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DE102021106334A1 - Method and system for generating and applying stimulation configurations on humans and associated computer program - Google Patents

Method and system for generating and applying stimulation configurations on humans and associated computer program Download PDF

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DE102021106334A1
DE102021106334A1 DE102021106334.5A DE102021106334A DE102021106334A1 DE 102021106334 A1 DE102021106334 A1 DE 102021106334A1 DE 102021106334 A DE102021106334 A DE 102021106334A DE 102021106334 A1 DE102021106334 A1 DE 102021106334A1
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DE
Germany
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stimulation
signals
transcranial
generating
applicator
Prior art date
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Pending
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DE102021106334.5A
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Alexander Hunold
Jens HAUEISEN
Uwe Graichen
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Technische Universitaet Ilmenau
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Technische Universitaet Ilmenau
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Erzeugung und Applikation von Stimulationskonfigurationen am Menschen, insbesondere am menschlichen Kopf, für eine mehrkanalige transkraniale Elektrostimulation (tES), transkraniale Magnetfeldstimulation (tMS) oder transkraniale fokussierte Ultraschallstimulation (tFUS) sowie ein dazugehöriges Computerprogramm, mit denen eine optimale Verteilung des Stimulationsstroms ermittelt werden kann, um dedizierte Zielgebiete im Gehirn zu adressieren. Erfindungsgemäß wird mit einer räumlich harmonischen Analyse der Feldtopographien die optimale Intensitätsverteilung für die mehrkanalige tES, tMS oder tFUS berechnet und eine Applikatorkonfiguration ermittelt.The present invention relates to a method and a system for generating and applying stimulation configurations to humans, in particular to the human head, for multi-channel transcranial electrical stimulation (tES), transcranial magnetic field stimulation (tMS) or transcranial focused ultrasound stimulation (tFUS) and an associated computer program, with which an optimal distribution of the stimulation current can be determined in order to address dedicated target areas in the brain. According to the invention, the optimal intensity distribution for the multi-channel tES, tMS or tFUS is calculated with a spatially harmonic analysis of the field topographies and an applicator configuration is determined.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Erzeugung und Applikation von Stimulationskonfigurationen am Menschen, insbesondere am menschlichen Kopf, für eine mehrkanalige transkraniale Elektrostimulation (tES), transkraniale Magnetfeldstimulation (tMS) oder transkraniale fokussierte Ultraschallstimulation (tFUS) sowie ein dazugehöriges Computerprogramm.The present invention relates to a method and a system for generating and applying stimulation configurations to humans, in particular to the human head, for multi-channel transcranial electrical stimulation (tES), transcranial magnetic field stimulation (tMS) or transcranial focused ultrasound stimulation (tFUS) and an associated computer program.

Elektrische Stimulation (ES) (Kempe et al., 2015), magnetische Stimulation (MS) (Rad et al., 2019) oder Ultraschallstimulation (US) (Bouakaz & Beizung, 2020) am Menschen findet Anwendung am Auge zur Verbesserung der Sehleistung (Tano et al., 2007) und am Muskel in physiotherapeutischen Therapieansätzen (Wollenzien et al., 2013).Electrical stimulation (ES) (Kempe et al., 2015), magnetic stimulation (MS) (Rad et al., 2019) or ultrasonic stimulation (US) (Bouakaz & Beizung, 2020) in humans is used in the eye to improve visual performance ( Tano et al., 2007) and on the muscle in physiotherapeutic therapy approaches (Wollenzien et al., 2013).

Als nichtinvasive transkraniale Stimulation von Zielgebieten im Gehirn ist die ES (Shakour et al., 2017) u.a. für die Therapie von Depressionen und die Neurorehabilitation nach Schlaganfall (Arle & Shils, 2013) von Interesse, wobei kontrollierte Stimulationsparadigma eingehalten werden müssen (Priori et al., 2009). Bei der herkömmliche transkranialen ES (tES) werden zwei Elektroden genutzt, die manuell (Bikson et al., 2012) oder mittels Halteapparaturen (Mansson & Rehn, 2020) an der Kopfhaut angebracht werden.As a non-invasive transcranial stimulation of target areas in the brain, ES (Shakour et al., 2017) is of interest for the therapy of depression and neurorehabilitation after stroke (Arle & Shils, 2013), for which controlled stimulation paradigms must be observed (Priori et al ., 2009). Traditional transcranial ES (tES) uses two electrodes that are attached to the scalp manually (Bikson et al., 2012) or using holding devices (Mansson & Rehn, 2020).

