Diabetes-Patient, 58 Jahre, NDS = 7. Einzelheiten siehe Jende et al., Front Neurosci 2021.
  • Diffusions-Effekte in der MR-Bildgebung
  • Gefäßnetzwerk-Architektur und –Topologie
  • Mikrostruktur-Parameter
  • Quantitatives MR peripherer Nerven
  • Machine-Learning
  • Statistische Modellierung

Leitung

Team

Portrait von Prof. Dr. rer. Nat. Dipl.-Phys. Sabine Heiland

Prof. Dr. rer. Nat. Dipl.-Phys. Sabine Heiland

Sektionsleiterin (Neuroradiologie)


Prof. Dr. med. Dr. rer. nat. Felix Kurz


Artur Hahn

PhD student (Neuroradiologie)

M.Sc. (Doktorand Fakultät für Physik und Astronomie, Universität Heidelberg)
Dr. rer. nat.


Portrait Christoph Mooshage

Dr. med. Christoph Mooshage

Assistenzarzt (Neuroradiologie)

MHBA


Portrait von Dr. med. Anja Hohmann
Dr. med. Anja Hohmann

Assistenzärztin (Neurologie und Poliklinik)

Schwerpunkt

zur Zeit in Rotation aus der Neurologischen Klinik


Zum Profil

Yannis Seemann

Masterstudent (Neuroradiologie)

(Student – Master)


Myriam Keymling

Medizinstudentin (Neuroradiologie)

(cand. med.)


Dr. rer. nat. Volker Sturm


  • Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Heidelberg (AG Experimentelle Neuroonkologie, AG Functional Imaging, Pädiatrische Neuroonkologie, AG Präklinische Bildgebung )
  • Forschungszentrum Jülich (Institute of Neuroscience and Medicine)
  • Universitätsklinikum Würzburg (Institut für Neuroradiologie)
  • Inselspital Bern, Schweiz
  • Johns Hopkins Hospital, Baltimore, USA
  • National Institute on Ageing, National Institutes of Health, Bethesda, USA
  • MassGeneral Hospital / Harvard Medical School, Boston, USA
  • Abteilung für Radiologie, Universitätsklinikum Heidelberg
  • Abteilung für Endokrinologie, Universitätsklinikum Heidelberg
  • Abteilung für Paraplegiologie, Universitätsklinikum Heidelberg
  • Neurologie und Poliklinik, Universitätsklinikum Heidelberg
  • 2021 Silvia King Preis der Deutschen Diabetes Gesellschaft
  • Exzellenz-Stipendium der Else Kröner-Fresenius-Stiftung
  • International Foundation for Research in Paraplegia – Research Grant
  • DFG Grant KU 3555/1-1
  • SFB 1158 A03
  • 2018 Preis der Diffusion Study Group der International Society of Magnetic Resonance in Medicine
  • 2018 Posterpreis der Deutschen Schmerzgesellschaft
  • 2017 Best Selected Lecture in der Sektion “Neurodegeneration“ der Deutschen Gesellschaft für Neuroradiologie
  • 2014 Physician Scientist Fellowship der Medizinischen Fakultät Heidelberg
  • 2014 Hoffmann-Klose-Stiftung Forschungsförderung
  • 2014 Best Selected Lecture in der Sektion “Multimodal imaging concepts” der Deutschen Gesellschaft für Neuroradiologie
  • Characterization and quantification of alcohol-related polyneuropathy by magnetic resonance neurography. Rother C, Bumb JM, Weiler M, Brault A, Sam G, Hayes JM, Pietsch A, Karimian-Jazi K, Jende JME, Heiland S, Kiefer F, Bendszus M, Kollmer J. Eur J Neurol. 2022 Feb;29(2):573-582. doi: 10.1111/ene.15127. Epub 2021 Oct 11.
     
  • Diametrical Effects of Glucose Levels on Microvascular Permeability of Peripheral Nerves in Patients With Type 2 Diabetes With and Without Diabetic Neuropathy. Mooshage, C.M., Schimpfle, L., Kender, Z., Szendroedi, J., Heiland, S., Nawroth, P., Bendszus, M., Kopf, S., Kurz, F.T., Jende, J.M.E., 2023. Diabetes 72, 290–298. https://doi.org/10.2337/db22-0548
     
  • Sciatic nerve microvascular permeability in type 2 diabetes decreased in patients with neuropathy. Jende JME, Mooshage C, Kender Z, Schimpfle L, Juerchott A, Heiland S, Nawroth P, Bendszus M, Kopf S, Kurz FT. Ann Clin Transl Neurol. 2022 Jun;9(6):830-840. doi: 10.1002/acn3.51563. Epub 2022 Apr 30.
     
  • Methodologies and MR Parameters in Quantitative Magnetic Resonance Neurography: A Scoping Review Protocol. Balsiger F, Wagner B, Jende JME, Marty B, Bendszus M, Scheidegger O, Kurz FT. Methods Protoc. 2022 May 6;5(3):39. doi: 10.3390/mps5030039.
     
  • High-Resolution Single Tooth MRI With an Inductively Coupled Intraoral Coil-Can MRI Compete With CBCT? Hilgenfeld T, Saleem MA, Schwindling FS, Ludwig U, Hövener JB, Bock M, Flügge T, Eisenbeiss AK, Nittka M, Mente J, Jende JME, Heiland S, Bendszus M, Juerchott A. Invest Radiol. 2022 Nov 1;57(11):720-727. doi: 10.1097/RLI.0000000000000890. Epub 2022 May 25.
     
