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Automatisch von der Universitätsbibliothek erstellte Publikationsliste aus der Hochschulbibliographie für die Fachgebiete Biomedizinische Technik und Biosignalverarbeitung

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Erstellt: Fri, 22 Jan 2021 23:09:35 +0100 in 0.0777 sec


Mosayebi Samani, Mohsen;
Optimizing the neuroplastic effects of cathodal transcranial direct current stimulation over the primary motor cortex and transferability to prefrontal cortex. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (195 Seiten).
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

Die Behandlungsmöglichkeiten neurologischer und neuropsychiatrischer Erkrankungen haben sich in den letzten Jahrzehnten deutlich verbessert, sind aber immer noch eingeschränkt. Eine Dysregulation oder Störung der Neuroplastizität ist bei vielen psychischen und Hirnfunktionsstörungen beteiligt. Hier sind nicht-invasive Hirnstimulationstechniken relevant, die die Plastizität des Gehirns modulieren, ohne die physische Integrität des Schädels zu beeinträchtigen. Eine davon, die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS), hat in mehreren klinischen Pilotstudien vielversprechende Ergebnisse zur Verminderung von Symptomen auf der Grundlage von Störungen des Zentralnervensystems gezeigt. Diese Effekte sind jedoch häufig moderat, zeigen eine nichtlineare Dosisabhängigkeit und eine interindividuelle Variabilität. Um die Wirksamkeit dieses Verfahrens zu verbessern, sind länger anhaltende und homogenere Effekte erforderlich. Dies erfordert neuartige, verbesserte Interventionsstrategien. Darüber hinaus wurden die neuromodulatorischen Wirkungen von tDCS auf den primären motorischen Kortex bisher weitgehend als Grundlage für die Anwendung dieser Intervention auf andere Hirnregionen herangezogen, während eine direkte Untersuchung der physiologischen Wirkungen von tDCS auf nichtmotorische Regionen weitgehend fehlt. Die Arbeit zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch den Einsatz innovativer neurophysiologischer und mathematischer Techniken anzugehen, um die Wirksamkeit des kathodalen tDCS über dem primären motorischen Kortex zu verbessern, aber auch die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den präfrontalen Kortex zu untersuchen. Zu diesem Zweck titrierten wir im ersten Schritt systematisch kathodale tDCS-Parameter für das humane motorische Kortexmodell mit unterschiedlichen Intensitäten (1, 2 und 3 mA) und Stimulationsdauern (15, 20 und 30 min). Die Ergebnisse zeigten intensitätsabhängige nichtlineare Effekte, bei denen die Stimulation mit 1 mA eine signifikante Verringerung der Amplitude der motorisch evozierten Potentiale (MEP) induzierte, während die Stimulation mit 2 mA zu einer signifikanten Erhöhung der kortikospinalen Erregbarkeit führte. Protokolle mit höherer Stimulationsintensität (insbesondere Stimulation mit 3 mA) induzierten erneut eine signifikante Verringerung der Erregbarkeit, die etwa eineinhalb Stunden nach der Stimulation andauerte, und waren daher effizienter als die anderen Protokolle. Im zweiten Schritt haben wir untersucht, ob wiederholte tDCS-Protokolle mit unterschiedlichen Intervallen die Nacheffekte verlängern können. Wir verglichen die Auswirkungen von Einzelinterventionen mit konventioneller (1 mA für 15 Minuten) und optimierter kathodaler tDCS (3 mA für 20 Minuten) mit den Auswirkungen einer wiederholten Anwendung in Intervallen von 20 Minuten und 24 Stunden auf die Erregbarkeit des primären motorischen Kortex, basierend auf tierexperimentellen Befunden, dass kurze, aber nicht lange Intervalle zwischen einzelnen Interventionen eine langanhaltende Plastizität erzeugen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Dauer der Nacheffekte wiederholter konventioneller und optimierter Protokolle mit kurzen Intervallen im Vergleich zu den jeweiligen Einzelinterventionsprotokollen nahezu unverändert blieb. Für das lange Intervall (24 h) veränderte die Stimulation mit dem herkömmlichen Protokoll die jeweiligen Nachwirkungen nicht signifikant, während sie die Wirksamkeit des optimierten Protokolls im Vergleich zu den jeweiligen Einzelinterventionen verringerte. Ein wichtiges Ergebnis der ersten Studie waren die beobachteten nichtlinearen intensitätsabhängigen Effekte von tDCS, die eine Erklärung für teilweise heterogene Ergebnisse der kathodalen Stimulation bieten können, allerdings hinsichtlich ihrer neurophysiologischen Grundlagen bisher nur unzureichend untersucht waren. Im dritten Schritt haben wir daher die zugrunde liegenden Mechanismen dieser nonlinearen Effekte untersucht. Da tDCS eine NMDA-Rezeptor-abhängige Neuroplastizität erzeugt, die Kalzium-abhängig ist, kann eine solche Nichtlinearität möglicherweise durch unterschiedliche durch die Intervention induzierte Kalziumkonzentrationen erklärt werden, die die Richtung der Plastizität steuern. Wir verabreichten daher den Kalziumkanalblocker Flunarizin