Bio-Heat Transfer Model of Deep Brain Stimulation Induced Temperature changes

Elwassif, Maged; Kong, Qingjun; Vázquez, Maribel; Bikson, Marom

doi:10.1109/iembs.2006.259425

Cited by 50 publications

(44 citation statements)

References 20 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…It is possible that the high-frequency blocking stimulation modulates the glial buffering or ion pump resulting in a nerve conduction failure. Furthermore, due to the kHz stimulation the Joule heating effect might start to play a role, although a recent theoretical analysis (Elwassif et al, 2006) showed that it is negligible at frequency of 185 Hz during deep brain stimulation. A more realistic axonal model may reveal other nerve blocking mechanisms.…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

Influence of frequency and temperature on the mechanisms of nerve conduction block induced by high-frequency biphasic electrical current

et al. 2007

View full text Add to dashboard Cite

The influences of stimulation frequency and temperature on mechanisms of nerve conduction block induced by high-frequency biphasic electrical current were investigated using a lumped circuit model of the myelinated axon based on Schwarz and Eikhof (SE) equations. The simulation analysis showed that a temperature-frequency relationship was determined by the axonal membrane dynamics (i.e. how fast the ion channels can open or close.). At a certain temperature, the axonal conduction block always occurred when the period of biphasic stimulation was smaller than the action potential duration (APD). When the temperature decreased from 37°C to 15°C, the membrane dynamics slowed down resulting in an APD increase from 0.4 ms to 2.4 ms accompanied by a decrease in the minimal blocking frequency from 4 kHz to 0.5 kHz. The simulation results also indicated that as the stimulation frequency increased the mechanism of conduction block changed from a cathodal/anodal block to a block dependent upon continuous activation of potassium channels. Understanding the interaction between the minimal blocking frequency and temperature could promote a better understanding of the mechanisms of high frequency induced axonal conduction block and the clinical application of this method for blocking the nerve conduction.

show abstract

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

Influence of frequency and temperature on the mechanisms of nerve conduction block induced by high-frequency biphasic electrical current

et al. 2007

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…The radius of the head model sphere (HMS) is 9 cm, and the IAS has 1 cm radius. The average value of sound speed is 1500 m/s for the supposed medium, and the temperature of the head (model) takes the average value of 37 • C or 310 • K [19,20]. The results of the computation are depicted in Table 1 and Figures 2, 3, 4, 5, 6 and 7 where the Q ratio values, from simulations of different positions of the IAS and different frequencies, are shown.…”

Section: Numerical Resultsmentioning

confidence: 99%

Theoretical Analysis of a Passive Acoustic Brain Monitoring System

Asimakis¹,

Karanasiou²,

Gkonis³

et al. 2010

PIER B

View full text Add to dashboard Cite

Abstract-An approach based on acoustics and its theoretical analogies to electromagnetism is used in the present research to study the detection of the acoustic wave energy radiated by the thermal random motion of material particles of the brain during activation or caused by pathology. Pressure and particle velocity are calculated in analytical mathematical forms for the case of human brain monitoring, which can be implemented by a prototype passive acoustic brain monitoring system (PABMOS). A sphere to model the human head and an internal point source in order to simulate potential pressure alterations due to intracranial abnormalities or local functional activations, are used in the theoretical representation of the present approach. Finally, numerical results for arbitrary positions of the internal source, concerning the particle velocity (pressure field distribution) at the surface of the head model which can implicitly be measured by the suitable piezoelectric sensors, are presented.

show abstract

“…Genlik H a r c a n a n G ü ç ( m W / m m 3 Göz içi bölgeye yerleştirilerek uzun dönem vücutta kalması planlanan cihazların neden olacağı sıcaklık yan etkilerini tasarım aşamasında modelleme çalışmalarıyla incelemek kritik önem taşımaktadır. Sıcaklığa duyarlı olan retina dokusundaki sinir hücrelerinde meydana gelebilecek yüksek sıcaklık değişimleri sıcaklığa bağlı olan, gerilim kontrollü kanallar gibi, hücre zarı özelliklerini ve sinirsel ağı etkileyerek hücre ölümlerine neden olabilir [39,40]. Normal vücut sıcaklığından 3 derece yüksek sıcaklık artışlarının çeşitli fizyolojik anormalliklere neden olacağı rapor edilmiştir [40,41].…”

