[論文レビュー] Advanced boundary electrode modeling for tES and parallel tES/EEG

Britte Agsten, Sven Wagner+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、頭皮電気刺激（tES）および並列tES/EEGにおける高度な境界電極モデル—具体的には完全電極モデル（CEM）、ギャップモデル（GAP）、点電極モデル（PEM）—の提案と評価を行う。GAPおよびGAP/PEMが実用的なtESおよびtES/EEG応用において十分に正確であることが示され、CEMは電極-皮膚界面におけるショートサーキット電流に起因する皮膚加熱効果を独自に捉えることができる。

ABSTRACT

This paper explores advanced electrode modeling in the context of separate and parallel transcranial electrical stimulation (tES) and electroencephalography (EEG) measurements. We focus on boundary condition based approaches that do not necessitate adding auxiliary elements, e.g. sponges, to the computational domain. In particular, we investigate the complete electrode model (CEM) which incorporates a detailed description of the skin-electrode interface including its contact surface, impedance and normal current distribution. The CEM can be applied for both tES and EEG electrodes which is advantageous when a parallel system is used. In comparison to the CEM, we test two important reduced approaches: the gap model (GAP) and the point electrode model (PEM). We aim to find out the differences of these approaches for a realistic numerical setting based on the stimulation of the auditory cortex. The results obtained suggest, among other things, that GAP and GAP/PEM are sufficiently accurate for the practical application of tES and parallel tES/EEG, respectively. Differences between CEM and GAP were observed mainly in the skin compartment, where only CEM explains the heating effects characteristic to tES.

研究の動機と目的

• 境界条件に基づく電極モデルの精度と実用性を、現実的なtESおよび並列tES/EEGシミュレーションにおいて評価すること。
• 完全電極モデル（CEM）と簡略化モデル（GAPおよびPEM）の電気場および電位分布の観点から比較すること。
• 臨床的および研究的応用において、CEMの詳細な界面モデリングが本当に必要かどうかを調査すること。
• GAPおよびPEMが、顕著な精度の損失なしに、標準的なtESおよびtES/EEGワークフローにおけるCEMの代替として使用可能かどうかを評価すること。
• 電極のサイズ、形状、接触インピーダンスが、電場の局在性およびシミュレーションの忠実度に与える影響を特定すること。

提案手法

• 接触面積、インピーダンス、および法線方向電流分布（ショートサーキット効果）を含む皮膚-電極界面を完全電極モデル（CEM）で表現する。
• 有限サイズの電極を想定するがショートサーキットを無視するため、電極面積を考慮した境界条件を用いてギャップモデル（GAP）を適用する。
• 電極の幾何形状を無視する単純化アプローチとして、点電極モデル（PEM）を採用する。
• 偏微分方程式の変分形式に基づく弱形式を用いて、有限要素法（FEM）により体積導体問題を解く。
• ガラーキン離散化と部分積分を用いて、CEM、GAP、PEMの抵抗率行列を導出する。これにより、各モデルの電場応答を比較可能にする。
• 聴覚皮質を標的とする現実的な頭部モデルを用い、生理学的に妥当な条件下でモデルの差異を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 tES中におけるCEM、GAP、PEMモデルは、電気場および電位分布の予測においてどのように異なるか？
• RQ2 CEMにショートサーキット電流を組み込むことで、特に皮膚部においてシミュレーション結果にどの程度の影響が生じるか？
• RQ3 GAPおよびPEMといった簡略化モデルは、CEMと比較して実用的なtESおよび並列tES/EEG応用において十分に正確と言えるか？
• RQ4 CEMは、tESで一般的に使用されるぬれたスポンジ電極の挙動を再現できるか？
• RQ5 電極のサイズおよび形状が電場の局在性に与える影響は何か？また、GAPやPEMといった単純化モデルは、その影響をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• GAPおよびGAP/PEMモデルは、それぞれ実用的なtESおよび並列tES/EEGシミュレーションにおいて、CEMと比較して最小限の誤差で十分に正確である。
• CEMとGAPの間で顕著な差が生じるのは主に皮膚部であり、ここでは唯一CEMがショートサーキットに起因する加熱効果を捉えている。
• CEMは電極-皮膚界面におけるショートサーキット効果を独自にモデル化しており、これが局所的な電流分布および電位勾配に影響を与える。
• CEMは、スポンジ素材を明示的にモデリングする必要なく、一般的に使用されるぬれたスポンジ電極の主要な特徴を効果的に再現できる。
• PEMは、電極のサイズおよび形状を完全に無視するため、tESモデリングには不適切であることが判明した。これは、電場の局在性に顕著な影響を与える。
• 抵抗率行列の定式化により、CEM、GAP、PEMの間で一貫した比較が可能となり、GAPが精度と計算の単純さのバランスに優れていることが確認された。