Stereotaktische Referenzrahmen und Atlanten

Stereotaktische Referenzrahmen weisen jedem Punkt im Körper eine numerische Koordinate innerhalb eines gemeinsamen, standardisierten Raums zu, sodass ein Ort nicht nur durch eine Beschreibung, sondern auch durch Zahlen benannt werden kann. In Verbindung mit anatomischen Atlanten ermöglichen sie es, Bilder von verschiedenen Personen und Studien in einen gemeinsamen Rahmen zu registrieren und zu vergleichen, und sie bilden die Grundlage für die koordinatengestützte Lokalisation im Gehirn.

Definition

Ein stereotaktischer Referenzrahmen ist ein definiertes dreidimensionales Koordinatensystem, das an festen anatomischen Merkmalen verankert ist und in dem jeder Punkt durch numerische Koordinaten spezifiziert werden kann; ein zugehöriger Atlas ordnet diese Koordinaten benannten anatomischen Strukturen oder einer Wahrscheinlichkeit der Zugehörigkeit zu diesen zu.

Scope

Dieses Thema behandelt die Koordinatensysteme und standardisierten Atlanten, die verwendet werden, um der Bildgebung einen gemeinsamen Referenzrahmen zu geben: das proportionale Talairach-System, die populationsbasierten MNI/ICBM-Templates, die Registrierungsmethoden, die ein individuelles Bild in einen Standardraum verzerren, und die atlasbasierte Beschriftung von Orten. Es behandelt diese als methodische und Referenzwerkzeuge. Es handelt sich nicht um eine Verfahrensanleitung und enthält keine Behandlungs- oder Geräteanweisungen.

Core questions

• Wie wird ein standardisiertes Koordinatensystem an die Anatomie verankert, damit Koordinaten reproduzierbar sind?
• Wie wird ein individuelles Bild in einen Standardreferenzraum registriert (verzerrt)?
• Wie stellt ein probabilistischer Atlas die Populationsvariabilität und nicht ein einzelnes Gehirn dar?
• Wie werden numerische Koordinaten wieder auf benannte anatomische Bezeichnungen abgebildet?

Key concepts

• AC-PC-Linie und Ursprung
• Talairach-Raum
• MNI / ICBM-Templates
• Intersubjekt-Registrierung und räumliche Normalisierung
• Probabilistische vs. Einzel-Subjekt-Atlanten
• Atlasbasierte anatomische Beschriftung
• Altersgerechte Templates

Key theories

Proportionales (Talairach) Koordinatensystem

Talairach und Tournoux verankerten ein Koordinatengitter an der Commissura anterior und posterior und skalierten das Gehirn proportional zu einem Begrenzungsrahmen, sodass jeder Punkt numerische Koordinaten erhalten und einem Atlas-Slice zugeordnet werden konnte. Dieses proportionale Schema etablierte die Idee eines gemeinsamen stereotaktischen Raums für das Gehirn.

Probabilistischer Atlas / Referenzsystem

Anstatt eines einzelnen Exemplars erstellt der ICBM-Ansatz einen Koordinatenraum aus vielen registrierten Gehirnen und zeichnet an jedem Ort die Wahrscheinlichkeit der Zugehörigkeit zu einer bestimmten Struktur oder einem Gewebe auf, wodurch die Populationsvariabilität innerhalb des Referenzrahmens selbst dargestellt wird.

Mechanisms

Ein Referenzrahmen fixiert zunächst einen Ursprung und Achsen an stabilen internen Landmarken (klassischerweise die Commissura anterior und posterior und die Midsagittalebene). Ein individuelles Bild wird dann durch eine geschätzte Transformation, die es mit dem Standardraum ausrichtet, an ein Template registriert, wonach jedes Voxel Standardkoordinaten trägt. Einzel-Subjekt-Atlanten (wie der von Talairach) ordnen diese Koordinaten einem beschrifteten Gehirn zu, während probabilistische Atlanten, die aus vielen Subjekten erstellt wurden (der ICBM-Ansatz), stattdessen die Wahrscheinlichkeit angeben, dass eine Koordinate zu einer bestimmten Struktur gehört, und automatisierte Parzellierungen anatomische Bezeichnungen an Koordinaten im Template-Raum anfügen. Populationstemplates können altersgerecht erstellt werden, sodass die Registrierung nicht auf einen Erwachsenendurchschnitt ausgerichtet ist.

