Studiewijzer 2017/2018

Globale inhoud

Functionele MRI (fMRI) is een veel gebruikte methode om naar de functie van hersenen te kijken. Deze techniek kijkt echter alleen naar de veranderingen in oxygenatie van het bloed. Om deze en andere technieken beter te begrijpen beginnen we met een update van de fysiologie van de hersenen. Daarna behandelen we verschillenden modaliteiten die gebruikt kunnen worden voor hersenonderzoek, zowel klinisch als experimenteel. De onderwerpen die aan orde komen zijn CT, PET en SPECT, fMRI en optische technieken. Onderdeel van het vak zijn demo’s bij MRI en CT-scanners, en data analyse in computerpractica, onder andere van fMRI data van de demo.

Studiemateriaal

Literatuur

Selectie van boekhoofdstukken en artikelen

Practicummateriaal

Software

Leerdoelen

Hoofddoelen:

Aan het eind van het vak kan de student:

de basisfysiologie van de hersenen uitleggen
veranderingen in oxygenatie van het bloed doorberekenen
de basistheorie van signaalvorming uitleggen
rekenen aan 1D- en 2D-voorbeelden van geluid en beelden
de meetprincipes van MRI, fMRI, CT, PET en SPECT en optische technieken uitleggen
de uitkomst van een scan met gegeven instellingen beschrijven en/of berekenen
fMRI-data visualiseren en de herkomst van activatie uitleggen

Gedetailleerde leerdoelen (deels in het Engels geformuleerd)

Fysiologie

Replicate the most essential concepts and physical laws related to blood flow (pressure, flow rate, flow velocity, resistance, relation flow-velocity-area, Poiseuille)
Apply these concepts to straightforward anatomical structures in the brain
Replicate in broad terms the architecture of the brain circulation (Circle of Willis, cortical and penetrating arteries, capillary bed, collaterals)
Explain the concept of cerebral autoregulation
List the elements involved in the neurovascular unit
Depict how neural/synaptic activity is coupled to changes in flow and oxygenation
Explain the physiological basis of the BOLD signal
Demonstrate a critical attitude towards interpretation of the BOLD signal

Basisfysica

Inzicht in de volgende begrippen:
- meetnauwkeurigheid
- meetbereik
- signaal-ruisverhouding
- overdrachtskarakteristiek
- analoge en digitale signalen, bemonstering
Het concept van representeren van data in frequentiedomein begrijpen, de Fourier transform als manier om data van en naar dit domein te transformeren, het Nyquist-criterion als grens op de frequenties die bemonsterd kunnen worden. Filteren van signalen in het Fourier-domein.
De Point Spread Function (PSF) begrijpen.
Inzicht in de convolution operatie hebben, en het effect op een beeld van een aantal kernels.
Inzicht hebben in de Modulation Transfer Function (MTF), als toepassing van het frequentiedomein
De begrippen accuracy en precision begrijpen
Verschillende bronnen van beeldruis (image noise) kennen
Verschillende soorten contrast begrijpen en onderscheiden:
- subject
- detector
- displayed contrast - level/window
Contrast-to-noise-ratio en Signal-to-noise-ratio begrijpen als maten voor beeldkwaliteit. Contrast-detail diagrams kunnen lezen.

rekenen aan 1D- en 2D-voorbeelden van geluid en beelden

MRI

The origin of the MRI signal A nuclear magnetic moment aligns and precesses in a magnetic field.
The precession frequency depends on the field strength and differs for different nuclei of biological interest (1H, 31P, 13C, 23Na, etc..)
The nuclear magnetic moment can be excited by application of an external RF field.
The MRI signal results from an induction current in the RF coil.
After excitation the magnetic moments return to equilibrium by T1and T2
Image weighting and contrast
The MRI scanner uses a sequence of RF pulses with specific timing parameters (e.g. TR, TE) to produce an image.
Image contrast results from tissue properties (e.g. T1, T2, PD) and MRI sequence timing parameters (e.g. TR, TE).
Relaxation T1 and T2 are different for different tissues, which can be exploited to acquire T1-weighted and T2-weighted images.
The spin-echo sequence can be used to make T1- and T2-weighted images.
T2* relaxation results from T2 decay and magnetic field inhomogeneities.
The gradient-echo sequence can be used to make T1- and T2*-weighted images.
Image formation
Application of a magnetic field gradient makes the precession frequency position dependent.
2D imaging requires slice-selection, frequency encoding, and phase encoding.
The thickness of the slice is determined by the slice-selection gradient strength and the transmission bandwidth.
The field-of-view (FOV) in readout direction is determined by the frequency encoding gradient strength and the receiver bandwidth.