Neuere, mehrkanalige tES-Ansätze legen eine kappenbasierte Elektrodenanbringung nahe (Bikson et al., 2011). Mehrkanalige Stimulationskonfigurationen haben den Vorteil, dass Zielgebiete dedizierter adressiert werden können (Berenyi & Buzsaki, 2018; Ge et al., 2012).Recent, multi-channel tES approaches suggest cap-based electrode attachment (Bikson et al., 2011). Multi-channel stimulation configurations have the advantage that target areas can be addressed more specifically (Berenyi & Buzsaki, 2018; Ge et al., 2012).

Konventionelle tES Applikationen basieren auf Gummielektroden, die zur Sicherstellung einer niedrigen Impedanz des Elektroden-Haut-Übergangs in mit Kochsalzlösung getränkten Schwammtaschen eingeführt und mit Gummibändern am Kopf befestigt werden (Antal et al., 2007). Dieses komplizierte und zeitaufwändige Verfahren erfordert speziell geschultes Personal und ist fehleranfällig bzgl. der Positionierung und Anbringung von Elektroden, was in wiederholten Anwendungen, Gruppen- und multizentrischen Studien zu einer mangelnden Reproduzierbarkeit führen kann (Padberg et al., 2017). Weiterhin begrenzt die Befestigung der flächigen Elektroden durch Gummibänder die Anzahl der verfügbaren Elektroden sowie die Positionen, die angefahren werden können (Klein et al., 2013).Conventional tES applications are based on rubber electrodes inserted into saline-soaked sponge pockets and attached to the head with rubber bands to ensure low impedance of the electrode-skin junction (Antal et al., 2007). This complicated and time-consuming procedure requires specially trained personnel and is prone to error in the positioning and application of electrodes, which can lead to a lack of reproducibility in repeated applications, group and multi-center studies (Padberg et al., 2017). Furthermore, the attachment of the flat electrodes with rubber bands limits the number of available electrodes and the positions that can be approached (Klein et al., 2013).

Daneben entsteht bei sich wiederholenden Anwendungen der tES das Problem der Sicherstellung einer reproduzierbaren Stimulationsdosierung (Peterchev et al., 2012). In wiederholten Anwendungen, Studien mit mehreren Teilnehmern sowie über mehrere Zentren hinweg muss zum einen die Elektrodenanbringung und -positionierung reproduzierbar und zum anderen eine dedizierte Stimulation eines Zielareals mit vordefinierter Intensität und Orientierung und gleichzeitiger Schonung von Nicht-Zielbereichen sowie individualisierte Elektrodenkonfigurationen und Verteilungen der Stimulationsströme auf die verfügbaren Elektroden sichergestellt werden. Dabei stellt die Optimierung der Verteilung von Stimulationsströmen über Elektroden zur Adressierung von Zielbereichen im Gehirn ein schlechtgestelltes Problem dar, da die Anzahl an möglichen Zielbereichen im Gehirn die Anzahl der verfügbaren Elektroden deutlich übersteigt.In addition, the problem of ensuring a reproducible stimulation dosage arises with repeated applications of the tES (Peterchev et al., 2012). In repeated applications, studies with several participants and across several centers, the electrode attachment and positioning must be reproducible on the one hand and dedicated stimulation of a target area with predefined intensity and orientation and simultaneous protection of non-target areas as well as individualized electrode configurations and distributions of the stimulation currents on the other the available electrodes are ensured. The optimization of the distribution of stimulation currents via electrodes for addressing target areas in the brain represents an ill-posed problem, since the number of possible target areas in the brain clearly exceeds the number of electrodes available.

