Caratterizzazione di differenti sistemi di stimolazione magnetica per l'attivazione di nanoparticelle magnetoelettriche (MENPs) in applicazione di stimolazione elettrica profonda (2024)

The main objective of this research is to characterise magnetic stimulation systems for the activation of magneto-electric nanoparticles (MENPs). MENPs present a feature of great relevance, they are able to generate an effect called the 'magnetoelectric effect' (EM), they therefore have the ability to produce a large amplitude electric field when activated by a low amplitude magnetic field. Following an initial literature review of MENPs' applications in the biomedical field, four types of configurations were presented as magnetic stimulation systems with the aim of achieving 200 mT and 1 mT (through scaling) in the subthalamic nuclei (deep anatomical area). Simulations of the magnetic stimulation systems were carried out using a SIM4life simulation platform and a highly detailed anatomical model of the human head (MIDA model), the results were then processed on Matlab. In order to assess the magnetoelectric effect, i.e. to evaluate the electrical stimulation produced, the comparison results of the four systems were reported, of the electric and magnetic field intensity in specific anatomical areas. Finally, a comparison was made between the electrical stimulation of these systems taken individually and the total electrical stimulation assuming the presence of MENPs (through the magnetoelectric coefficient and magnetic field previously calculated) in the four different configurations, in the second case an increase in the electric field of five orders of magnitude is noted, for all the anatomical areas under examination. In conclusion, the advantages and limitations of designing systems of this type have been expressed, with specific considerations for the cases under investigation.

Questa ricerca ha come principale obiettivo la caratterizzazione di sistemi di stimolazione magnetica per l'attivazione di nanoparticelle magnetoelettriche (MENPs). Le MENPs presentano una caratteristica di grande rilevanza, sono in grado di generare un effetto denominato “effetto magnetoelettrico”, hanno perciò la capacità di produrre un campo elettrico di grande ampiezza, quando esso viene innescato da un campo magnetico di bassa ampiezza. Successivamente ad un iniziale revisione della letteratura delle MENPs e delle applicazioni di esse in campo biomedico, sono stati presentati quattro tipi di configurazioni come sistemi di stimolazione magnetica con lo scopo di ottenere 200 mT e 1 mT (attraverso una scalatura) nei nuclei subtalamici (area anatomica profonda). Le simulazioni dei sistemi di stimolazione magnetica sono state svolte attraverso una piattaforma di simulazione SIM4life e con un modello anatomico della testa umana altamente dettagliato (MIDA model), i risultati sono poi stati elaborati su Matlab. Per valutare l'effetto magnetoelettrico, quindi per valutare la stimolazione elettrica prodotta, sono stati riportati i risultati di confronto dei quattro sistemi, delle intensità di campo magnetico ed elettrico in determinate aree anatomiche. Infine, si è svolta una comparazione tra la stimolazione elettrica di questi sistemi presi singolarmente e la stimolazione elettrica totale ipotizzando la presenza delle MENPs (attraverso il coefficiente magnetoelettrico e il campo magnetico precedentemente calcolato) nelle quattro differenti configurazioni, nel secondo caso si nota un incremento del campo elettrico di cinque ordini di grandezza. Conclusivamente, sono stati espressi i vantaggi e limiti della progettazione di sistemi di questo tipo, con considerazioni specifiche sui casi in esame.

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