in een practicum de uitkomst van een scan met gegeven instellingen beschrijven en/of berekenen

Optische technieken

From Fundamentals of Tissue Optics:

Optical properties of tissue: index of refraction, scattering, scattering anisotropy, absorption
Their effect on the transmission of light through tissue
The effect of tissue chromophore concentration on the transmission of light and visa versa
Modelling of the light transmission by the Modified Beer-Lambert Law and using that to determine chromophore concentration

From Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS): Principles and Neuroscientific Applications:

Principles of fNIRS, effect of wavelength and optode distance on sensing depth.
Effect of scattering and absorption on path length, the use of the modified Lambert Beer law, and technical approaches to measure oxy and deoxy hemoglobin
A selection of equations that should be known and understood

fMRI

To understand the origin of the BOLD-contrast, which MRI-signal is studied and why.
To be able to explain the change in sign and course of the MRI-signal: the Hemodynamic Response (HDR).
To distinguish between the contribution of CBV, CBF, and CMRO2/BOLD to the HDR.
To explain the setup of an fMRI-experiment.
To be able to give the approximate spatial and temporal resolution of fMRI. To name the components of respectively physiology and imaging that determine the resolution.
To be able to compute the functional signal to noise ratio in an fMRI-experiment.
To name different sources of noise in fMRI.
in een demo bij de MRI scanner leren hoe de beeldvorming tot stand komt
in een practicum fMRI-data visualiseren en de herkomst van activatie uitleggen

Basale fysica van beeldvorming met CT kennen en begrijpen
Zich realiseren welke fysische parameter bij CT wordt gerepresenteerd
De meerwaarde van CT t.o.v. Röntgenfoto's kunnen uitleggen
Kennis en begrip van de principes van beeldacquisitie en reconstructie bij CT
Kunnen aangeven wat de invloed is van acquisitieparameters op de beeldeigenschappen
Begrip hebben van de verschillen tussen axiale en transversale resolutie van een beeld
De noodzaak van instelling van Window en Level kunnen duiden

In een demo bij de CT-scanner leren hoe de beeldvorming tot stand komt.

Onderwijsvormen

Team-based Learning
(Computer)practicum
Werkcollege
Zelfstudie
Hoorcollege

Team-based learning (TBL): Het doel van TBL is om per deelonderwerp kennis op te doen en deze direct ook te kunnen toepassen in geschetste situaties die ontleend zijn aan de praktijk van wetenschappelijk onderzoek en/of de kliniek. De lesmethode sluit aan bij veel van de gestelde leerdoelen (1d, 1e, 2a, 2b,2h, 2j, 3c, 3f, 4b, 4c, 4e, 5a, 5b, 5c, 5d, 5g, 5j).

We hanteren de volgende fases:

zelfstandig bestuderen van aangeboden studiemateriaal (bijv. een boekhoofdstuk)
individueel maken van een ingangstoets bestaande uit een aantal meerkeuzevragen (individual Readiness Assurance Test, iRAT)
in teamverband dezelfde ingangstoets maken (team Readiness Assurance Test, tRAT)
bespreken van de antwoorden en aanvullend college door de docent
toepassingsvragen, maken in teamverband (application exercises)

De iRAT- en tRAT-toetsen tellen mee in de eindbeoordeling. In totaal worden 5 TBL-sessies gehouden.

Hoorcolleges worden gegeven ter introductie en toelichting van een aantal andere onderwerpen.
De practica bevatten een demo bij de scanner(s), waarin de scanprocedure duidelijk wordt, plus de principes van de scantechniek en de verschillende soorten scans, die eerder ter sprake zijn gekomen. Ook worden computerpractica georganiseerd om te oefenen in het analyseren van beelden. Deze zijn illustratief en hebben als doel de studiestof beter te begrijpen en toe te passen. Ze worden niet beoordeeld.

