Development of tDCS skin contact materials and their measurement setup

Thumbnail Image

Files

master_Louhikoski_Liia_2025.pdf (6.01 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-27

Department

Major/Subject

Biomedical Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

75

Series

Abstract

Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) is a non-invasive method that is used to modulate brain function for therapeutic and cognitive purposes. The distribution of electrical current at the interface of tDCS electrodes and skin depend on the quality of electrode-skin contact. There are opportunities for optimization in the design of "verification methods" of this contact for tDCS devices. This thesis develops a verification testing model for assessing the electrical properties of tDCS electrodes. A grid-type electrode is developed for in vivo measurements to facilitate systematic analysis. SimNIBS software is used to evaluate the distribution of electrical current at the electrode-skin interface and then these findings are validated experimentally. The verification testing aimed at developing a framework that could be used in identifying possible problems in electrode-skin contact and gaining an understanding of the influencing factors on current distribution. This model thus forms a basis for studying properties like current uniformity and user comfort, enabling future research to deal with issues like hotspots and discomfort due to poor current distribution. While this thesis highlights areas where the tDCS electrode-skin contact design can still be improved, its main contribution lies in offering a systematic approach that could be used for electrode research and development in the future. The results form the basis for optimizing the structures and materials of electrodes methodically and will thus contribute to refining therapeutic stimulation technologies, and opening possibilities for more personalized treatments in the future. The thesis comprises a literature review, methods, designing of the grid electrode, and simulation techniques. In addition, the design and implementation of in vivo experimental setup, which includes participant recruitment and ethical considerations, are discussed. It carries out in vivo measurement data analysis using the MATLAB software. Results are integrated with prior knowledge and aimed to help in optimizing electrode design in tDCS. Conclusively, future directions will be suggested towards improved research with enhanced therapeutic effectiveness for widened clinical applicability with views to advance technology, tDCS improvements of outcomes, and improvements toward its widespread clinical use.

Transkraniaalinen tasavirtastimulaatio (tDCS) on ei-invasiivinen menetelmä aivojen neuroniaktiivisuuden muokkaamiseen terapeuttisissa ja kognitiivisissa hoitotarkoituksissa. Sähkövirran jakautuminen riippuu elektrodien ja ihon kontaktista ja laadusta. tDCS-laitteiden ihokontaktin verifikaatiomenetelmien"suunnittelussa on parantamismahdollisuuksia. Tässä diplomityössä kehitetään testausmalli tDCS-elektrodien sähköisten ominaisuuksien arvioimiseksi. In vivo -mittauksia varten kehitetään grid-tyyppinen elektrodi, joka mahdollistaa systemaattisen analyysin. SimNIBS-ohjelmistoa hyödyntäen työssä pyritään arvioimaan sähkövirran jakautumista elektrodi-iho-rajapinnalla ja validoimaan nämä havainnot kokeellisesti. Verifikaatiotestauksen tavoitteena on kehittää viitekehys, jota voidaan käyttää tunnistamaan mahdollisia ongelmia elektrodi-iho-kontaktissa ja saamaan syvempää ymmärrystä virran jakautumiseen vaikuttavista tekijöistä jatkotutkimuksiin. Tämä malli luo siten perustan virran tasaisen jakautumisen sekä kohdentumisen ja käyttäjämukavuuden, tutkimiselle ja mahdollistaa tulevien tutkimusten keskittymisen entistä yksilöllisempiin hoitoihin. Vaikka tämä työ tuo esille tDCS-elektrodi-iho-kontaktin suunnittelun parannusalueita, sen merkittävin panos on systemaattisen lähestymistavan tarjoaminen, jota voidaan hyödyntää tulevaisuuden elektrodien tutkimuksessa ja kehityksessä. Tulokset luovat pohjan elektrodien rakenteiden ja materiaalien optimoimiselle, mikä puolestaan edistää terapeuttisen stimulaatioteknologian hienosäätöä ja tarjoaa hoitoa erilaisille käyttäjille. Opinnäytetyö sisältää kirjallisuuskatsauksen, kuvaukset menetelmistä, grid-elektrodin suunnittelun ja simulointitekniikat. Se sisältää myös in vivo -koeasetelman suunnittelun ja toteutuksen, mukaan lukien koehenkilöiden rekrytoinnin ja eettiset näkökohdat. Mittaustuloksia analysoidaan MATLAB-ohjelmistolla. Tulokset integroidaan olemassa olevaan tietoon tDCS-elektrodien suunnittelun optimoimiseksi ja stimulaatiomenetelmien kehittämiseksi. Työ päättyy ehdotuksiin tulevaisuuden tutkimussuunnista hoidon tehokkuuden parantamiseksi ja kliinisten sovellusten laajentamiseksi, pyrkien parantamaan tDCS-teknologiaa ja tarjoamaan edistysaskeleita laajemmissa sovelluksissa.

Description

Supervisor

Palva, Matias

Thesis advisor

Österberg, Johannes

Keywords

tDCS, depression, neuromodulation, electrode materials, current distribution, antidepressant treatment

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501271939

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI