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13.02.2017 | Original Article | Ausgabe 10/2017

Medical & Biological Engineering & Computing 10/2017

Numerical modeling of percutaneous auricular vagus nerve stimulation: a realistic 3D model to evaluate sensitivity of neural activation to electrode position

Zeitschrift:
Medical & Biological Engineering & Computing > Ausgabe 10/2017
Autoren:
Amine M. Samoudi, Stefan Kampusch, Emmeric Tanghe, Jozsef C. Széles, Luc Martens, Eugenijus Kaniusas, Wout Joseph

Abstract

Objective

Percutaneous stimulation of the auricular branch of the vagus nerve (pVNS) by miniaturized needle electrodes in the auricle gained importance as a treatment for acute and chronic pain. The objective is to establish a realistic numerical model of pVNS and investigate the effects of stimulation waveform, electrodes’ depth, and electrodes’ position on nerve excitation threshold and the percentage of stimulated nerves.

Methods

Simulations were performed with Sim4Life. An electrostatic solver and neural tissue models were combined for electromagnetic and neural simulation. The numerical model consisted of a realistic high-resolution model of a human ear, blood vessels, nerves, and three needle electrodes.

Results

A novel 3D ear model was established, including blood vessels and nerves. The electric field distribution was extracted and evaluated. Maximum sensitivity to needles’ depth and displacement was evaluated to be 9.8 and 15.5% per 0.1 mm, respectively. Stimulation was most effective using biphasic compared to mono-phasic pulses.

Conclusion

The established model allows easy and quantitative evaluation of various stimulation setups, enabling optimization of pVNS in experimental settings. Results suggest a high sensitivity of pVNS to the electrodes’ position and depth, implying the need for precise electrode positioning. Validation of the model needs to be performed.

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