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, mit denen die Intensitätsverteilungen von Stimulationsströmen für vordefinierte Elektrodenkonfigurationen berechnet werden können. Die mittels dieser Verfahren erzeugten Stimulationskonfigurationen weisen jedoch eine Reihe von Schwächen auf, da sie pareto-optimale Lösungen bezüglich der Intensität, Richtung und Fokussierung im Zielgebiet (Dmochowski et al., 2011; Sadleir et al., 2012; Wagner et al., 2016) darstellen. Die dazu eingesetzten Elektrodenkonfigurationen basieren auf kleinen Elektroden mit Durchmessern von bis zu 2 cm (Minhas et al., 2010), Elektrodenarrays (Park et al., 2011) oder Flächenelektroden (Sadleir et al., 2012) an vordefinierten Positionen (Klem et al., 1999). Diese Systeme können zu Problemen in Bezug auf die Stromdichte an der Kopfhaut führen und damit Sicherheitsbedenken hervorrufen. Zudem schränken die als vormontierte halbstarre oder starre Kappen ausgeführten Elektrodenkonfigurationen individuelle Passungen ein.Methods are known from the prior art with which the intensity distributions of stimulation currents for predefined electrode configurations can be calculated. However, the stimulation configurations generated using these methods have a number of weaknesses, as they provide Pareto-optimal solutions in terms of intensity, direction and focus in the target area (Dmochowski et al., 2011; Sadleir et al., 2012; Wagner et al., 2016 ) represent. The electrode configurations used are based on small electrodes with diameters of up to 2 cm (Minhas et al., 2010), electrode arrays (Park et al., 2011) or surface electrodes (Sadleir et al., 2012) at predefined positions (Klem et al ., 1999). These systems can cause current density problems at the scalp, raising safety concerns. In addition, the electrode configurations, designed as pre-assembled semi-rigid or rigid caps, limit individual fits.

Zur Überwindung dieser Limitationen wird in Hunold et al. (2020) ein System von flexiblen Kappen mit integrierten Textilelektroden auf der Basis von leichtem und flexiblem Gewebe und silberbeschichteten Fasern vorgeschlagen.To overcome these limitations, Hunold et al. (2020) proposed a system of flexible caps with integrated textile electrodes based on light and flexible fabric and silver-coated fibers.

Ansätze für die Stromverteilung und Stimulationselektroden auf der Grundlage von EEG-Ableitungen (Cancelli et al., 2016) und Reziprozität (Fernändez-Corazza et al., 2016) wurden bereits vorgestellt. Allerdings berücksichtigen diese Ansätze nur die jeweils vorliegende Elektrodenkonfiguration und die aktuell gemessene Feldtopographie, ohne Informationen über die erreichte Stimulation im Zielbereich zu liefern.Approaches for current distribution and stimulation electrodes based on EEG recordings (Cancelli et al., 2016) and reciprocity (Fernandez-Corazza et al., 2016) have already been presented. However, these approaches only take into account the current electrode configuration and the currently measured field topography, without providing information about the stimulation achieved in the target area.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren und ein System zur Erzeugung und Applikation von Stimulationskonfigurationen am Menschen, insbesondere am menschlichen Kopf, für eine mehrkanalige transkraniale Elektrostimulation (tES), transkraniale Magnetfeldstimulation (tMS) oder transkraniale fokussierte Ultraschallstimulation (tFUS) sowie ein dazugehöriges Computerprogramm bereitzustellen, mit denen es gelingt, Stromintensitäten optimal an Stimulationselektroden zu verteilen, so dass im Zielgebiet eine dedizierte Stimulationsintensität und -orientierung erreicht wird, wobei individualisierte Elektrodenkonfigurationen basierend auf textilen Elektroden in flexiblen Kappen verwendet werden.The object of the present invention is to overcome the disadvantages known from the prior art and to provide a method and a system for generating and applying stimulation configurations to humans, in particular to the human head, for a multi-channel transcranial elec rostimulation (tES), transcranial magnetic field stimulation (tMS) or transcranial focused ultrasound stimulation (tFUS) as well as an associated computer program, with which it is possible to optimally distribute current intensities to stimulation electrodes, so that a dedicated stimulation intensity and orientation is achieved in the target area, with individualized Electrode configurations based on textile electrodes in flexible caps are used.

Als Teilaufgaben ergeben sich daraus zum einen eine räumliche Analyse der vorwärtsberechneten Potentialverteilung für eine dedizierte Zielkonfiguration zu realisieren und zum anderen muss die klassifizierte Potentialverteilung in Stromintensitäten an die Stimulationselektroden übertragen werden.The subtasks are, on the one hand, to carry out a spatial analysis of the forward-calculated potential distribution for a dedicated target configuration and, on the other hand, the classified potential distribution in current intensities must be transmitted to the stimulation electrodes.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten, siebenten und neunten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen 2 bis 7 zu entnehmen, während dessen eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Systems im Unteranspruch 8 angegeben ist.According to the invention, this object is achieved with the features of the first, seventh and ninth patent claims. Advantageous refinements of the method according to the invention can be found in dependent claims 2 to 7, while a preferred embodiment of the system according to the invention is specified in dependent claim 8.

Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, mit einer räumlich harmonischen Analyse der Feldtopographien eine optimale Stromverteilung für eine mehrkanalige tES, tMS oder tFUS zu berechnen und daraus die Elektrodenkonfiguration ermittelt.With the present invention it is proposed to use a spatially harmonic analysis of the field topographies to calculate an optimal current distribution for a multi-channel tES, tMS or tFUS and to determine the electrode configuration from this.

In 1 sind die einzelnen Verfahrensschritte schematisch dargestellt. Demnach werden Volumenleitermodelle (hier beispielhaft vom menschlichen Kopf) basierend auf individuellen Magnetresonanztomographie(MRT)-Daten erstellt. Hiervon ausgehend werden binäre Masken von identifizierbaren Gewebsklassen, wie zum Beispiel für weiße und graue Substanz, zerebrospinale Flüssigkeit, Schädel und Kopfhaut (Bikson et al., 2010), generiert. Diese Voxel-basierten binären Masken der segmentierten Gewebsklassen werden additiv zu einem Gesamtmodel kombiniert. Ausgehend von der Dimension der Voxel wird ein Finite-Elemente(FE)-Model durch die auflösungserhaltende Vernetzung in Hexaeder-Elemente erstellt (Berti, 2004). Jedem FE wird ein Leitfähigkeitswert gemäß der Gewebsklassenzugehörigkeit basierend auf Literaturangaben zugewiesen. Damit wird ein individuelles Volumenleitermodell zur Verwendung in Vorwärtssimulationen bereitgestellt.In 1 the individual process steps are shown schematically. According to this, volume conductor models (here an example of the human head) are created based on individual magnetic resonance imaging (MRI) data. From this, binary masks are generated from identifiable tissue classes such as white and gray matter, cerebrospinal fluid, skull and scalp (Bikson et al., 2010). These voxel-based binary masks of the segmented tissue classes are additively combined into an overall model. Based on the dimension of the voxel, a finite element (FE) model is created by meshing the hexahedron elements while preserving the resolution (Berti, 2004). Each FE is assigned a conductivity value according to tissue class affiliation based on literature references. This provides an individual volume conductor model for use in forward simulations.

Nachfolgend werden Zielareale mit einem Verfahren modelliert, welches basierend auf anatomischen oder funktionellen Eigenschaften neuronale Zentren anhand ihrer Lokalisationen und räumlichen Orientierung abbildet. Die in Schichten geordneten und parallel ausgerichteten Pyramidenzellen einer funktionellen Einheit werden als Stromdipol modelliert. Positionen gemäß funktioneller Lokalisationen basierend auf Elektroenzephalographie(EEG)- oder Magnetoenzephalographie(MEG)-Daten, oder gemäß Arealen in anatomischer Atlanten wie dem Destrieux-Atlas (Destrieux et al., 2010) dienen als Stützstellen der Dipolmodelle, wobei anatomische Areale auf Oberflächenrepräsentationen der grauen oder weißen Masse definiert sind. Die Ausrichtung der Dipolmodelle repräsentiert die Orientierung der lokalisierten Aktivität aus EEG- oder MEG-Date und erfolgt gemäß den Raumrichtungen des Modells oder gemäß der Orientierung des anatomischen Areals tangential oder normal zur lokalen Oberfläche. Die Vorwärtssimulation der Quellaktivierung im Volumenleitermodell erzeugt eine Feldtopographie des skalaren elektrischen Potentials auf der Oberfläche des Volumenleiters, auf der die Applikatoren definiert sind.Subsequently, target areas are modeled using a method that maps neuronal centers based on their localization and spatial orientation based on anatomical or functional properties. The layered and parallel aligned pyramidal cells of a functional unit are modeled as a current dipole. Positions according to functional localizations based on electroencephalography (EEG) or magnetoencephalography (MEG) data, or according to areas in anatomical atlases such as the Destrieux atlas (Destrieux et al., 2010) serve as reference points for the dipole models, with anatomical areas being based on surface representations of the gray or white mass are defined. The orientation of the dipole models represents the orientation of the localized activity from EEG or MEG data and is carried out according to the spatial directions of the model or according to the orientation of the anatomical area tangential or normal to the local surface. Forward simulation of source activation in the volume conductor model produces a scalar electric potential field topography on the surface of the volume conductor on which the applicators are defined.

Weiter werden die euklidische Zentren jedes Applikators eines vorliegenden Setups berechnet und zur Ableitung einer triangulierten Netzdarstellung der vorliegenden Applikator-Positionen verwendet. Für das resultierende Dreiecksnetz wurden die Basisfunktionen (sC) der generalisierten räumlichen Fourier-Analyse SPHARA (Graichen et al., 2016) berechnet.Furthermore, the Euclidean centers of each applicator of a given setup are calculated and used to derive a triangulated network representation of the given applicator positions. The basis functions (sC) of the generalized spatial Fourier analysis SPHARA (Graichen et al., 2016) were calculated for the resulting triangular network.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgestellt, welches das skalare elektrische Potential aus der Vorwärtssimulation für die Aktivierung eines Zielbereiches, repräsentiert durch ein Dipolmodel, an den Stützstellen des Dreiecknetzes für die vorliegenden Applikator-Positionen auswertet. Ausgehend von der SPHARA-Zerlegung der skalaren elektrischen Potentialverteilung, die für das Dipolmodell d für den aktuellen Zielbereich simuliert wurde, wird eine Klassifikation in überwiegend dipolare oder monopolare Verteilungen vorgenommen. Die Klassifikation erfolgt mit Hilfe einer Euklidischen Metrik, r d = s C d ,2 2 + s C d ,3 2 ,

Figure DE102021106334A1_0001
in die die Koeffizienten der zweiten sCd,2 und dritten SCd,3 SPHARA-Komponenten einfließen. Hiervon ausgehend erzeugt eine ideal dipolare Verteilung einen Radius rd= 1.With the present invention, a method is presented which evaluates the scalar electrical potential from the forward simulation for the activation of a target area, represented by a dipole model, at the support points of the triangular network for the present applicator positions. Based on the SPHARA decomposition of the scalar electrical potential distribution, which was simulated for the dipole model d for the current target area, a classification into predominantly dipolar or monopolar distributions is made. The classification is carried out using a Euclidean metric, right i.e = s C i.e ,2 2 + s C i.e ,3 2 ,
Figure DE102021106334A1_0001
into which the coefficients of the second sC d,2 and third SC d,3 SPHARA components flow. Based on this, an ideal dipolar distribution produces a radius r d = 1.

Als Klassifikationsgrenze zwischen überwiegend dipolaren und monopolaren Potentialverteilungen wird rd = 0.8 vorgeschlagen, so dass eine Abweichung von 20 % vom idealen Radius zugelassen wird.r d = 0.8 is suggested as the classification limit between predominantly dipolar and monopolar potential distributions, so that a deviation of 20% from the ideal radius is permitted.

Im Falle einer überwiegend dipolaren elektrischen Potentialverteilung wird das elektrische Potential an jeder Elektrode i vorzeichenabhängig nach den Gleichungen (2) und (3) normiert: u p = u i , p p u i , p

Figure DE102021106334A1_0002
u n = u i , n n u i , n
Figure DE102021106334A1_0003
(3), wobei p für Elektroden mit positivem und n für Elektroden mit negativem elektrischen Potentialwert u stehen.In the case of a predominantly dipolar electrical potential distribution, the electrical potential at each electrode i is standardized according to equations (2) and (3) depending on the sign: and p = and i , p p and i , p
Figure DE102021106334A1_0002
and n = and i , n n and i , n
Figure DE102021106334A1_0003
(3), where p stands for electrodes with a positive and n for electrodes with a negative electric potential value u.