in niedrigen (2,5 mg), mittleren (5 mg) oder hohen (10 mg) Dosierungen vor der kathodalen tDCS des motorischen Kortex mit 3 mA für 20 Minuten. Die Ergebnisse zeigten, dass die durch kathodale tDCS hoher Intensität induzierten inhibitorischen Nachwirkungen bei niedrigen, mittleren bzw. hohen Dosierungen eines Kalziumblockers nicht verändert, verringert oder in eine Erregbarkeitserhöhung modifiziert wurden, was die Kalzium-abhängige Direktionalität von tDCS-induzierter Neuroplastizität bestätigt. Das Ergebnis der ersten und zweiten Studie zeigten eine relevante interindividuelle Variabilität der tDCS-Effekte, die eine weitere Quelle für die begrenzte Wirksamkeit dieser Intervention sein könnte. Jüngste In-vivo-Experimente und Computerstudien am Menschen zeigten, dass das tDCS-induzierte elektrische Feld (EF) stark von der individuellen Anatomie des Gehirns und den Leitfähigkeitseigenschaften des Gewebes abhängt. Die EF-Variabilität könnte daher ein wichtiger Faktor für heterogene Ergebnisse der tDCS sein. Im vierten Schritt, basierend auf neurophysiologischen Daten, die in früheren Studien unserer Gruppe erhoben wurden, die tDCS-induzierte MEP- (induziert durch transkranielle Magnetstimulation (TMS)) und zerebrale Blutfluss-Veränderungen (CBF; gemessen durch funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT) über arterielles Spin-Labelling) erfaßten, untersuchten wir den Zusammenhang zwischen einzelnen anatomischen Faktoren, tDCS-induziertem EF und den jeweiligen physiologischen Parametern auf der Ebene des Individuums. Zu diesem Zweck wurde für jeden Teilnehmer ein MRT-basiertes realistisches Kopfmodell entworfen, um 1) anatomische Faktoren zu berechnen und 2) die tDCS- und TMS-induzierten elektrischen Felder (EF) zu simulieren. Anschließend untersuchten wir auf regionaler Ebene, welche einzelnen anatomischen Faktoren die simulierten EFs erklären. Schließlich untersuchten wir, welche spezifischen anatomischen und / oder EF-Faktoren die neurophysiologischen Ergebnisse der tDCS vorhersagten. Die Ergebnisse zeigten, dass von den untersuchten anatomischen Faktoren höhere EF-Werte mit einem geringeren Abstand zwischen Elektrode und Kortex (ECD) und einer geringeren Dicke des Liquor cerebrospinalis (CSF) verbunden waren. Zusätzlich waren CSF-Dicke und ECD negativ korreliert, während EFs positiv mit tDCS-induzierten physiologischen Veränderungen korreliert waren. Schließlich untersuchten wir im fünften Schritt die Übertragbarkeit der durch kathodale tDCS induzierten Neuroplastizität vom motorischen auf den präfrontalen Kortex. Die neurophysiologischen Wirkungen von tDCS auf den primärmotorischen Kortex wurden bereits in einer vielzahl von Studien untersucht. Viel weniger ist jedoch hinsichtlich physiologischer Effekte der tDCS auf nichtmotorische Bereiche wie den präfrontalen Kortex bekannt, der eine wichtige Basis für vielfältige kognitive Funktionen darstellt und dessen Dysfunktionen an neuropsychiatrischen Störungen beteiligt sind. Zu diesem Zweck wurde kathodale tDCS mit niedrigen, mittleren und hohen Dosierungen oder eine Placebo-Stimulation über dem primärmotorischen und dorsolateralen präfrontalen Kortex appliziert. Die Nacheffekte der tDCS wurden mittels TMS-Elektroenzephalographie (EEG) und TMS-MEP auf regionaler Ebene für die Ergebnisparameter TMS-evozierte Potentiale (TEP), TMS-evozierte Oszillationen und MEP-Amplitudenänderungen bewertet. Die Ergebnisse zeigten eine dosisabhängige nichtlineare neurophysiologische Wirkung der tDCS über dem motorischen Kortex, die nicht vollständig auf die Ergebnisse der tDCS über dem präfrontalen tDCS übertragbar war. Niedrige und hohe Dosierungen der tDCS über dem motorischen Kortex reduzierten frühe positive TEP-Peaks und MEP-Amplituden, während eine Erhöhung der Amplituden dieser Potentiale für primärmotorische tDCS mit mittlerer Dosierung beobachtet wurde. Im Gegensatz dazu reduzierte präfrontale tDCS mit niedriger, mittlerer und hoher Dosierung die frühen positiven TEP-Amplituden gleichermaßen. Darüber hinaus wurden für beide kortikalen Bereiche keine tDCS-induzierten neuromodulatorischen Effekte auf späte TEP-Amplituden (mit Ausnahme präfrontaler tDCS mit niedriger Dosierung) oder TMS-evozierte Oszillationen beobachtet. Zusammengenommen hat diese Arbeit unter Verwendung innovativer neurophysiologischer, Computergestützter und bildgebender Verfahren wichtige Aspekte in Bezug auf tDCS-induzierte neuroplastische Effekte untersucht, und liefert neue Erkenntnisse für zukünftige Anwendungen von tDCS in Grundlagen- und klinischen Studien.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2021000014
Dutz, Silvio; Stang, Anton; Wöckel, Lucas; Kosch, Olaf; Vogel, Patrick; Behr, Volker Christian; Wiekhorst, Frank;
A dynamic bolus phantom for the evaluation of the spatio-temporal resolution of MPI scanners. - In: Journal of magnetism and magnetic materials : MMM.. - Amsterdam : North-Holland Publ. Co., ISSN 0304-8853, Bd. 519 (2021), 167446

Magnetic particle imaging (MPI) is a tomographic imaging method to determine the spatial distribution of magnetic nanoparticles (MNP) within a defined volume. To evaluate the spatio-temporal resolution of existing MPI scanners, enabling the consistent comparison of the performance of different scanner setups, we developed dynamic MPI measurement phantoms based on segmented flow. These segmented flow phantoms comprise a defined bolus of ferrofluid tracer material, which can be pumped through a tube system with defined velocities. Using a hydrophobic organic carrier oil, cylindrically shaped boluses of different diameter, length, and flow velocity can be emulated. Moving boluses were imaged by different MPI scanner types and the correlation of spatial resolution und velocity of the bolus was investigated. For all bolus dimension and flow velocity combinations investigated, we observed a decreasing spatial resolution and increasing blurring for increasing bolus velocity and decreasing bolus volume.



https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167446
Dutz, Silvio; Stang, Anton; Wöckel, Lucas; Kosch, Olaf; Vogel, Patrick; Grüttner, Cordula; Behr, Volker Christian; Wiekhorst, Frank;
Evaluation of spatio-temporal resolution of MPI scanners with a dynamic bolus phantom. - In: International journal on magnetic particle imaging : IJMPI.. - Lübeck : Infinite Science Publishing, ISSN 2365-9033, Vol. 6 (2020), no. 2, suppl. 1, article ID 2009011, Seite 1-3

https://doi.org/10.18416/IJMPI.2020.2009011
Fiser, Ondrej; Ley, Sebastian; Helbig, Marko; Sachs, Jürgen; Kantova, Michaela; Vrba, Jan;
Temperature dependent dielectric spectroscopy of muscle tissue phantom. - In: International journal of microwave and wireless technologies. - Cambridge : Cambridge Univ. Press, ISSN 1759-0795, Bd. 12 (2020), 9, S. 885-891

The temperature dependence of the dielectric parameters of tissues and tissue-mimicking phantoms is very important for non-invasive temperature measurement in medical applications using microwaves. We performed measurements of this dependence in the temperature range of 25-50˚C using distilled water as a reference liquid commonly used in dielectric property studies. The results were compared with the literature model in the frequency range of 150-3000 MHz. Using this method, the temperature dependence of dielectric parameters of a new muscle tissue-mimicking phantom based on agar, polyethylene powder, and polysaccharide material TX-151 was measured in the temperature range of 25-50˚C. The temperature dependence of the dielectric properties of this new muscle phantom was fitted to that of the two-pole Cole-Cole model and the deviation of the results between measured and modeled data was quantified.