Clinical relevance

Gemeinsame Koordinatenrahmen ermöglichen es, Befunde durch reproduzierbare Zahlen zu lokalisieren, über Personen und Studien hinweg zu vergleichen und automatisch anhand eines Atlas zu beschriften. Sie sind grundlegend für die Analyse von Neuroimaging-Gruppen und für die koordinatenbasierte Lokalisation im Gehirn. Dieser Eintrag beschreibt den Referenz- und Analyse-Rahmen; er gibt keine Anweisungen für individuelle Ziel-, chirurgische oder Behandlungsverfahren.

Evidence & guidelines

Das Feld basiert eher auf methodischen Referenzwerken und validierten Registrierungsmethoden als auf klinischen Studien: der proportionale Talairach-Atlas, ICBM-probabilistische Templates, automatische Intersubjekt-Registrierung, atlasbasierte Parzellierung und altersgerechte Template-Konstruktion. Eine wiederkehrende Warnung in dieser Literatur ist, dass das Talairach-Einzelgehirn und das MNI-Populationstemplate nicht identisch sind, sodass Koordinaten ohne explizite Umrechnung nicht austauschbar sind.

History

Stereotaktische Koordinaten wurden Anfang des 20. Jahrhunderts in die Neurochirurgie eingeführt und durch den proportionalen Atlas von Talairach und Tournoux aus dem Jahr 1988 in die Bildgebung übertragen, der ein reproduzierbares, an den Kommissuren verankertes Gitter definierte. Die Einschränkungen eines einzelnen Exemplars veranlassten das Montreal Neurological Institute und das International Consortium for Brain Mapping, in den 1990er und 2000er Jahren Populationstemplates und probabilistische Atlanten zu erstellen, und die automatisierte Registrierung und Parzellierung machten die koordinatenbasierte Analyse dann zur Routine.

Debates

Talairach- versus MNI-Koordinaten

Der Talairach-Raum ist auf einem einzelnen postmortalen Gehirn definiert, während der MNI/ICBM-Raum ein Durchschnitt vieler lebender Gehirne ist, sodass identische numerische Koordinaten nicht auf dieselbe Anatomie in beiden verweisen; Orte müssen umgerechnet und nicht als äquivalent angenommen werden, was zu anhaltender Verwirrung bei der Berichterstattung geführt hat.

Key figures

• Jean Talairach
• Pierre Tournoux
• Alan Evans
• John Mazziotta
• D. Louis Collins

Seminal works

• talairach-tournoux-1988
• mazziotta-2001
• collins-1994
• evans-2012

Frequently asked questions

Was ist die AC-PC-Linie und warum ist sie wichtig?

Die AC-PC-Linie verbindet die Commissura anterior und posterior und fixiert zusammen mit der Midsagittalebene den Ursprung und die Ausrichtung des klassischen stereotaktischen Rahmens. Die Verankerung von Koordinaten an diesen stabilen internen Landmarken macht das Koordinatensystem über Personen hinweg reproduzierbar.

Sind Talairach- und MNI-Koordinaten dasselbe?

Nein. Der Talairach-Raum basiert auf einem einzelnen Gehirn, während der MNI/ICBM-Raum aus vielen gemittelten Gehirnen erstellt wird, sodass dieselbe numerische Koordinate leicht unterschiedlicher Anatomie entsprechen kann. Koordinaten sollten explizit zwischen den beiden umgerechnet und nicht als austauschbar behandelt werden.