Im Falle einer überwiegend monopolaren elektrischen Potentialverteilung wird, wie in Gleichung (4) angegeben, ein elektrisches Referenzpotential uref als maximales absolutes elektrisches Potential, integriert über eine vorzeichenbehaftete Teilmenge der Elektroden, bestimmt: u r e f = max ( p u i , p | | n u i , n | )

Figure DE102021106334A1_0004
In the case of a predominantly monopolar electrical potential distribution, as specified in equation (4), an electrical reference potential u ref is determined as the maximum absolute electrical potential, integrated over a signed subset of the electrodes: and right e f = Max ( p and i , p | | n and i , n | )
Figure DE102021106334A1_0004

Das elektrische Potential an jeder Elektrode i wurde in Bezug auf uref normiert, wie in Gleichung (5) angegeben: n i = u i u r e f

Figure DE102021106334A1_0005
The electric potential at each electrode i was normalized with respect to u ref as given in equation (5): n i = and i and right e f
Figure DE102021106334A1_0005

Die Elektrode mit dem maximalen absoluten normierten elektrischen Potential dient als Einspeiseelektrode src gemäß Gleichung (6): s r c = max ( [ | n | ] )

Figure DE102021106334A1_0006
The electrode with the maximum absolute normalized electrical potential serves as the feed-in electrode src according to equation (6): s right c = Max ( [ | n | ] )
Figure DE102021106334A1_0006

Die verbleibenden Elektroden gemäß Gleichung (7) wurden zur Bestimmung der Konfiguration der Stromsenke es verwendet: c s = [ | n | ] \ s r c

Figure DE102021106334A1_0007
The remaining electrodes according to equation (7) were used to determine the current sink configuration es: c s = [ | n | ] \ s right c
Figure DE102021106334A1_0007

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Elektroden mit einer Stromintensität, entsprechend dem normierten elektrischen Potentialwert und gemäß der Helmholtz-Reziprozität (Helmholtz, 1853) mit umgekehrten Vorzeichen, als Stromquelle und Stromsenke der Gestalt genutzt, dass alle verfügbaren Elektroden oder eine Teilmenge der verfügbaren Elektroden zur Stromstimulation verwendet werden.According to a further aspect of the invention, the electrodes are used with a current intensity corresponding to the normalized electric potential value and according to the Helmholtz reciprocity (Helmholtz, 1853) with the opposite sign, as a current source and current sink of the form that all available electrodes or a subset of the available ones Electrodes are used for current stimulation.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von bisher bekannten Verfahren, dadurch, dass hier ein räumlicher Ansatz verfolgt wird, der auf individuelle Elektrodenkonfigurationen generalisierbar ist und vordefinierte Zielareale berücksichtigen kann, so dass physiologisch wirksame Stimulationsintensitäten im Zielbereich sichergestellt werden können.The present invention differs from previously known methods in that a spatial approach is pursued here that can be generalized to individual electrode configurations and can take into account predefined target areas, so that physiologically effective stimulation intensities can be ensured in the target area.

Die Vorwärtssimulationen berücksichtigen die dedizierte Ausrichtung der Zielkonfigurationen. Die räumliche Analyse erhält diese Richtungsinformation und sie wird in die Stimulationskonfiguration übertragen. Damit realisiert die vorliegende Erfindung ein Verfahren, welches die Orientierung der Zielkonfiguration intrinsisch berücksichtigt.The forward simulations take into account the dedicated alignment of the target configurations. The spatial analysis receives this directional information and it is transferred to the stimulation configuration. The present invention thus implements a method that intrinsically takes into account the orientation of the target configuration.

Die Stimulationsintensität im Zielgebiet kann beim Übertragen der normierten elektrischen Potentialwerte in Stromintensitäten über einen Skalierungsfaktor eingestellt werden. Damit erlaubt das vorliegende Verfahren individuelle Anpassungen für unter- und überschwellige Stimulationen.The stimulation intensity in the target area can be adjusted via a scaling factor when transferring the normalized electrical potential values into current intensities. The present method thus allows individual adjustments for subthreshold and suprathreshold stimulations.

Literaturlistebibliography

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Claims (9)