https://doi.org/10.1017/S1759078720000203
Dölker, Eva-Maria; Lau, Stephan; Gröllich, Daniel; Haase, Elke; Krzywinski, Sybille; Schmauder, Martin; Haueisen, Jens;
Methods for the determination of parameters for the electrical warning of persons :
Techniken zur Bestimmung von Parametern für die elektrische Personenwarnung. - In: Arbeitsmedizin, Sozialmedizin, Umweltmedizin. - Stuttgart : Gentner, ISSN 0944-6052, Bd. 55 (2020), 10, S. 645-652

Schmal, Matthias; Männel, Georg; Kircher, Michael; Bluth, Thomas; Abreu, Marcelo Gama de; Haueisen, Jens; Rostalski, Philipp; Stender, Birgit;
Robust predictive control for respiratory CO2 gas removal in closed-loop mechanical ventilation: an in-silico study. - In: Current directions in biomedical engineering. - Berlin : De Gruyter, ISSN 2364-5504, Band 6 (2020), Heft 3, 20203080, Seite 1-4
- Im Titel ist "2" tiefgestellt

In this study a physiological closed-loop system for arterial CO2 partial pressure control was designed and comprehensively tested using a set of models of the respiratory CO2 gas exchange. The underlying preclinical data were collected from 12 pigs in presence of severe changes in hemodynamic and pulmonary condition. A minimally complex nonlinear state space model of CO2 gas exchange was identified post hoc in different lung conditions. The control variable was measured noninvasively using the endtidal CO2 partial pressure. For the simulation study the output signal of the controller was defined as the alveolar minute volume set value of an underlying adaptive lung protective ventilation mode. A linearisation of the two-compartment CO2 gas exchange model was used for the design of a model predictive controller (MPC). It was augmented by a tube based controller suppressing prediction errors due to model uncertainties. The controller was subject to comparative testing in interaction with each of the CO2 gas exchange models previously identified on the preclinical study data. The performance was evaluated for the system response towards the following five tests in comparison to a PID controller: recruitment maneuver, PEEP titration maneuver, stepwise change in the CO2 production, breath-hold maneuver and a step in the reference signal. A root mean square error of 2.69 mmHg between arterial CO2 partial pressure and the reference signal was achieved throughout the trial. The reference-variable response of the model predictive controller was superior regarding overshoot and settling time.



https://doi.org/10.1515/cdbme-2020-3080
Bernhardt, Anna; Fiedler, Patrique; Fonseca, Carlos; Gon¸calves, Ricardo; Haueisen, Jens;
Novel dry electrode EEG headbands for home use: comparing performance and comfort. - In: Current directions in biomedical engineering. - Berlin : De Gruyter, ISSN 2364-5504, Band 6 (2020), Heft 3, 20203036, Seite 1-4

Monitoring brain activity at home using electroencephalography (EEG) is an increasing trend for both medical and non-medical applications. Gel-based electrodes are not suitable due to the gel application requiring extensive preparation and cleaning support for the patient or user. Dry electrodes can be applied without prior preparation by the patient or user. We investigate and compare two dry electrode headbands for EEG acquisition: a novel hybrid dual-textile headband comprising multipin and multiwave electrodes and a neoprene-based headband comprising hydrogel and spidershaped electrodes. We compare the headbands and electrodes in terms of electrode-skin impedance, comfort, electrode offset potential and EEG signal quality. We did not observe considerable differences in the power spectral density of EEG recordings. However, the hydrogel electrodes showed considerably increased impedances and offset potentials, limiting their compatibility with many EEG amplifiers. The hydrogel and spider-shaped electrodes required increased adduction, resulting in a lower wearing comfort throughout the application time compared to the novel headband comprising multipin and multiwave electrodes.



https://doi.org/10.1515/cdbme-2020-3036
Oppermann, Hannes; Wichum, Felix; Esch, Lorenz; Haueisen, Jens; Klemm, Matthias;
MagCPP: a C++ toolbox for combining neurofeedback with Magstim transcranial magnetic stimulators. - In: Current directions in biomedical engineering. - Berlin : De Gruyter, ISSN 2364-5504, Band 6 (2020), Heft 3, 20203128, 4 Seiten

