Transcranial electric stimulation : modeling, application, verification

Die Verwendung von Elektrizität zur Beeinflussung neuronaler Aktivität weckte das Interesse neurowissenschaftlicher Forschung und zeigt bereits seit einigen Jahrhunderten therapeutische Wirkungen. In den letzten Jahrzehnten fand die nicht-invasive Anwendung schwacher Ströme von wenigen Milliampere am Kopf, bezeichnet als transkranielle Elektrostimulation (tES), in den Neurowissenschaften und der klinischen Forschung vielfältige Anwendungen. Die konventionell aufwendige implementierte Elektrodenschnittstelle und eher unspezifische Verteilung der Stimulationsströme benötigen jedoch weitere Innovationen und Verifikationen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modellierung des Stromflusses für die gezielte Elektrostimulation, mit der Entwicklung von Elektrodenkonzepten für die Stromeinprägung, sowie mit mess-technischen Ansätzen zur Verifikation von Stimulationskonfigurationen. Simulationen transorbitaler Stromstimulationen zeigten Stromdichteverteilungen in der Netzhaut, die in Abhängigkeit von der Elektrodenmontage deutlich unterschiedliche lokale Maxima aufwiesen. In ähnlicher Weise wurden orts- und orientierungsspezifische Ziele im Kortex mit Simulationen von Konfigurationen mehrerer Elektroden auf dem Kopf adressiert. Diese Simulationen zeigten die Realisierbarkeit zielgenauer Stimulationskonfigurationen für die Retina und Zielgebiete im Kortex. Für die Stimulationsanwendung wurden neue Konzepte auf Basis von textilen Elektroden mit integriertem Elektrolytreservoir und gedruckten Trockenelektroden eingeführt, die in flexiblen Hauben eingearbeitet sind. Diese neu entwickelten Elektroden zeigten ihre Funktionalität in Studien, die zuvor beschriebenen Effekte der Stromstimulation reproduzierten, wobei sie die Präzision und Reproduzierbarkeit der Stimulation erhöhten und den Vorbereitungsaufwand verringerten. Für technische Verifikationsexperimente wurden ein homogener Volumenleiter und ein realistisch geformtes dreischichtiges Kopfphantom physikalisch realisiert. Messtechnische Experimente an diesen Phantomen zeigten die Machbarkeit von Stimulationskonfigurationen mit mehreren Elektroden, insbesondere den Ansatz der zeitlichen Interferenz, und verifizierten die Stabilität der neuen Elektrodenkonzepte. Zusammenfassend trägt die vorliegende Arbeit zu Innovationen auf dem Gebiet der tES bei, indem ein neuer Multi-Elektroden-Ansatz für die Adressierung kortikaler Ziele, neuen angepassten Elektrodenkonzepte und physikalische Phantome für die metrologische Verifikation beschrieben werden.