Verfahren zur Erzeugung und Applikation von Stimulationskonfigurationen für eine mehrkanalige transkraniale Elektrostimulation (tES), transkraniale Magnetfeldstimulation (tMS) oder transkraniale fokussierte Ultraschallstimulation (tFUS), wobei die Stimulationssignale mit entsprechenden Intensitäten ausgehend von einem mehrkanaligen Generator (G) auf eine Vielzahl von Applikatoren (A) am Menschen, insbesondere am menschlichen Kopf, aufgeteilt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem Zielgebiet ausgehende Feldtopographie basierend auf einer räumlich harmonischen Zerlegung klassifiziert und in eine Verteilung der Stimulationsintensität überführt wird.Method for generating and applying stimulation configurations for multi-channel transcranial electrical stimulation (tES), transcranial magnetic field stimulation (tMS) or transcranial focused ultrasound stimulation (tFUS), with the stimulation signals with corresponding intensities starting from a multi-channel generator (G) being applied to a large number of applicators (A ) on humans, in particular on the human head, are divided, characterized in that the field topography emanating from a target area is classified based on a spatially harmonic decomposition and converted into a distribution of the stimulation intensity. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend folgende Schritte: • Erfassung von Geometriedaten des Applikator-Setups, • Triangulation zwischen den Applikator-Positionen, • Kalkulation von räumlich harmonischen Basisfunktionen, • Berechnung der Feldtopographie für das Zielgebiet, • Diskretisierung der Feldtopographie an den Applikator-Positionen, • Klassifikation der Feldtopographie basierend auf Beiträgen räumlich harmonischer Operatoren und • Übertragung der Feldtopographie in Stimulationsintensitäten an den Applikator-Positionen.procedure after claim 1 comprising the following steps: • acquisition of geometry data of the applicator setup, • triangulation between the applicator positions, • calculation of spatially harmonic basis functions, • calculation of the field topography for the target area, • discretization of the field topography at the applicator positions, • classification of the field topography based on contributions from spatially harmonic operators and • translation of the field topography into stimulation intensities at the applicator positions. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielgebiet durch ein Modell zur Erzeugung der Feldtopographie approximiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the target area is approximated by a model for generating the field topography. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldtopographie für das Zielgebiet mittels eines Volumenleitermodells berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the field topography for the target area is calculated using a volume conductor model. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Klassifikation der Feldtopographie definierte räumliche Frequenzen genutzt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that defined spatial frequencies are used to classify the field topography. Stimulationskonfigurationen basierend auf einem System von Applikator-Positionen, dadurch gekennzeichnet, dass Intensitäten für alle verfügbaren oder für eine Teilmenge der verfügbaren Applikatoren der Elektro-, Magnetfeld- oder Ultraschallstimulation erzeugt werden.Stimulation configurations based on a system of applicator positions, characterized in that intensities are generated for all available or for a subset of the available applicators of electrical, magnetic field or ultrasonic stimulation. System zur Erzeugung und Applikation von Stimulationskonfigurationen für eine mehrkanalige transkraniale Elektrostimulation (tES), transkraniale Magnetfeldstimulation (tMS) und / oder transkraniale fokussierte Ultraschallstimulation (tFUS), wobei das System einen mehrkanaligen Generator (G) aufweist und eine Anzahl von Applikatoren (A), die dazu konfiguriert sind, die Stimulationssignale vom Generator (G) in den Menschen einzukoppeln, wobei die Stimulationssignale Signale konstanter Amplitude, Wechselsignale mit genau einer zeitlichen Frequenz, Wechselsignale mit mehreren zeitlichen Komponenten und Impulse oder Impulsfolgen sind.System for generating and applying stimulation configurations for multi-channel transcranial electrical stimulation (tES), transcranial magnetic field stimulation (tMS) and/or transcranial focused ultrasound stimulation (tFUS), the system having a multi-channel generator (G) and a number of applicators (A), which are configured to couple the stimulation signals from the generator (G) into the human being, the stimulation signals being signals of constant amplitude, alternating signals with exactly one temporal frequency, alternating signals with several temporal components and pulses or pulse sequences. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Applikatoren variabel und optimierbar ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the number of applicators is variable and can be optimized. Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung der folgenden Schritte, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird: Erzeugen von Intensitätsverteilungen an den Applikatoren (A) und Ausgeben von Stimulationssignalen für jeden Applikator (A) an den Generator (G), wobei es sich bei den Stimulationssignalen um Signale konstanter Amplitude, Wechselsignale mit genau einer zeitlichen Frequenz oder Wechselsignale mit mehreren zeitlichen Komponenten handeln kann.Computer program with program code for performing the following steps when the computer program is run on a computer: generating intensity distributions on the applicators (A) and outputting stimulation signals for each applicator (A) to the generator (G), the stimulation signals being can be signals of constant amplitude, alternating signals with exactly one temporal frequency or alternating signals with several temporal components.
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