Verdeling leeractiviteiten

Activiteit	Aantal uur
Team-Based Learning (TBL)	25.5
Hoorcollege	10.5
Practicum: demo's bij de CT/MRI-scanner	6
Tentamen	3
Computerpracticum	11.75
Zelfstudie	111.25

Academische vaardigheden

In het onderzoek worden vele technieken gebruikt voor het maken afbeeldingen van de morfologie en de functie van de hersenen. Achter deze technieken schuilen allerlei fysische principes die de basis vormen voor de gekozen toepassing binnen het onderzoek. Voor het goed begrijpen van de resultaten is inzicht in de fysica achter medische beeldvormende technieken onontbeerlijk.

Aan het eind van de cursus, kan de student:
1. de fysische principes van de verschillende technologieën uitleggen:	1c,1e,2b,5e,5f
2. op basis van leerdoel 1 de juiste imaging methode bepalen, de beperkingen en mogelijkheden uitleggen	1d,1i,5a,5b,5e,5j
3. De fysische principes toepassen in (gesimuleerde) praktijksituaties	2b, 2e, 2g, 2h, 2i, 3d, 3f, 4b, 4e, 5c, 5j

Aanwezigheid

Aanwezigheidseisen opleiding (OER-B):

Deelname aan alle practica, computerpractica, veldwerk en werkcolleges in het curriculum is verplicht en de student dient zich op deze bijeenkomsten terdege voor te bereiden.

Aanvullende eisen voor dit vak:

Aanwezigheid bij de hoorcolleges is noodzakelijk om de stof te begrijpen en ter voorbereiding op het tentamen.

Voor de team-based-learning (TBL) sessies geldt dat afwezigheid automatisch een vermindering in het aantal te behalen punten betekent (waarbij het slechtste cijfer niet meetelt).

Toetsing

Onderdeel en weging	Details
Eindcijfer
40% Team-based learning (TBL)
60% Tentamen

Het tentamenmateriaal bestaat uit via de TBL-methode behandelde onderwerpen. We toetsen kennis, inzicht en toepassing van de stof, in ongeveer gelijke verhoudingen.

De theorie bestaat uit het leesmateriaal wat in de iRAT/tRAT's getoetst is en in de Study Guides vermeld staat. De applicatievragen beschikbaar op blackboard kun je bestuderen als model voor hoe tentamenvragen eruit zouden kunnen zien.

Op blackboard is een oud-tentamen beschikbaar gesteld.

De practica vormen geen nieuwe stof voor het tentamen. De introcolleges en Nuclear imaging (SPECT/PET) zijn geen tentamenstof.

De student heeft het vak behaald als alle toetsonderdelen hoger dan het minimumcijfer beoordeeld zijn en het gewogen gemiddelde minimaal een 5.5 is.

Van de TBL-sessies telt het laagste cijfer niet mee. Herkansing van TBL-sessies is niet mogelijk.

Binnen een TBL-sessie telt het individuele gedeelte voor 60% en het groepsgedeelte voor 40% mee.

Voor het schriftelijk tentamen moet minimaal een 5 worden gehaald. Het tentamen is herkansbaar middels een hertentamen.

Inzage toetsing

De manier van inzage wordt via de digitale leeromgeving gecommuniceerd.

Opdrachten

TBL-sessies

individuele toetsen en groepstoetsen tijdens TBL-sessies

Onderstaande opdrachten komen aan bod in deze cursus:

Naam opdracht 1 : beschrijving 2
Naam opdracht 2 : beschrijving 1
....