Section: Merkez-ağırlıklı Zaman Kaymalı Uyartım Stratejisi (Central-wunclassified

Elektrot Etkileşimi ve Uyartım Eşiğinin Azaltılmasına Yönelik Sonlu Elemanlar Yöntemi Tabanlı Yeni Bir Retina Uyartım Stratejisi

Celik

Karagöz

2017

Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi

View full text Add to dashboard Cite

Dejeneratif göz hastalıkları retinanın dış katmanına zarar vererek fonksiyonelliğini yitirmesine ve görsel algı kaybına neden olmaktadır. Görsel protezler, işlevselliğini kaybetmiş bölgelerin bypass edilerek zarar görmemiş bölgelerin yerleştirilen elektrot dizisi vasıtasıyla elektriksel olarak uyartılarak görsel algının yeniden kazanılmasını sağlayan cihazlardır. Görsel protezler hedeflenen yüksek uzaysal çözünürlükten oldukça uzaktır. Temel problem elektrot etkileşimi nedeniyle elektrot sayısının artırılamamasıdır. Bu çalışmada, elde edilen görsel algının çözünürlüğünü artırılması, uyartım için gerekli güç tüketiminin ve uyartım sonucu dokuda oluşan sıcaklığın azaltılması amacıyla Sonlu Elemanlar Yöntemi kullanılarak geliştirilen retinanın elektriksel uyartımında Merkez-Ağırlıklı Zaman Kaymalı Uyartım Stratejisi önerilmiştir. Bu strateji, yarı-koni biçimli elektrot tasarımı ve konfigürasyonu ile zamanda kaydırılmış ve konuma göre ağırlıklandırılmış elektriksel uyartım yaklaşımını kullanmaktadır. Önerilen stratejinin üstünlüğü konvansiyonel elektrot dizilimi ve uyartım yöntemiyle karşılaştırılmış, daha lokalize uyartım sağlanarak ayırt edilebilir elektrik alan ve akım yoğunluğu dağılımları elde edilmiştir. Konvansiyonel yöntemle uyartım akım eşiği 10 µA seviyesinde iken önerilen stratejide bu değer 0,5-2 µA aralığında elde edilmiştir. Ayrıca, konvansiyonel yöntemle uyartım için harcanan güç 4,19 mW/mm3 ve dokudaki sıcaklık artışı 1,38°C iken sunulan yöntemle bu değerler sırayla 0,239 mW/mm3, 0,4°C olarak bulunmuştur. Önerilen stratejinin yüksek çözünürlüklü retina implant sisteminin geliştirilmesine, çözünürlük, güç tüketimi ve dokudaki sıcaklık artışının sınırlanması çalışmalarına katkı sağlayacağı sonucuna varılmıştır. Degenerative eye diseases damage outer layer of the retina and cause to lost the vision. Visual prostheses are the systems which enable to elicit visual perception through electrical stimulation of the regions that remain intact using electrode arrays at these regions bypassing damaged parts. Spatial resolution of the visual prostheses is far away from the desired value. The main problem is that the number of electrodes couldn't be increased because of electrode interaction. In this study, Central-Weighted Time Shifted Stimulation Strategy which is developed using Finite Element Method is presented which aims both to increase spatial resolution and to decrease power dissipation needed for stimulation and temperature rise on the tissue. This strategy uses semi-cone shaped electrode design and configuration, stimulation approach which is time shifted, weighted depending on the position. Results are compared to the results with conventional electrode layout and stimulation. It is seen that proposed strategy provides discriminable electric field and current density distributions. While stimulation current threshold is 10 µA for conventional method, it ranges 0.5-2 µA for proposed strategy. Furthermore, power dissipation and temperature rise on the tissue are 4.19 mW/mm3 and 1.38°C respectively for c...

show abstract

Bio-Heat Transfer Model of Deep Brain Stimulation Induced Temperature changes

Cited by 50 publications

References 20 publications

Influence of frequency and temperature on the mechanisms of nerve conduction block induced by high-frequency biphasic electrical current

Influence of frequency and temperature on the mechanisms of nerve conduction block induced by high-frequency biphasic electrical current

Theoretical Analysis of a Passive Acoustic Brain Monitoring System

Elektrot Etkileşimi ve Uyartım Eşiğinin Azaltılmasına Yönelik Sonlu Elemanlar Yöntemi Tabanlı Yeni Bir Retina Uyartım Stratejisi

Contact Info

Product

Resources

About