In-silico modeling methods used for peripheral intraneural stimulation planning

[Ј. Кљајић]

XIII, 88 str.

Електротехника и рачунарство - Биомедицинско инжењерство / Electrical and Computer Engineering - Biomedical engineering

Ова дисертација бави се развојем нових и унапређењем постојећих техника намењених за преклиничко планирање електричне интранеуралне стимулације периферних нерава. Оваква електростимулација намењена је враћању реалистичних сензација из недоста- јућег екстремитета, а у циљу побољшања квалитета живота појединаца који су доживели ампутацију. У оквиру тезе развијен је Електро-неурални модел, који на реалистичан начин репли- цира интерфејс електрода-нерв и предвиђа активност аксона као одговор на директну електричну неуростимулацију. Осим карактеристикама ткива, електроде, аксона и ком- плетног протокола стимулације, овај модел велику пажњу посвећује и унапређењима на пољу реконструкције нервне геометрије и поштовања комплексности формација унутар реалног нерва. Предложен модел имплементиран је и верификован кроз ПроприоСтим, стратегију планирања биомиметичке стимулације у циљу враћања природног осећаја проприоцепције. Један од резултата истраживања је и алгоритам који је у стању да на основу неу- ређеног скупа тачака у 2Д простору успешно препозна и реконструише нервне контуре. Иновативност овог приступа огледа се у комбиновању непараметарске кластеризације, проширене адаптивним Калмановим фитром и класификационе методе најближих су- седа. Предложен приступ показао је супериорност у одређеним аспектима у односу на постојеће технике. Одређена унапређења и допуне могли би прилагодити овај алгоритам за употребу и у бројним другим областима где је оваква реконструкција потребна. Трећи сегмент ове тезе бави се истраживањем феномена сензорне адаптације и разво- јем методе која би била у стању да исту моделира. На тај начин би се могле предвидети и, у перспективи, спречити непланиране и нежељене флуктуације у одзиву на задату директну електричну неуростимулацију.

This dissertation deals with the development of new and improvement of existing techniques designed for preclinical planning of electrical intraneural stimulation of peripheral nerves. Such electrical stimulation is aimed at restoring realistic sensations from a missing limb, with the goal of improving the quality of life for individuals who have undergone amputation. Within the thesis, the Electro-neural model has been developed, realistically replicating the electrode-nerve interface and predicting axonal activity in response to direct electrical neurostimulation. In addition to tissue, electrode and axon characteristics, and the complete stimulation protocol, this model pays significant attention to advancements in nerve geometry reconstruction and the complexity of formations within a real nerve. The proposed model has been implemented and verified through ProprioStim, a strategy for planning biomimetic stimulation to restore a natural sense of proprioception. One of the research results is an algorithm capable of successfully recognizing and reconstructing nerve contours based on an unordered set of points in 2D space. The innovation of this approach lies in the combination of non-parametric clustering, adaptive Kalman filter, and nearest neighbor classification methods. The proposed approach has shown superiority in certain aspects compared to existing techniques. Certain refinements and adjustments could tailor this algorithm for application in various other domains where such reconstruction is required. The third segment of this thesis explores the phenomenon of sensory adaptation, aiming to develop a method capable of modeling it. In this way, it could predict and, in perspective, prevent unplanned and unwanted fluctuations in response to the given direct electrical neurostimulation

рачунарско моделирање, неуростимулација, нервна геометрија, неу- ропростетика, периферни нерви, реконструкција кривих, неорганизоване тачке, сензорна адаптација, проприоцепција

computational modeling, neurostimulation, nerve geometry, neuroprosthetics, peripheral nerves, curve reconstruction, unorganized points, sensory adaptation, proprioception

621.3.032:612.81(043.3) 004.9(043.3)

Tekst