Fraude en plagiaat

Dit vak hanteert de algemene 'Fraude- en plagiaatregeling' van de UvA. Hier wordt nauwkeurig op gecontroleerd. Bij verdenking van fraude of plagiaat wordt de examencommissie van de opleiding ingeschakeld. Zie de Fraude- en plagiaatregeling van de UvA: www.uva.nl/plagiaat

Weekplanning

Week /dag	Lesvorm	onderwerp	docent
2 di	college / demo-TBL	introductie vak deel 1	Ton van Leeuwen / Matthan Caan
2 do	TBL	Fysiologie	Erik Bakker
3 ma	TBL	Basis-fysica	Matthan Caan
3 wo	TBL	MRI	Gustav Strijkers
3 do	college	introductie deel 2	Matthan Caan e.a.
4 ma (11:00)	TBL	Optical Imaging	Ton van Leeuwen
4 wo	college	SPECT/PET	Jan Booij / Tim de Wit
4 do	TBL	fMRI	Matthan Caan
5 di (13:00)	TBL	CT	Geert Streekstra
5 vr (13:00)	tentamen

Rooster

Het rooster van dit vak is in te zien op DataNose.

Eindtermen

Deze cursus draagt bij aan de volgende eindtermen van de opleiding Psychobiologie:

1) Kennis en Inzicht

De bachelor:

1c) kan de pathofysiologie en bijbehorende diagnostische methoden en mogelijke therapieën uitleggen.
1d) kan uitleggen welke onderzoekstechnieken nodig zijn voor het ontwikkelen van kennis en dat kennis nodig is voor het ontwikkelen van onderzoekstechnieken.
1e) kan de kennis opgedaan bij een zelfgekozen vak uitleggen.
1h) kan uitleggen wat de bijdragen en beperkingen zijn van de kennis op elk niveau - van molecuul tot de menselijke geest - aan het wetenschapsgebied Psychobiologie.
1i) kan op alle niveaus de werking van het brein van dieren en mensen vergelijken.
1k) kan grensverleggende ontwikkelingen in het wetenschapsgebied Psychobiologie herkennen.
1l) kan uitleggen dat een standpunt wordt beïnvloed door context.

2) Toepassen Kennis en Inzicht

De bachelor:

2a) kan onderbouwen welke onderzoekstechnieken nodig zijn om onderzoeksvragen binnen het wetenschapsgebied Psychobiologie te beantwoorden.
2b) kan ondersteunende disciplines zoals wis-, natuur- en scheikunde en programmeren toepassen.
2e) kan algemene laboratoriumvaardigheden uitvoeren.
2g) kan voor de psychobiologie relevante computerprogramma’s en/of programmeertalen gebruiken.
2h) kan ruwe data interpreteren en een geschikte (kwantitatieve) analysemethode toepassen.
2j) kan redeneren en argumenteren en meerdere standpunten benoemen en onderbouwen.

3) Oordeelsvorming

De bachelor:

3c) kan onderzoeksresultaten binnen de Psychobiologie en/of binnen een discipline- overstijgende context interpreteren.
3e) kan informatie analyseren aan de hand van kwaliteitscriteria en er een eigen oordeel over vormen.
3f) kan alternatieven en tegenargumenten overwegen bij het vormen of herzien van een oordeel.

4) Communicatie

De bachelor:

4b) kan een bijdrage leveren aan wetenschappelijke discussies.
4c) kan op basis van begrip en respect communiceren.
4e) kan een standpunt overbrengen.

5) Leervaardigheden

De bachelor:

5a) kan een zelfstandige en wetenschappelijke werkwijze en houding ontwikkelen.
5b) kan zich zelfstandig kennis eigen maken.
5c) kan nieuwe kennis integreren met aanwezige kennis en tot inzichten komen.
5d) kan een constructieve en synergetische manier van samenwerken ontwikkelen.
5e) kan zich in een zelfgekozen deelgebied verdiepen of verbreden.
5f) kan zich nieuwe technische vaardigheden eigen maken.
5g) kan feedback geven en verwerken.
5i) kan reflecteren op eigen gedrag en dit gedrag desgewenst verbeteren.
5j) kan geleerde principes generaliseren en toepassen in een andere context.

Aanvullende informatie

Dit vak heeft een studiebelasting van 36 uur per week, en kan niet daardoor parallel aan een ander vak gevolgd worden. De TBL-methode werd als intensief, maar waardevol beoordeeld door voorgaande studenten.

Capaciteit: max. 40 studenten

Een natuur&techniekprofiel of -interesse is nodig om dit vak te kunnen volgen.