  • Diabetic neuropathy is a generalized phenomenon with impact on hand functional performance and quality of life. Kender Z, Groener JB, Jende JME, Kurz FT, Fleming T, Sulaj A, Schuh-Hofer S, Treede RD, Bendszus M, Szendroedi J, Nawroth PP, Kopf S. Eur J Neurol. 2022 Oct;29(10):3081-3091. doi: 10.1111/ene.15446. Epub 2022 Jun 29.
     
  • Magnetic Resonance Neurography Reveals Smoking-Associated Decrease in Sciatic Nerve Structural Integrity in Type 2 Diabetes. Jende JME, Mooshage C, Kender Z, Kopf S, Groener JB, Heiland S, Juerchott A, Nawroth P, Bendszus M, Kurz FT. Front Neurosci. 2022 Feb 15;15:811085. doi: 10.3389/fnins.2021.811085. eCollection 2021.
     
  • Brain tumor classification of virtual NMR voxels based on realistic blood vessel-induced spin dephasing using support vector machines. Hahn A, Bode J, Schuhegger S, Krüwel T, Sturm VJF, Zhang K, Jende JME, Tews B, Heiland S, Bendszus M, Breckwoldt MO, Ziener CH, Kurz FT. NMR Biomed. 2022 Apr;35(4):e4307. doi: 10.1002/nbm.4307. Epub 2020 Apr 14.
     
  • Troponin T Is Negatively Associated With 3 Tesla Magnetic Resonance Peripheral Nerve Perfusion in Type 2 Diabetes. Jende JME, Mooshage C, Kender Z, Schimpfle L, Juerchott A, Nawroth P, Heiland S, Bendszus M, Kopf S, Kurz FT. Front Endocrinol (Lausanne). 2022 May 10;13:839774. doi: 10.3389/fendo.2022.839774. eCollection 2022.
     
  • Quantification and Proximal-to-Distal Distribution Pattern of Tibial Nerve Lesions in Relapsing-Remitting Multiple Sclerosis : Assessment by MR Neurography. Pietsch AM, Viehöver A, Diem R, Weiler M, Korporal-Kuhnke M, Wildemann B, Sam G, Hayes JM, Fösleitner O, Jende JME, Heiland S, Bendszus M, Hayes JC. Clin Neuroradiol. 2022 Oct 20. doi: 10.1007/s00062-022-01219-1. Online ahead of print.
  • Dependence of the frequency distribution around a sphere on the voxel orientation. Kurz FT, Buschle LR, Rotkopf LT, Herzog FS, Sterzik A, Schlemmer HP, Kampf T, Bendszus M, Heiland S, Ziener CH. Z Med Phys. 2021;
     
  • Tumor cell plasticity, heterogeneity and resistance in crucial microenvironmental niches in glioma. Jung E, Osswald M, Ratliff M, Dogan H, Xie R, Weil S, Hoffmann D, Kurz FT, Kessler T, Heiland S, Deimling A, Sahm F, Wick W, Winkler F. Nat Comm. 2021;12(1):1014. Doi: 10.1038/s41467-021-21117-3
     
  • Efficient discretization scheme for semi-analytical solutions of the Bloch-Torrey equation. Rotkopf LT, Wehrse E, Kurz FT, Schlemmer HP, Ziener CH. J Magn Reson Open. 2021;6-7: 100010. doi: 10.1016/j.jmro.2021.10001
     
  • Lineshape of magnetic resonance and its effects on free induction decay and steady state free precession signal formation. Ziener CH, Uhrig M, Kampf T, Sturm VJF, Kurz FT, Heiland S, Bendszus M, Pham M, Jakob PM, Schlemmer HP, Buschle LR. Concepts Magn Reson Part A (2020), 5057386. doi: 10.1155/2020/5057386
     
  • Diabetic Polyneuropathy Is Associated With Pathomorphological Changes in Human Dorsal Root Ganglia: A Study Using 3T MR Neurography. Jende JME, Kender Z, Rother C, Alvarez-Ramos L, Groener JB, Pham M, Morgenstern J, Oikonomou D, Hahn A, Juerchott A, Kollmer J, Heiland S, Kopf S, Nawroth PP, Bendszus M, Kurz FT. Front Neurosci. 2020;14:570744. doi: 10.3389/fnins.2020.570744.
     
  • Large-scale characterization of the microvascular geometry in development and disease by tissue clearing and quantitative ultramicroscopy. Hahn A, Bode J, Alexander A, Karimian-Jazi K, Schregel K, Schwarz D, Sommerkamp AC, Krüwel T, Abdollahi A, Wick W, Platten M, Bendszus M, Tews B, Kurz FT, Breckwoldt MO.J Cereb Blood Flow Metab. 2020:271678X20961854. doi: 10.1177/0271678X20961854. Online ahead of print.
     
  • Comparison of non-contrast-enhanced dental magnetic resonance imaging and cone-beam computed tomography in assessing the horizontal and vertical components of furcation defects in maxillary molars: An in vivo feasibility study. Juerchott A, Sohani M, Schwindling FS, Jende JME, Kurz FT, Rammelsberg P, Heiland S, Bendszus M, Hilgenfeld T.J Clin Periodontol. 2020;47(12):1485-1495. doi: 10.1111/jcpe.13374.
     
  • Brain tumor classification of virtual NMR voxels based on realistic blood vessel-induced spin dephasing using support vector machines.Hahn A, Bode J, Schuhegger S, Krüwel T, Sturm VJF, Zhang K, Jende JME, Tews B, Heiland S, Bendszus M, Breckwoldt MO, Ziener CH, Kurz FT. NMR Biomed. 2020:e4307. doi: 10.1002/nbm.4307.
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