On Friday, January 26, Jón Andri Árnason will defend his 60ECTS master's thesis, Modeling the conductive characteristics of the human lower back using medical imaging and FEM modelling to optimize tSCS therapy, at the Department of Engineering.

• Student: Jón Andri Árnason
• Supervisor: Þórður Helgason
• Examiner: Kristinn Andersen
• Date: January 26th
• Time: 14:00 – 15:00
• Room: M119
• Teams Link

Útdráttur
Raförvun á mænu í gegnum húð (Transcutaneous spinal cord stimulation, tSCS) er vænleg og
ekki ífarandi meðferð til að meðhöndla langvarandi sársauka og auka hreyfigetu hjá einstak-
lingum sem þjást af mænuskaða (SCI). Nákvæm virkni tSCS hefur, sem stendur ekki verið
útskýrð að fullu, meðal annars vegna þess að læknisfræðilega aðferðin takmarkast af því að
vera mjög sértæk, þar sem aðlaga þarf staðsetningu og straumstyrk rafskauta hjá hverjum
sjúklingi. Meistaraverkefni þetta var unnið í þeim tilgangi að veita innsýn inn í dreifingu
rafstraums innan mannslíkamans með því að þróa nýtt ferli til að búa til bútunar aðferðar
líkan (Finite element method, FEM) af mannslíkamanum með því að nota tölvusneiðmyndir
og leysa líkönin í Ansys Maxwell. Teknar voru tölvusneiðmyndir í háupplausn af kviðarholi
hjá þremur einstaklingum. Myndirnar voru síðan fluttar inn í Materialize Mimics þar sem
búið var til þrívíddarlíkan fyrir helstu líkams hluta t.d. húð, fitu, vöðva, beinagrind, mænu
osfrv. Þrívíddarlíkönin voru forunnin í Autodesk Meshmixer til að fjarlægja óæskilega hluta.
Þrívíddarlíkönin voru næst flutt inn í Ansys SpaceClaim þar sem líkönunum var breytt í CAD
hluti. Þar var hvert líffæralíkan sameinað aftur til að búa til eitt líkan af kviðarholi manns.
Fullbúna líkanið var síðan að lokum flutt inn í Ansys Maxwell til úrlausnar. Einfölduð
líkön frá Ansys Maxwell leiddu til straumdreifingar sem passar vel við núverandi skilning
á rafstraums dreifingar mynstri. Samansett líkan var búið til fyrir hvern einstakling með
þróuðu aðferðinni, þar sem niðurstöður í Maxwell sýndust vænlegar og auðvelt er að breyta
rafskautsstillingum og staðsetningu. Hins vegar krefst langur útreikningstími og tilhneiging
til villna við möskvamyndun frekari vinnu. Nákvæms staðfestingarferlis er einnig krafist
áður en unnt er að nota þessa aðferð í klínískum tilgangi.

Abstract
Transcutaneous spinal cord stimulation (tSCS) is a promising non-invasive therapy for man-
aging chronic pain and enhancing motor function in individuals suffering from spinal cord
injuries (SCI). The precise mechanisms of tSCS are currently not fully understood with the
medical modality suffering from being highly patient-specific with differences in patient
body composition needing to be accounted for with electrode placement and current inten-
sity. As such this master’s project endeavours to provide some insight into the distribution
of electric current within the human body by developing a novel process of creating a Finite
element model (FEM) of the human body using CT images. High-resolution CT images
were taken of the abdominal cavity from three subjects. The images were then imported
into Materialize Mimics where a 3D model was created for each major structure e.g. skin,
fat, muscle, skeleton, spinal cord, etc. The 3D models were then pre-processed in Autodesk
Meshmixer to remove any unwanted geometry. The 3D models were then imported into
Ansys SpaceClaim where the models were converted into solid CAD objects. There each
organ model was recombined to create a single model of the human abdominal cavity. The
completed model was then imported into Ansys Maxwell for solving. The simplified solved
systems from Ansys Maxwell resulted in a current distribution that matches closely the cur-
rently understood pattern of current distribution. A model was created for each subject using
the developed method, with solutions in Maxwell showing promising results and an ease of
changing electrode configuration. However long calculation times and a tendency for mesh
creation errors require further work. A careful validation process is also required before any
use of this method in clinical settings.