Computernumerische Simulation der Elektrodynamik mithilfe der Gitter-Boltzmann-Methode und Anwendung auf die Stimulation durch ein Cochlea-Implantat
Creators: name: Hauser, Andreas
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2021
Subjects: subject: Elektrizität
subject: Magnetismus
subject: 530.141

description: Die vorliegende Arbeit stellt computernumerische Simulationen der CI-Stimulation vor. Diese Simulationen wurden im Zeitbereich durchgeführt, um die Wirkung zeitlich veränderlicher elektrischer Stimulationen auf das biologische Gewebe zu untersuchen. Um den Schwierigkeiten bei Simulationen unter Verwendung der FDTD (Verletzung der Energieerhaltung bzw. des Poynting-Theorems, Vermeidung der artiﬁziellen Gitterimpedanz) zu entgegnen, wurde eine alternative Methode für die Langzeitsimulationen der Elektrodynamik entwickelt. Diese Methode basiert auf dem GB-Modell und unterscheidet sich wesentlich von jenen Methoden, die auf ﬁni-ten Diﬀerenzen oder Integralen basieren. Mit ihr werden die Maxwell-Gleichungen für den Grenzfall des Vakuums simuliert. Die Wechselwirkung der elektromagneti-schen Felder mit Medien wurde durch eine Erweiterung der Methode realisiert. Es stellt sich dabei heraus, dass, unter der Bedingung vergleichbarer Simulationsgenau-igkeit, die GBM deutlich schneller und eﬃzienter in Bezug auf die Rechenressourcen arbeitet als die FDTD. Dabei erfüllt die GBM die Energieerhaltung und ist von der Gitterimpedanz unbeeinﬂusst. Mit dieser Methode wurde die Simulation der CI-Stimulation auf Graﬁkkarten durchgeführt. Daten für die Medienparamter wurden der Literatur entnommen und an ein mehrkomponentiges Debyesches Relaxationsmodell angepasst. Das Cochlea-Modell für die Simulation ist aus den räumlich dominanten Strukturen gebildet. Strukturen ähnlicher Eigenschaften wurden zusammengefasst. Bei der Suche nach der Größe zur Beschreibung der Qualität des Perzepts, wurde der Betrag der Gewe-bepolarisation gewählt. Mithilfe dieses Betrags der Polarisation des Nervengewebes ist die Abhängigkeit der Qualität des Perzepts von der Dauer der Phase oder der Interphasenlücke zu verstehen. Von besonderem Interesse für diese Arbeit ist die unterschiedliche Qualität des Perzepts bei Verwendung von triphasischen und biphasischen Pulsen. Es konnte gezeigt werden, dass für ein vergleichbares Perzept, triphasische Pulse nicht nur höhere Stromamplituden als biphasische benötigen, sondern auch in der Lage sind, die unerwünschte Gesichtsmitstimulation zu min-dern, da der Gesichtsnerv bedeutend weniger stark mitstimuliert wird. Die Ursache dafür liegt in der frequenzabhängigen schirmenden Wirkung des Knochengewebes, welches den Gesichtsnerv vom Bereich der Cochlea trennt. Die Simulationsergebnisse legen nahe, dass der triphasische Puls nützlich sein könnte, wenn diese verbleibende Polarisation nach jedem biphasischen Puls z. B. ne-gative Auswirkungen auf das Sprachverständnis haben sollte. Nicht erklärbar durch das verwendete Modell ist die Abhängigkeit der Stimulationsschwelle und Feuer-Latenz neuronaler Strukturen von der Polarität (anodisch oder kathodisch) der führenden Phase [119]. Das vorgestellte Modell reagiert nicht auf diese anfängliche Polarität, da der Einfachheit halber angenommen wurde, dass das Gewebe zu Beginn der Simulation vollständig unpolarisiert und isotrop ist. Beides ist in der Realität nicht der Fall. Physiologische Studien zeigten, dass die Polarität der zweiten Phase eines biphasischen Pulses keinen großen Einﬂuss auf z. B. Feuerrate und Latenz hat [119]. Obwohl es wahrscheinlich ist, dass dies eine reine neurophysiologische Eigenschaft ist, die auf verschiedene Arten eﬀektiv modelliert werden kann [120], ist es denkbar, eine vorzeichenabhängige Schwelle P0 sowie anisotrope Medienei-genschaften anzunehmen, um auch diese Feinheiten des Perzepts modellieren zu können.