abstract: There is a strong medical need and important therapeutic applications for improved wireless bioelectric interfaces to the nervous system. Multichannel devices are desired for neural control of robotic prosthetics that interface to remaining nerves in limb stumps of amputees and as alternatives to traditional wired arrays used in for some types of brain stimulation. This present work investigates a new approach to ultrasound-powering of implantable microelectronic devices within the tissue that may better support such applications. These devices are of ultra-miniature size that is enabled by a wireless technique. This study investigates two types of ultrasound-powered neural interfaces for multichannel sensory feedback in neurostimulation. The piezoceramics lead zirconate titanate (PZT) ceramic and polyvinylidene fluoride (PVDF) polymer were the primary materials used to build the devices. They convert ultrasound to electricity that when rectified by a diode produce a current output that is neuro stimulatory to peripheral nerve or the neurons in the brain. Multichannel devices employ a form of spatial multiplexing that directs focused ultrasound towards localized and segmented regions of PVDF or PZT that allows independent channels of nerve actuation. Different frequencies of ultrasound were evaluated for best results. Firstly, a 2.25 MHz frequency signal that is reasonably penetrating through body tissue to an implant several centimeters deep and also a 5 MHz frequency more suited to application for actuation of devices within a less than a centimeter of nerve. Results show multichannel device performance to have a complex inter-relationship with frequency, size and thickness, angular incidence, channel separations, and number of folds (layers connected in series and parallel). The output electrical port impedances of PVDF devices were examined in relationship to that of stimulating electrodes and tissue interfaces. Miniature multichannel devices were constructed using an unreported method of employing state of the art laser cutting systems. The results show that PVDF based devices have advantages over PZT, because of better acoustic coupling with tissue, known better biocompatibility, and better separation between multiple channels. However, the PZT devices proved to be better overall in terms of compactness and higher outputs for a given ultrasound power level. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Bioengineering 2015

In der retrospektiven, monozentrischen Studie soll die Sicherheit von magnet-resonanztomographischen (MRT) Untersuchungen bei Patienten mit implantiertem Neurostimulator untersucht werden. Von November 2011 bis einschließlich März 2019 wurden am SRH Wald-Klinikum Gera insgesamt 171 MRT-Untersuchungen an Patienten mit implantiertem rücken-marknahem Neurostimulator (Spinal Cord Stimulation, SCS; Dorsal Root Ganglion Stimulation, DRG-S) durchgeführt. Zudem konnten 22 MRT-Anforderungen ohne Durchführung einer MRT-Untersuchung identifiziert und die Gründe für die nicht erfolgte MRT-Untersuchung ausgewertet werden. Aufgrund initial geringer Fallzahl wurde in Absprache mit der zuständigen Ethikkommission der Auswertungszeitraum für MRT-Untersuchungen an Patienten mit DRG-S bis einschließlich Oktober 2020 erweitert, hierdurch konnten elf weitere Untersuchungen ausgewertet werden. Von den im Beobachtungszeitraum in unserem Klinikum implantierten Patienten haben 28% in der eigenen Einrichtung mindestens eine MRT-Untersuchung erhalten. Retrospektiv konnte eine Vorhersagbarkeit des MRT-Bedarfs nur in 22% der Anforde-rungen zum Zeitpunkt der Implantation unterstellt werden. Aber selbst in Kenntnis anatomischer Besonderheiten bleibt eine prospektive Vorhersagbarkeit des künftigen MRT-Bedarfs sehr vage. MRT-Untersuchungen für Patienten mit rückenmarknahem Neurostimulator sind nur selten innerhalb der Zulassungskriterien möglich. Hauptgründe sind die fehlende Zulassung von einzelnen Komponenten, die Elektrodenlage und Einschränkungen bezüglich der untersuchbaren Körperregionen bzw. der technischen Voraus-setzungen für eine MRT-Bildgebung. Im Ergebnis unserer Studie sind bei adäquater 4 Implantatvorbereitung, Patientenaufklärung und Beachtung von definierten Abbruch-kriterien (deutliche Erwärmung der Implantate, Auftreten von sensomotorischen Stimulationssensationen, neue Schmerzen im Bereich der Implantate) MRT-Unter-suchungen auch für diese Patientengruppe relativ sicher. In unserem Patientengut, welches sowohl die epidurale Rückenmarkstimulation (156 Fälle) als auch die Dorsal Root Ganglion Stimulation (26 Fälle) umfasst, traten ein schwerwiegendes uner-wünschtes Ereignis (0,6%), zwölf möglicherweise implantatbezogene unerwünschte Ereignisse (7,0%) und drei unerwünschte Ereignisse ohne Zusammenhang mit dem Implantat (1,8%) auf. Nach unserer Kenntnis ist dies die erste wissenschaftliche Arbeit, die MRT-Unter-suchungen bei Patienten mit Systemen zur Dorsal Root Ganglion Stimulation erfasst. Auch handelt es sich um die erste Publikation hinsichtlich von Systemen zur Spinal Cord Stimulation des Herstellers Abbott Laboratories und übernommener Gesell-schaften (St. Jude Medical, Inc., Advanced Neuromodulation Systems, Inc.). Zum MRT-Bedarf von Patienten mit implantiertem Neurostimulator gibt es bisher nur zwei US-amerikanische Arbeiten; auch die Vorhersagbarkeit des künftigen MRT-Bedarfs wurde von uns erstmals untersucht.:1. Bibliographische Beschreibung 2. Abkürzungsverzeichnis 3. Einführung 3.1 Begriffsbestimmung: Neuromodulation, Neurostimulation 3.2 Spinal Cord Stimulation (SCS) 3.3 Dorsal Root Ganglion Stimulation (DRG-S) 3.4 Magnetresonanztomographie (MRT) 3.5 Problematik von MRT-Untersuchungen bei Patienten mit Neurostimulator und im bzw. nahe am zentralen Nervensystem platzierten Elektroden 3.6 Ziel der Arbeit 4. Publikationen 4.1 Publikation 1: MRT-Bedarf und Vorhersagbarkeit 4.2 Publikation 2: MRT-Sicherheit von SCS-Systemen 4.3. Ergänzende Daten zu MRT-Untersuchungen mit SCS-Systemen 4.3.1 Materialien und Methoden 4.3.2 Analyse der MRT-Anmeldungen ohne folgende MRT-Untersuchung 4.3.3 Ergänzende demographische Daten 4.3.4 MRT-Diagnostik mit unvollständigen oder defekten SCS-Systemen 4.3.5 Analyse der technischen Parameter 4.3.6 MRT-Diagnostik mit SCS-Systemen anderer Hersteller 4.4 Publikation 3: MRT-Sicherheit von DRG-S-Systemen 5. Zusammenfassung der Arbeit 6. Literaturverzeichnis 7. Anlagen 7.1 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 7.2 Darstellung des eigenen Beitrags 7.3 Lebenslauf 7.4 Publikationsverzeichnis 7.4.1 Beiträge in Fachzeitschriften 7.4.2 Posterbeiträge 7.4.3 Wissenschaftliche Vorträge 7.5 Danksagung