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is an established method to treat various neurological diseases, such as depression, Alzheimer's disease, and tinnitus. New applications for TMS are closed loop neurofeedback (NF) scenarios, which require software control of the TMS system, instead of the currently used manual control. Hence, the MagCPP (https://github.com/MagCPP) toolbox was developed and is described in this work. The toolbox enables the external control of Magstim TMS devices via a C++ interface. Comparing MagCPP to two other toolboxes in a TMS application scenario with 40% power, we found that MagCPP works faster and has lower variability in repeated runs (MagCPP, Python, MATLAB [mean±std in seconds]: 1.19±0.00, 1.59±0.01, 1.44±0.02). An integration of MagCPP in a real-time data processing platform MNE-CPP with an optional GUI demonstrates its ability as part of a closed-loop NF-scenario. With its performing advantages over other toolboxes, MagCPP is a first step towards a complete closed loop NF scenario and offers possibilities for novel study designs.



https://doi.org/10.1515/cdbme-2020-3128
Dölker, Eva-Maria; Mubin, Alkisah binti; Supriyanto, Eko; Haase, Elke; Krzywinski, Sybille; Haueisen, Jens;
Sensation thresholds in electrocutaneous stimulation : comparison of textile cuff and TENS electrodes. - In: Current directions in biomedical engineering. - Berlin : De Gruyter, ISSN 2364-5504, Band 6 (2020), Heft 3, 20203096, Seite 1-4

Acoustic or visual warning signals for workers in hazardous situations might fail under loud and/or lowvisibility work situations. A warning system should be developed that uses electrocutaneous stimulation through textile electrodes. Previous work investigated suitable stimulation parameters using TENS electrodes. The aim of this study was to compare TENS and textile cuff electrodes in terms of sensation thresholds, qualitative and spatial sensation. A study on 30 healthy volunteers (f=13, m=17) of mean age of 26.7 years was conducted applying bi-phasic rectangular current pulses to electrodes attached to the upper right arm. The study revealed that perception, attention and intolerance thresholds, qualitative and spatial perception are comparable indicating that future studies with the textile cuff electrodes can be generally based on the previous results with TENS electrodes.



https://doi.org/10.1515/cdbme-2020-3096
Abu Alfoul, Suhaib;
Entwicklung eines Konzeptes für eine datenschutzkonforme Pseudonymisierung von Patientendaten in Cloud-basierten Gesundheitsdienstleistungen. - Ilmenau. - 51 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung eines Konzeptes zur datenschutzkonformen Pseudonymisierung von Patientendaten in cloud-basierten Gesundheitsdienstleistungen. Im Zusammenhang mit der aktuellen Einführung der Telematikinfrastruktur und den Weiterentwicklungen im Bereich der webbasierten Gesundheitsdienste sind umfassende Datenschutzkonzepte erforderlich, die unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden. Durch die Einrichtung der DSGVO im Jahr 2018 sind die Möglichkeiten der persönlichen Beeinflussung und die rechtlichen Rahmenbedingungen für die Verarbeitung personenbezogener Daten und Informationen zunehmend gewachsen. Dies betrifft vor allem besonders schutzwürdige Informationen, wie z.B. Gesundheitsdaten. Bei der Gesellschaft für medizinische Computersysteme mbH hat sich das im November 2019 gestartete EU-Projekt mit dem Arbeitstitel "MISSION" zum Ziel gesetzt, eine standardisierte Qualität der Therapieentscheidungen von Ärzten unterschiedlicher infektiologischen und mikrobiologischen Fachkenntnisse durch zusätzliche Informationen zu Befunden aus dem mikrobiologischen Labor zu erreichen. Die Verarbeitung der Daten darf i.d.R. keine Schlussfolgerungen auf einen bestimmten Patienten zulassen und vor allem müssen alle technischen und rechtlichen Datenschutzmaßnahmen eingehalten werden. Damit aber der Arzt oder das Labor die Daten des Befundes dem Patienten zuordnen kann, muss ein Konzept entwickelt werden, das eine datenschutzkonforme Pseudonymisierung der Patientendaten erlaubt. Zu diesem Zweck sollen im Projekt "MISSION" die Use Cases für die Anwendung der Pseudonymisierung identifiziert werden. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick auf die weiteren Schritte bis zur vollständigen Implementierung gegeben.




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