Finite-difference time-domain simulations assisting to reconstruct the brain's nerve fiber architecture by 3D polarized light imaging

Menzel, Miriam; Amunts, Katrin; Weßel, Stefan; Michielsen, Kristel Francine

doi:37663

Finite-difference time-domain simulations assisting to reconstruct the brain's nerve fiber architecture by 3D polarized light imaging = Finite-Differenzen-Simulationen im Zeitbereich zur verbesserten Rekonstruktion der Nervenfaserarchitektur des Gehirns durch 3D-Bildgebung mit polarisiertem Licht

Menzel, Miriam

2018

VerantwortlichkeitsangabeMiriam Menzel

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2018

Umfangix, 296 S.

ISBN978-3-95806-368-6

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Schlüsseltechnologien ; 188

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Onlineausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Ausgezeichnet mit der Borchers-Plakette.

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Michielsen, Kristel Francine (Thesis advisor)^RWTH* ; Weßel, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Amunts, Katrin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-230974
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/750948/files/750948.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Maxwell equations (frei) ; computational electrodynamics (frei) ; dichroism (frei) ; high-performance computing (frei) ; nerve fiber architecture (frei) ; neuroimaging (frei) ; polarimetry (frei) ; polarization microscopy (frei) ; scattering (frei) ; simulation and modeling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das bildgebende Verfahren "Three-dimensional Polarized Light Imaging" (3D-PLI) rekonstruiert die Nervenfaserarchitektur des Gehirns, indem die Doppelbrechung von histologischen Hirnschnitten mit polarisiertem Licht gemessen wird. Vorausgehende Messungen haben gezeigt, dass die polarisationsunabhängige transmittierte Lichtintensität (Transmittanz) vom Neigungswinkel der Nervenfasern abhängt. Außerdem führt die optische Anisotropie, die die Doppelbrechung verursacht, zu einer polarisationsabhängigen Abschwächung des Lichts (Diattenuation), die zusätzliche Informationen über die zu grunde liegende Faserkonstellation liefern könnte. In dieser Arbeit wurden analytische Überlegungen, ergänzende Messungen und numerische Simulationen durchgeführt, um die Transmittanz- und Diattenuation-Effekte genauer zu untersuchen und Ideen zu entwickeln, wie die Effekte die Nervenfaserrekonstruktion mit 3D-PLI unterstützen könnten. Die Ausbreitung der polarisierten Lichtwelle durch das Hirngewebe wurde mit "Finite-Difference Time-Domain" (FDTD) Simulationen modelliert. Dabei wurde ein Bottom-up-Ansatz verfolgt, um das einfachste Modell zu finden, das die Transmittanz- und Diattenuation-Effekte beschreibt. Die experimentellen Studien dieser Arbeit haben gezeigt, dass die Transmittanz mit zunehmendem Neigungswinkel der Nervenfasern signifikant abnimmt (um mehr als 50 %). Die FDTD Simulationen konnten diesen Effekt modellieren und zeigen, dass der Rückgang der Transmittanz hauptsächlich durch polarisationsunabhängige Lichtstreuung und die begrenzte numerische Apertur des Mikroskops zustande kommt. Außerdem haben die Simulationen ergeben, dass die Transmittanz bei horizontalen Fasern nicht von deren Kreuzungswinkel abhängt. Die Auswertung experimenteller Daten hat ergeben, dass die Transmittanz dazu genutzt werden kann, horizontal kreuzende von senkrechten Fasern zu unterscheiden, was mit derzeitigen 3D-PLI Messungen nicht möglich ist.Zur Untersuchung der Diattenuation von Hirngewebe wurde ein Messprotokoll entwickelt, das die Diattenuation auch bei geringem Signal-Rausch-Verhältnis messen kann: "Diattenuation Imaging" (DI). Die experimentellen Studien dieser Arbeit haben gezeigt, dass die Diattenuation des Hirngewebes relativ klein ist (weniger als 10 %) und dass sie praktisch keinen Einfluss auf das gemessene 3D-PLI Signal hat. Außerdem wurde gezeigt, dass es zwei verschiedene Arten von Diattenuation gibt, die für bestimmte Faserkonstellationen spezifisch sind: In einigen Gehirnregionen wird die transmittierte Lichtintensität maximal, wenn das Licht parallel zu den Nervenfasern polarisiert ist (D+), in anderen Gehirnregionen wird sie minimal (D−). Die FDTD Simulationen konnten die Diattenuation erfolgreich modellieren und zeigen, dass der D− Effekt durch anisotrope Lichtstreuung verursacht wird, die mit zunehmender Zeit nach Eindeckung des Gewebes abnimmt, während der D+ Effekt sowohl durch anisotrope Streuung als auch durch anisotrope Absorption (Dichroismus) verursacht werden kann. Außerdem bestätigten die Simulationen, dass steile Fasern nur den D+ Effekt zeigen und dass die Diattenuation auch von der Gewebezusammensetzung abhängt. Das macht "Diattenuation Imaging" zu einem vielversprechenden bildgebenden Verfahren, das verschiedene Arten von Faserstrukturen sichtbar macht, die mit aktuellen bildgebenden Verfahren nicht unterscheidbar sind.

The neuroimaging technique Three-dimensional Polarized Light Imaging (3D-PLI) reconstructs the brain’s nerve fiber architecture by transmitting polarized light through histological brain sections and measuring their birefringence. Measurements have shown that the polarization-independent transmitted light intensity (transmittance) depends on the out-of-plane inclination angle of the nerve fibers. Furthermore, the optical anisotropy that causes the birefringence leads to polarization-dependent attenuation of light (diattenuation), which might provide additional information about the underlying fiber configuration. In this thesis, analytical considerations, supplementary measurements, and numerical simulations were performed to study the transmittance and diattenuation effects in more detail, and to develop ideas how the effects can assist the nerve fiber reconstruction with 3D-PLI. The propagation of the polarized light wave through the brain tissue was modeled by Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulations. Following a bottom-up approach, the simplest possible model was identified that describes the observed transmittance and diattenuation effects. The experimental studies in this work have shown that the transmittance significantly decreases with increasing inclination angle of the fibers (by more than 50 %). The FDTD simulations could model this effect and show that the decrease in transmittance is mainly caused by polarization-independent light scattering in combination with the limited numerical aperture of the imaging system. Moreover, the simulations revealed that the transmittance does not depend on the crossing angle between horizontal fibers. Combining the simulation results with experimental data, it could be demonstrated that the transmittance can be used to distinguish between horizontal crossing and vertical fibers, which is not possible in standard 3D-PLI measurements. To study the diattenuation of brain tissue, a measurement protocol has been developed that allows to measure the diattenuation even with a low signal-to-noise ratio: Diattenuation Imaging (DI). The experimental studies in this work revealed that the diattenuation of brain tissue is relatively small (less than 10 %) and that it has practically no impact on the measured 3D-PLI signal. More importantly, it was demonstrated that there exist two different types of diattenuation that are specific to certain fiber configurations: in some brain regions, the transmitted light intensity becomes maximal when the light is polarized parallel to the nerve fibers (D+), in other brain regions, it becomes minimal (D−). The FDTD simulations could successfully model the diattenuation and show that diattenuation of type D− is caused by anisotropic scattering of light which decreases with increasing time after tissue embedding, while diattenuation of type D+ can be caused both by anisotropic scattering and by anisotropic absorption (dichroism). In addition, the simulations confirmed that steep fibers only show diattenuation of type D+ and that the diattenuation also depends on the tissue composition. This makes Diattenuation Imaging a promising imaging technique that reveals different types of fibrous structures which cannot be distinguished with current imaging techniques.

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